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變頻空調中基于FSBB20CH60的高性能功率模塊設計摘要:敘述了具有集成驅動、保護和系統控制功能的智能功率模塊FSBB20CH60，對其實施了隔離式的外驅動設計,實現了一種高性能功率模塊。將其應用于變頻空調，降低了成本，提高了可靠性。目前已投入批量生產，取得了預期的效果。關鍵詞:智能功率模塊；門極驅動；電平移位；自舉；變頻空調 A High Performance Power Module Based on FSBB20CH60 SHAOMingshuang, SUNJun (School of Electronics & Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030,China) Abstract:An advanced smart power module (SPM) FSBB20CH60 that has the functions of integrated driven,protection and systemcontrol is introduced. With external driven design,a high performance power modul eis realiged. This kind of module is been used to inverter AirCON. The cost had reduced and the performance had improved. Up to now it has been put into production and acquires anticipated effect. Key words:SPM; gate driving; level shifter; bootstrap; inverter aircon 0 引言變頻空調的逆變器核心功率級電路———智能功率模塊的成本雖然相對較高，但仍以其高可靠性和良好的一致性在大批量生產中獲到了極廣泛的應用。 1 智能功率模塊的一般特點智能功率模塊是電力電子集成電路的一種，集功率器件（IGBT）、驅動電路和保護功能于一體，內部含有門極驅動控制、故障檢測和多種保護電路，其核心器件是IGBT。智能功率模塊與以往IGBT模塊及驅動電路的組件相比具有許多優點： 1）內含驅動電路，保證IGBT最佳驅動條件； 2）內含過電流保護（OC）、短路保護（SC）； 3）內含驅動電源欠壓保護（UV）； 4）內含低損耗IGBT和續流二極管； 5）信號輸入端兼容3.3/5VCMOS/LSTTL電平； 6）寬的輸入電壓范圍； 7）內含過熱保護； 8）內含故障輸出（Fo），向外部輸出故障信號，當下橋臂OC、UV保護動作時，通過向控制智能功率模塊的微處理器輸出故障信號，實現系統保護。以上是智能功率模塊的一般特點，對于具體不同型號的智能功率模塊，其內部所集成的功能可能有所差異，但一般都具有上述特點。 2 FSBB20CH60的特點為了滿足人們對低噪聲、高性能、小型化、輕量化不斷增長的要求及花最小的代價獲得最佳的性能和精確的控制。飛兆半導體公司推出了新一代的智能功率模塊FSBB20CH60，它除了具有上述一般智能功率模塊的優點外，還具有下列特點： 1）上橋臂驅動器電源使用自舉（Bootstrap）電源技術，全部驅動共用一個電源； 2）內含隔離高壓的快速電平移位電路（level shifter）； 3）由于采用了DBC技術，因而熱阻極小； 4）3 個獨立N 極接線端子結構，用戶可方便、高效地檢測各相的負載電流，從而實現高效率、低成本電機驅動算法； 5）輸入端信號高電平有效，更有利于與CPU的控制連接； 6）控制信號不需要光耦隔離； 7）高壓側外接柵極電阻能讓設計人員調節SPM的開關速度，此舉有助于降低開關損耗和開關噪聲，并且減小電壓應力(可能在極端條件下引起HVIC閉鎖)。 FSBB20CH60 的內部電路如圖1 所示[1]，圖1 中上面的3 個高壓集成電路HVIC1-HVIC3 驅動三相橋臂的上管，下面的LVIC驅動三相橋臂的下管。