采用脈寬調制控制方式的逆變電路解析方案

1 引言

無源逆變技術在交流電動機調速、不間斷電源、交-直-交變頻電路等方面已經有了非常廣泛的應用。而脈寬調制技術更是以其諧波抑制、動態響應、頻率和效率等方面的明顯優勢取得了很大的發展。特別是在自關斷器件出現成熟以后，逆變電路越來越多地采用脈寬調制控制方式。

采用硬件產生正弦脈寬調制波形的電路比較復雜，而且難以精確控制;而采用軟件產生正弦脈寬調制波形又需要占用大量的CPU開銷，從而降低了計算機的利用率;另外，大功率電力電子器件的保護和控制都比較困難，驅動電路也較復雜。這些因素都阻礙了逆變技術的發展，降低了裝置的可靠性。本文介紹一種將 80C196MC單片機的片內波形發生器(WFG)和智能功率模塊(IPM)應用于逆變電路的實現方案。

2 片內波形發生器

片內波形發生器WFG(Wave Form Generator)是intel80C196MC/MD單片機所獨有的特點，它簡化了產生同步脈寬調制波形所需的控制軟件和外部硬件。

Intel 80C196MC/MD單片機中的波形發生器有3個同步的PWM模塊(圖1中只畫出一個)，每個模塊包括一個相位比較寄存器WG-COMP、一個無信號(DEAD TIME)時間發生器和一對可編程輸出。在重裝寄存器WG-RELOAD、雙向計數器WG-COUNT和比較器1地組合工作下即可產生載波信號。控制寄存器WG-COM除了控制WFG的工作方式外，其低10位還可用來確定無信號的時間。保護寄存器WG-PRO的功能是在軟件控制或外部事件的作用下，同時禁止WFG的全部6個輸出。輸出控制寄存器WG-OUT用來控制輸出腳的功能。該80C196中的波形發生器可以產生獨立的3對PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無信號時間和操作方式。

以中心對準工作方式0為例來說明波形發生器產生PWM波形的原理。開始時，雙向計數器向上計數，原始輸出有效。當W-COUNT=WG-COMP時，輸出變為無效。然后計數器繼續向上計數，直到計數器計數達到峰頂WG-COUNT=WG-RELOAD而產生一次WG中斷，系統從已建立好的正弦表中查出相應值重裝載入相位比較寄存器為止。再后來計數器便向下計數。這期間一對互補輸出均無效。直至WG-COUNT再次等于WG-COMP的值而使輸出又變為有效。當計數器向下計數到1時，又開始向上計數。如此反復即可在WGx和WGx上產生一對互補SPWM輸出波形。

為防止一對互補的PWM同時作為于逆變器的上下臂而產生直通，保證WFG的輸出不產生交疊波形，WFG中設置了無信號時間發生器。當WG-COUNT=WG -COMP時，相位比較器產生一跳變信號，跳變檢測器檢測到此跳變后，啟動一個10位無信號時間計數器，其計數值由WG-CON專用寄存器的低10位 D9～D0裝入，并使得計數器的輸出DT為低電平，然后每個狀態周期計數減1，一直到0。這時計數器停止計數，DT變為高電平，從而產生一個死區時間來延遲輸出有效的開通時間。死區時間主要由IPM中IGBT的關斷時間決定，同時還與單片機輸出隔離器件的延遲時間有關。死區時間不能太長。因為太長的死區時間可能導致WFG無PWM輸出，理論上要保證脈沖寬度不小于3T-dead。

由上述80C196MC單片機的波形發生器WFG產生PWM波形的基本原理可知，要產生正弦脈寬調制 SPWM波形，必須按正弦規律來控制WFG上產生的 PWM波形的占空比。因此在WFG產生中斷并重裝載相位寄存器值時，必須計算正弦函數值或者查正弦函數表以獲得對應時刻的正弦值。

3 智能功率模塊

電力電子器件是電力電子技術的重要基礎。各種新型的電力電子器件不斷涌現推動了電力電子技術的發展。 80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)為代表的復合型器件異軍突起。IGBT是功率場控晶體管MOSFET和電力晶體管GTR的復合，它把MOSFET的驅動功率小、開關速率快的特點和GTR通態壓降小、載波能力大的優點集于一身，因而性能十分優越，從而使之成為現代電力電子技術的主導器件。但是在實際電路中，大功率、高頻率的開關操作動態條件非常荷刻。功率電路，緩沖電路還有門極驅動電路必須設計到足以承受di/dt和dv/dt極限值。如果過電壓就會發生。同時地環路和雜散電容還會引起嚴重的噪聲問題。因此合理的布局對于IGBT的可靠性和工作效率是非常重要的。哪一個環節沒有設計好都會影響電路的正常工作，甚至將器件損壞。三菱智能功率模塊IPM(Intelligent Power Module)是一種將高速、低損耗IGBT及其最佳門極驅動和保護電路集于一體的功率模塊。該模塊通過使用一種先進的在線監控電流傳感器IGBT來實現高效的過電流和短路保護。IPM的過溫保護和低電壓閉鎖保護更是大大的提高了系統的可靠性，而且整體模塊體積小、結構緊湊，從而大大減小了整個裝置的外形尺寸。下面結合PM100CSA120的內部結構來說明其原理和保護功能。