引言

變頻調速技術廣泛應用于工業領域。隨著電力電子控制技術及元器件的不斷發展，變頻調速系統的集成度、智能化程度越來越高，硬件構成也越來越緊湊、簡單。DSP（數字信號處理器）+IPM（智能功率模塊）就是變頻調速系統最新的發展方向之一。

在DSP+IPM構成的變頻調速系統中，充分利用了DSP高速運算、配置豐富及IPM控制信號接口簡單、保護完善的特點，使得系統元器件數大為減少、結構緊湊，而性能及可靠性卻大為提高，縮短了產品開發周期，提高了產品的競爭力。

筆者為某設備所做的一個變頻調速子系統就采用了DSP+IPM的結構。下面介紹該系統的硬件設計方法。

硬件設計

DSP和IPM

該系統工況為24小時連續工作制。要求受上位機控制，控制兩路電機的啟動、停止、轉速及加速度，同時將掉電及故障信號反饋給上位機。系統要求結構緊湊、體積小、保護功能完善、穩定可靠。系統輸入電壓為3Φ 200VAC。控制的兩路電機功率分別為180W。根據以上要求，我們采用了DSP+IPM的硬件結構。

因為系統要求實時控制兩路電機的運行，我們選用了TI公司的專為電機控制設計的TMS320L2407A型DSP。該DSP采用了高性能靜態CMOS技術，時鐘頻率可達40MHZ，指令周期僅為25ns，可實現3.3V低功耗設計，滿足實時控制要求。尤其值得一提的是該DSP具有用于電機控制的專用外圍配置―兩個事件管理模塊EVA和EVB，每個模塊包括：兩個16位通用定時器;8個16位PWM通道;三個外部事件的時間標記捕獲單元;可編程的死區時間以防止直通故障;在片位置編碼器接口電路;同步A./D轉換器等，可方便地實現對兩路電機的控制。另外，該型DSP還有多達40個可單獨編程的復合通用輸入/輸出引腳、多達5個外部中斷等配置，對實際應用帶來很大方便。

因為該系統輸入電壓為3Φ 200VAC，控制的兩路電機功率均為180W，考慮適當裕量，我們選用了三菱公司第三代DIP-IPM PS21563（10A/600V）。三菱DIP-IPM是面向AC100～200V級小容量電機變頻驅動、采用傳遞型封裝結構、將功率電路和驅動保護電路集成于一體的小型智能功率模塊，具有以下特點：

3相AC變頻輸出電路搭載三菱第5代平面型IGBT和CSTBT（Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor：具有載流子蓄積層的溝槽型門極構造雙極晶體管）功率芯片，實現更低損耗。

采用自舉電路結構，可實現單電源驅動。

內置有IGBT驅動電路，具有過載保護、控制電源欠壓保護功能。P側具有UV（控制電源欠壓）保護功能，但不輸出故障信號F。N側具有UV及SC（過載）保護功能，同時輸出故障信號F。

內置專用HVIC（高壓600VIC），無需隔離絕緣電路（如光耦），可由DSP或3V級單片機直接驅動。

輸入接口電路采用高電平驅動邏輯，消除了舊產品低電平驅動方式對電源投入和切斷時的時序要求，增強了模塊自保護能力。

系統輸入為3Φ 200VAC，經三相全橋整流為約270VDC供給IPM，并由270V進行DC/DC轉換產生輔助電源，為DSP、上位機及IPM模塊提供控制電源。上位機接受主系統控制，對DSP發出2路電機起停、4級加速度及8級速度的控制信號，DSP根據上位機的控制信號產生兩組6路脈沖分別控制兩個IPM模塊，從而控制兩路電機的起停、加速度及轉速。兩路電機的轉速通過軸編碼器反饋回上位機。IPM的故障信號反饋給DSP，DSP將故障信號及掉電信號反饋回上位機。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

自舉電路

一般逆變電路中，因上臂3個IGBT的觸發脈沖的參考地是懸浮的，故上臂觸發脈沖需3組相互隔離的電源供電。下臂3個IGBT的觸發脈沖是共參考地的，只需一組供電電源。故共需多達4組相互隔離的電源。而三菱公司的DIP-IPM采用自舉電路結構，可方便地實現單電源驅動。具體工作原理如下：當DIP-IPM起動時，先給下臂IGBT發出足夠的充電脈沖數或足夠寬的單個脈沖，開通下臂（N側）的IGBT，使下臂的供電電源通過IPM的內部充電路徑使上臂的3個自舉電容完全充電，從而給上臂的3個IGBT的觸發脈沖供電。然后才開始發出PWM控制脈沖。自舉電路充電路徑及工作時序圖如圖2所示。