其中，HVIC1～HVIC3 中集成了輸入PWM 信號整形電路、電平移位電路、欠壓保護電路、IGBT驅動電路，其結構示意圖如圖2所示。新一代智能功率模塊的最大特點就是實現了單電源驅動，其核心技術就是驅動電源采用自舉電源技術和電平移位電路。由于SPM內部建立起了電平移位電路，從而省去了光耦，并且允許6 個輸入控制端直接連接CPU/DSP。其原理示意圖如圖3 所示，工作原理分析如下：當輸入脈沖信號為"1"時，經過脈沖鑒別器確認，且此時無欠壓發生，閂鎖邏輯電路上端輸出為"1"，下端輸出為"0"，此時，V1導通，V2關斷，IGBT1的門極驅動電壓為+15V，IGBT1導通，IGBT2關斷；反之，當輸入脈沖信號為"0"時，IGBT1 關斷，IGBT2導通。自舉電源由圖3中的電阻R1、自舉二極管D1和自舉電容C1組成，當下橋臂IGBT2導通時，自舉電容C1通過R1和D1充電，這里必須保證C1首次充電時，IGBT2導通一定的時間，使得C1充電充分，這樣C1兩端的電壓保持為+15V，足夠驅動上橋臂的IGBT1，通過這種自舉電源技術，允許IGBT1的源端在P、N之間浮動。智能功率模塊外圍電路的設計同以往非單電源智能功率模塊的外圍電路的設計有所不同，由于采用單電源模塊實現共地系統，MCU 發出的6 路PWM 脈沖信號都不需要經過光耦隔離就可以直接連接到SPM相應的引腳[2]。另外，智能功率模塊需要有自舉電源電路，其中自舉二極管需要選擇反向恢復時間短的快速二極管，自舉電容需要選擇容量在10μF 以上的電解電容，以保證自舉電源能有效可靠地工作。在變頻空調中由于強弱電的存在，考慮到安全性，現在仍普遍采用隔離方案。基于此，本次設計采用光耦隔離方式，設計出了一種高性能功率模塊。這種模塊化的設計，有利于整個系統的匹配。 3 高性能功率模塊的設計在高性能功率模塊的設計過程中有幾個需要注意的關鍵問題：首先在模塊設計時就要考慮其安全性，即模塊單獨上電時，其自身的安全，由于模塊為輸入高電平有效，因此，常態下應確保模塊輸入端為低電平; 其次要注意印制電路板的線間電氣間隙和整體布局，以確保電路板的安全和抗EMI的能力;最后還要考慮與整個系統之間的配合。 3.1 故障輸出電路的設計功率級電路中，高性能功率模塊自身保護是很重要的，尤其是短路保護。因此用于短路電流檢測的功率電阻的選擇就至關重要，其大小選擇主要是依據模塊內部保護電流值的大小進行選擇。SPM短路觸發電平為0.5 V左右、這里設定瞬時電流保護值為34 A，經計算選擇阻值為0.015Ω，功率為10 W的無感電阻。為了使功能率模塊安全工作還需要設計輔助的保護電路，如過/欠壓保護電路、過流保護電路等。 SPM 模塊自身具有短路，過流、過熱、欠壓保護等功能，一旦SPM 受損自身實行保護，則通過其VFO口輸出保護信號，并由C8作保持保護信號的脈寬設定（參見圖4）。具體關系為tFOD=CFOD/(18.3×10-6 ) s，SPM輸出的保護信號經IC7光耦隔離、再經三級管Q1跟隨后輸出到室外板CPU 的模塊保護輸入口，最終實施SPM模塊保護，即起到了保護整個高性能模塊的作用。模塊過流保護外置限流電阻為R21。R22、C9構成RC濾波取樣，故障相應速度的快慢即由它們組成的RC 電路的時間常數決定。 3.2 外部隔離驅動設計在驅動電路的設計中，先就單個IGBT 驅動進行調試，然后再對上下管進行配對調試，最后進行整體的調試。具體的SPM模塊采用的是飛兆單電源模塊FSBB20CH60，電路如圖4 所示。其驅動信號由室外板CPU 輸出，經IC1~IC6 光耦隔離，由Q11~Q16 三極管反相后輸入到SPM模塊UP、VP、WP、Un、Vn、Wn控制端。R43~R48為光耦IC1~IC6輸入的限流電阻，每一路都使用了一個普通三極管和一個普通光耦相連接，代替一高速光耦；同時為達到提高響應速度的目的，平常使三極管工作在臨界飽和狀態，以補償由于光耦開通和關斷時間的離散性而導致的6 路驅動信號之間的不平衡；減小光耦的輸入端電阻，以達到提高光耦的響應速度；R33~R36 分別為光耦IC1~IC3 輸出的偏置電阻，R37~R42 分別為三極管反相器Q11~Q16 的偏置電阻，C21~C26為高頻噪聲吸收電容。