80C196MC波形发生器和智能功率模块在逆变器中的应用

1 引言

无源逆变技术在交流电动机调速、不间断电源、交-直-交变频电路等方面已经有了非常广泛的应用。而脉宽调制技术更是以其谐波抑制、动态响应、频率和效率等方面的明显优势取得了很大的发展。特别是在自关断器件出现成熟以后，逆变电路越来越多地采用脉宽调制控制方式。

采用硬件产生正弦脉宽调制波形的电路比较复杂，而且难以精确控制；而采用软件产生正弦脉宽调制波形又需要占用大量的CPU开销，从而降低了计算机的利用率；另外，大功率电力电子器件的保护和控制都比较困难，驱动电路也较复杂。这些因素都阻碍了逆变技术的发展，降低了装置的可靠性。本文介绍一种将 80C196MC单片机的片内波形发生器（WFG）和智能功率模块（IPM）应用于逆变电路的实现方案。

2 片内波形发生器

片内波形发生器WFG（Wave Form Generator）是intel80C196MC/MD单片机所独有的特点，它简化了产生同步脉宽调制波形所需的控制软件和外部硬件，其结构如图1所示。

Intel 80C196MC/MD单片机中的波形发生器有3个同步的PWM模块（图1中只画出一个），每个模块包括一个相位比较寄存器WG-COMP、一个无信号（DEAD TIME）时间发生器和一对可编程输出。在重装寄存器WG-RELOAD、双向计数器WG-COUNT和比较器1地组合工作下即可产生载波信号。控制寄存器WG-COM除了控制WFG的工作方式外，其低10位还可用来确定无信号的时间。保护寄存器WG-PRO的功能是在软件控制或外部事件的作用下，同时禁止WFG的全部6个输出。输出控制寄存器WG-OUT用来控制输出脚的功能。该80C196中的波形发生器可以产生独立的3对PWM波形，但它们有共同的载波频率、无信号时间和操作方式。

图2 以中心对准工作方式0为例来说明波形发生器产生PWM波形的原理。开始时，双向计数器向上计数，原始输出有效。当W-COUNT=WG-COMP时，输出变为无效。然后计数器继续向上计数，直到计数器计数达到峰顶WG-COUNT=WG-RELOAD而产生一次WG中断，系统从已建立好的正弦表中查出相应值重装载入相位比较寄存器为止。再后来计数器便向下计数。这期间一对互补输出均无效。直至WG-COUNT再次等于WG-COMP的值而使输出又变为有效。当计数器向下计数到1时，又开始向上计数。如此反复即可在WGx和WGx上产生一对互补SPWM输出波形。

为防止一对互补的PWM同时作为于逆变器的上下臂而产生直通，保证WFG的输出不产生交叠波形，WFG中设置了无信号时间发生器。当WG-COUNT=WG -COMP时，相位比较器产生一跳变信号，跳变检测器检测到此跳变后，启动一个10位无信号时间计数器，其计数值由WG-CON专用寄存器的低10位 D9～D0装入，并使得计数器的输出DT为低电平，然后每个状态周期计数减1，一直到0。这时计数器停止计数，DT变为高电平，从而产生一个死区时间来延迟输出有效的开通时间。死区时间主要由IPM中IGBT的关断时间决定，同时还与单片机输出隔离器件的延迟时间有关。死区时间不能太长。因为太长的死区时间可能导致WFG无PWM输出，理论上要保证脉冲宽度不小于3T-dead。

由上述80C196MC单片机的波形发生器WFG产生PWM波形的基本原理可知，要产生正弦脉宽调制 SPWM波形，必须按正弦规律来控制WFG上产生的 PWM波形的占空比。因此在WFG产生中断并重装载相位寄存器值时，必须计算正弦函数值或者查正弦函数表以获得对应时刻的正弦值。