圖2 自舉電路充電路徑及工作時序圖

自舉電容C1的容值計算公式為C1=IBS X T1/△V，式中T1為上臂IGBT的最大通態（ON）脈寬，IBS為IC的驅動電流（考慮溫度和頻率特性），△V為允許的放電電壓。注意，用該式計算出的自舉電容容值應是最小值，實際選擇時應增加一定裕量。

自舉電阻R2的阻值選擇應滿足下述條件：時間常數R2 X C1能使放電電壓（△V）在下臂IGBT的最小導通脈寬（T2）內被充電到C1上。即 R2={（VD-VDB） X T2}/（C1 X △V），式中VD為電源電壓，VDB為自舉電容C1上電壓。

自舉二極管選擇：對3Φ 200VAC電路，若電源輸入電壓波動范圍取±30%，則三相全橋整流后直流電壓VD=200 X 1.3 X 1.35=351（V），取最小裕量為1.5，則自舉二極管耐壓應為351 X 1.5=526.5（V），取600V。故自舉二極管額定電壓最小應為600V，因為PWM載波頻率較高（最大為20KHZ），推薦選用快恢復二極管（反向恢復時間小于100nS）。

硬件設計要點

根據筆者設計該系統的經驗，硬件設計應注意以下方面，以提高系統抗干擾性，使之在強干擾的現場工業環境中能可靠穩定運行。

雖然DIP-IPM模塊可由DSP直接驅動，但實際調試時發現，在上電及對DSP進行flash編程過程中，DSP的引腳有時會出現不確定狀態，產生干擾脈沖導致IPM的上、下臂IGBT直通引起短路保護動作。故我們在DSP到IPM的兩組觸發脈沖通道中分別加了一個八通道、雙電源3態門轉換收發芯片74LVC4245，該芯片的輸出使能端由一個簡單的邏輯門電路控制，如圖3所示。以確保在上電及對DSP進行flash編程時不會有干擾脈沖誤觸發IPM。

圖3 控制觸發脈沖通道通、斷的邏輯門電路

為防止信號振蕩，應在各輸入端加RC退耦電路。對兩組觸發脈沖來說，RC電路一來可濾掉干擾脈沖，二來還可限制輸入脈沖的最小脈寬。RC容量的選擇要和PWM的載波頻率匹配，使得既能濾掉干擾信號，又不對觸發脈沖造成畸變。因為DIP-IPM輸入部分IC內置2.5KΩ（min）下拉電阻，故RC中R阻值的選擇應注意使分壓后的信號值滿足DIP-IPM的輸入電平閾值要求。

DIP-IPM還有一個很實用的功能：短路保護。在本系統的軟件調試過程中，該功能多次發揮作用，可靠地保護了模塊，使本系統樣機調試過程中IPM模塊無一損壞。但要使該功能可靠發揮作用，應注意以下兩點：

1）外部電流檢測電阻的信號回路必須設置RC濾波電路，以免短路保護誤動作。RC時間常數的選擇要考慮IGBT的硬中斷能力，一般推薦為1.5~2μS，最大不超過6μS。時間常數過短可能引起短路保護誤動作，過長則可能超出IPM模塊的耐受能力，不能有效保護IPM模塊。

2）外部電流檢測電阻應為無感電阻，該電阻及其信號引線到IPM模塊對應引腳的布線應盡可能短，以免由引線電感干擾引起短路保護誤動作。

PCB布板時應注意采取以下抗干擾措施：

1）強電（功率部分）和弱電（控制部分）從區域上分開。

2）數字地（控制地）和模擬地（功率地）分開布局，只能在一點相接。一定要注意避免功率地線上的電流流經控制地線，以免引入地線干擾。

3）PCB上IPM模塊相鄰觸發脈沖引腳間可開槽，避免相互干擾。

4）電流檢測電阻及其信號線、觸發脈沖信號及所有電容到IPM模塊的布線要盡可能短，盡量降低其引線電感引起的干擾。

結語

該系統已批量生產上千臺，投入現場連續運行三年多。實際運行表明，該系統運行穩定，工作良好。可以預計，DSP+IPM模式將是緊湊型變頻調速系統的發展方向之一。