SPM 內部由6 只IGBT構成的具有上下橋臂的三相橋式電路，根據CPU 的驅動信號按順序和時序輪流導通，實行對直流線線電壓Vpn 進行斬波，調制成壓縮機運轉所需的電源，再經SPM 的U、V、W 三相輸出端輸出加到壓縮機電動機端子上，使壓縮機按照設定要求，進行變頻調速。在設計中要注意將單獨一路信號的驅動延時限制在適當的范圍，以利于程序的控制。同時注意上下管的驅動信號之間要有合適的死區時間，防止在程序運行過程中其上下管出現直通現象。外接的IGBT 內部驅動電阻的選擇，如圖4 中R97、R98、R99，適當增大它們的阻值可以有效減少dv/dt，從而減小由此造成的EMI噪聲。但也應考慮驅動能力的要求，本設計電阻選用5.6Ω。 3.3 與壓縮機控制電路的接口設計 SPM 模塊驅動及壓縮機控制信號有六相，分別由CPU 的6 個腳單獨輸出，經R43~R48 限流輸至SPM 模塊的外圍電路驅動控制端。室外機CPU 根據系統需求輸出作用于SPM 模塊調制的SPWM 驅動信號，以滿足給壓縮機提供的變頻電源，實現調速。如果SPM 六相驅動信號發生某相丟失，會造成壓縮機啟動困難或缺相運行，從而導致壓縮機因電流增大而產生過熱。這時，SPM 模塊自身具有的過流等保護功能立即動作，并輸出負脈沖，然后經由光耦的隔離作用和三極管的跟隨放大，并通過專用口反饋到CPU 的指定中斷腳。CPU 即發出指令對整個系統進行關斷，而防止高性能功率模塊和壓縮機的損毀。其中，C10 為高頻噪聲吸收電容，R23 為光耦的輸入偏置電阻。注意故障信號和控制部分的信號之間的連接，以確保在連線不良和正常出現故障時都能及時報警，防止模塊的損壞。 3.4 電源組件為了保證高、低壓工作的正常隔離，高性能功率模塊的電源采用一般的反激式開關電源，分別為SPM提供一路+15V和兩路+5V 的隔離直流輸出電壓，同時要注意電源的供電能力，保證電路在比較惡劣的環境中能夠正常的工作。電源組件的設計此處略，具體可參見其它有關資料[3~4]。 3.5 電源自舉電路的設計高性能功率模塊屬于單電源模塊，即SPM 模塊所用工作電源共用一路+15V電源，并由外加的三路自舉電路來實現SPW 模塊內IGBT 上橋臂的高壓絕緣與高速的電平轉換，三路自舉電路分別有D6、E9、C5、R18，D7、E10、C6、R19，D8、E11、C7、R20組成。在設計過程中，已考慮到電解電容的選取與程序控制算法的配合。 4 參數優化及試驗結果根據以上分析設計了最大輸出功率達2.4 kW 的高性能功率模塊。其中，輸入電壓范圍Vin=150~250 V（AC），輸出相電流12 A。在進行試驗時發現以下問題： 1）將其應用于直流變轉速空調(美芝壓縮機型號HD187X1-S12FD)，模塊工作正常，而將其應用于交流變頻空調（美芝壓縮機型號BG130X1C-20FZ）則會出現開機保護的現象； 2）做高溫高濕（溫度55℃，濕度95%）滿負載試驗時，出現模塊溫升過高的現象。這說明原理性計算與實際參數配置存在著差距，必須進行某些參數調整，通過多次試驗，調整方法總結如下： 1）消除開機時的瞬時電流保護一是在電流檢測電阻R21上并聯一個小電容；二是適當延長故障保護的響應速度即加大(R22×C9)的時間常數。但以上措施的采取會增大模塊自身損壞的風險，應綜合考慮。 2）減小模塊溫升過高適當減小來自控制輸入端的消噪電容C91~C95；適當減小輸入到模塊的高頻噪聲吸收電容C21~C26。但上述電容不宜過分減小，否則會導致模塊的抗干擾能力下降，要權衡利弊。按上述方法重新調整個別元件參數, 結果獲得了良好的效果，消除了開機時的瞬時電流保護，降低了模塊的溫升。參數調整前后輸入到SPW 的驅動電壓波形如圖5所示。由圖5(a)與圖5(b)可以看出，參數調整后的輸入電壓較調整前失真得到明顯改善，脈沖上升/ 下降沿更陡峭，這說明參數調整比較理想。試驗還就由高性能模塊組成的整機的騷擾電壓、騷擾功率等進行了測試，各項性能指標符合要求。 5 結論目前，該高性能功率模塊在應用于交、直流變頻空調中,具有很好的適應性，整機各項性能指標符合設計要求，并已經投入小批量生產，隨著它的優越性進一步被市場檢驗，必將得到越來越多的應用。

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