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3 智能功率模块

电力电子器件是电力电子技术的重要基础。各种新型的电力电子器件不断涌现推动了电力电子技术的发展。 80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor）为代表的复合型器件异军突起。IGBT是功率场控晶体管MOSFET和电力晶体管GTR的复合，它把MOSFET的驱动功率小、开关速率快的特点和GTR通态压降小、载波能力大的优点集于一身，因而性能十分优越，从而使之成为现代电力电子技术的主导器件。但是在实际电路中，大功率、高频率的开关操作动态条件非常荷刻。功率电路，缓冲电路还有门极驱动电路必须设计到足以承受di/dt和dv/dt极限值。如果过电压就会发生。同时地环路和杂散电容还会引起严重的噪声问题。因此合理的布局对于IGBT的可靠性和工作效率是非常重要的。哪一个环节没有设计好都会影响电路的正常工作，甚至将器件损坏。三菱智能功率模块IPM（Intelligent Power Module）是一种将高速、低损耗IGBT及其最佳门极驱动和保护电路集于一体的功率模块。该模块通过使用一种先进的在线监控电流传感器IGBT来实现高效的过电流和短路保护。IPM的过温保护和低电压闭锁保护更是大大的提高了系统的可靠性，而且整体模块体积小、结构紧凑，从而大大减小了整个装置的外形尺寸。下面结合PM100CSA120的内部结构来说明其原理和保护功能。

PM100CSA120 的内部结构如图3所示，六只IGBT反并联续流二极管连接成三相全桥电路。每一只IGBT都有相应的隔离驱动电路，所以驱动信号需要隔离后再进入模块，并且要给上桥臂每一个驱动模块提供单独的隔离直流电源，下桥臂因共地可共用一个直流电源。每一驱动电路都有完善的保护电路以防止器件损坏。这些保护包括以下几方面：

（1）控制电压低闭锁

IPM的内部控制电路需要15V直流电源，当这个电压因某种原因低于某个电压值（U1）或高于某个电压值（Uh）时，驱动电路自动闭锁，并且发出故障信号Fo以通知主控电路。

（2）温度保护电路

IPM内部有一个固定在底盘IGBT器件附近的温度传感器，当模块温度超过一定值To时，驱动电路自动闭锁直到模块温度降低到To以下为止，同时也发出故障信号Fo。

（3）过流保护

IPM可用电流传感型IGBT对模块进行在线监测，如果通过IPM的电流超过过电流门限值OC且持续时间达到toff(OC)时，保护电路将闭锁门极驱动并产生故障信号。这段持续时间是为了避免通过IPM的瞬时类峰所造成的保护误动。

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（4）短路保护

如果发生短路，即电流超过短路电流门槛值SC时，保护将立即动作并发出信号。

以上保护电路可使功率器件因操作不当或控制故障而损坏泊可能性大大降低，更重要的是提高了系统的可靠性。其IPM内部最佳设计的驱动电路缩短了逆变装置的开发周期，从而也进一步提高了可靠性。

4 电路结构

使用IPM和80C196MC可使整个电路简洁明了。虽然IPM内部结构设计完善，但对于大功率逆变器仍然有必要提供合理的缓冲电路，以消除因线路电感而引起的过电压和du/dt。如上所述，PWM控制信号必须隔离后再进入IPM模式，并且需要给IPM内部驱动保护电路提供隔离的15V电源。输出经变压器后还要作滤波处理以获得良好的正弦波形。直流输入端的电压传感器和电流传感器用于为控制提供保护信号；交流输出端的电压电流互感器所提供的反馈信号用于自动调整逆变器的输出电压和频率，同时也可作为过载保护的依据。另外，载波频率不能太低，因为频率较低时，口音污染比较严重，而且影响输出波形；但是，载波频率也不能太高，因为高频的开关损耗较大，且较大的死区时间所占比例将使输出电压偏低。这就是80C196MC单片机片内波形发生器在产生SPWM波时必须在每个载波周期内中断一次的原因，如果载波频率过高，程序将频繁中断而使程序无法正常运行。所以最好选在10kHz～15kHz范围内。该结构除了工频变压器的体积稍大外，其它均不需要太大空间。具体电路如图4所示。

5 结束语

利用80C196MC的片仙波形发生器WFG可大大简化用于产生同步脉宽调制波形的控制软件和外部硬件，特别适用于控制三相交流电机和需要多个PWM输出的装置。而智能功率模块则将功率器件、驱动电路和保护逻辑电路集成于一体，并具有智能化保护功能，特别适合于电机控制和无源逆变器。实际证明，运用这些高集成度的专用器件可有效地提高系统的可靠性，缩短开发周期。现代微电子技术和电力电子技术日新月异，为集成度越来越高的微型计算机及外转帐芯片新技术开发提供了良好的基础，大大缩短了开发时间，提高了系统的可靠性。同样的，大功率电力电子器件的飞速发展也提供了这一便利。IPM集电力电子和微电子技术于一身，是一种很在前景的电力电子器件。