IPM死区保护与功率驱动保护冲突的一种解决技术

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福州大学电气工程与自动化学院的研究人员严海龙，在2016年第10期《电气技术》杂志上撰文，简单分析了交流变频调速中IPM死区保护和DSP功率驱动保护的原理与作用，详细阐明了两者之间在具体实现时所产生的冲突问题。

并且针对这一问题，本文提出了一种解决技术，该技术采用与非门组合电路，简单实现了保护信号的冲突问题。所设计的电路可同时满足IPM正常工作、死区保护、DSP功率驱动保护的需要。仿真结果，最终验证了该方案的可行性。

在交流变频调速里的逆变环节中，为保证电路正常工作，逆变桥同一桥臂的上、下开关管不应同时处于通态，否则将出现直流侧短路事故。为此，实际应用中，常采用“先断后通”的方法，使得在交替通断期间，同一桥臂上、下开关管均无驱动信号，此种保护称为死区保护[1-3]。

如果调速系统采用DSP作为核心处理器，当电机驱动线路或电源逆变器发生故障时，比如过压、过流、短路等，DSP将会启动内部的功率驱动保护，自动封锁其所有的PWM输出信号[4]，以实现对IPM的持续性保护。

DSP的PWM输出信号可以直接输送给IPM的驱动线路，也可以经上拉电阻后再输送给IPM的驱动线路，前者属于拉电流方式，后者属于灌电流方式。然而，无论采用上述哪种方式，死区保护和功率驱动保护都会出现冲突问题。即，无论采用拉电流方式，还是灌电流方式，都无法同时满足死区保护和功率驱动保护。

为此，本文提出了一种解决方案，采用与非门组合电路，从硬件上着手，成功解决了两种保护间的冲突问题。文章的最后，通过理论计算和实验分析，验证了该方案的可行性。

1 交直交变频调速主电路

典型的电压型交直交变频调速主电路见图1所示，即由整流电路、直流滤波电路、逆变电路，以及限流单元、制动单元、吸收电容等组成。逆变环节可由六组独立的IGBT管构成，也可由智能功率集成模块IPM实现，本文采用的是三菱L系列智能功率模块PM25RLA120。

PM25RLA120的控制信号输入端UP、VP、WP、UN、VN、WN，以及故障信号输出端UFO、VFO、WFO、FO均是低电平有效，其端子的具体定义见表1所示。

图1  交直交变频调速系统主电路

表1  PM25RLA120输入/输出端子列表

2  PWM驱动信号的获得方式

逆变环节的PWM控制信号可以由DSP的PWM输出信号直接输送给IPM驱动电路输入端所得，见图2 (a)所示，此时DSP的PWM输出引脚处于拉电流状态。而图2 (b)所示的则是PWM控制信号的另一种获得方法，此时DSP的PWM输出引脚处于灌电流状态。

由于拉电流状态时，DSP引脚的电流处于输出状态，幅值有限，带负载能力较弱，因此，PWM驱动信号的获得一般采用灌电流方式比较理想。

图2  PWM驱动信号的获得方式

3 死区保护与功率驱动保护冲突

图1中，为了防止同一组桥臂的上、下开关管同时导通，造成严重的短路事故，同一相的上、下桥臂的PWM驱动信号必须有一段死区时间保护，即上桥臂关断后，下桥臂不立刻开通，而是等一段死区时间后才再开通，即须有死区保护。

IPM内部一般都包含了过流保护、短路保护等功能，但是IPM的这些内部保护都是非保持性的，即都受一段保护时间ton的限制，ton时间之后，IPM将自动退出内部保护，而如果故障仍未消除，IPM将识别故障重新进入内部保护，如此恶性循环。因此，为保证IPM的可持续保护，一般需要再额外设计外部的保护电路。

外部的保护电路可利用处理器（比如DSP）的功率驱动保护功能加以实现，如图3所示。其基本原理为：系统正常运行时，IPM的故障信号输出端都保持高电平，使得DSP的功率驱动保护引脚也保持着高电平；当故障发生时，相应的故障信号输出端UFO/VFO/WFO/FO变成低电平，这样DSP的功率驱动保护引脚得到一个下降沿信号，使得DSP自动进入功率驱动保护状态，封锁所有PWM信号的输出，直到人为重启系统。

图3  功率驱动保护电路原理图

由图2(b)可知，灌电流方式下，DSP的PWM输出信号与PM25RLA120的PWM输入驱动信号同相，即当DSP的PWM输出信号为低电平时，IPM所得到的PWM驱动信号也为低电平，使得逆变器的相应开关管导通（PM25RLA120的PWM驱动信号输入端UP、VP、WP、UN、VN、WN都是低电平有效）。

但是，在死区时间内，逆变器上、下桥臂开关管对应的DSP的PWM输出信号都是低电平，这样IPM对应的PWM驱动信号也都是低电平，因此反而使得上、下桥臂开关同时导通而造成短路事故，即发挥不了死区保护的作用。

而若DSP的PWM引脚采用拉电流方式，则DSP的PWM输出信号经图2(a)电路后与PM25RLA120的PWM输入驱动信号反相，如此，死区时间内，上、下桥臂对应的IPM输入驱动信号都变为高电平，使得上、下桥臂开关都处于关断状态，从而实现死区保护。

然而，当DSP的功率驱动保护引脚得到一个下降沿信号时，DSP将自动封锁所有PWM输出，使得DSP的所有PWM输出都保持高电平，此时，若继续采用拉电流方式（反相方式），则上、下桥臂开关对应的IPM输入驱动信号都同时变为低电平，使得上、下桥臂开关同时导通，造成直流侧短路事故，反而起了反作用。

因此，若采用拉电流方式，可以满足死区保护，却满足不了功率驱动保护；而若采用灌电流方式，则反之。即无论是采用灌电流方式，还是拉电流方式，死区保护与功率驱动保护都有冲突。

图4所示是灌电流方式下，两者冲突波形的描述（拉电流方式下的冲突情况类似，为不赘述，本文未给出对应波形）。

图4  死区保护与功率驱动保护冲突

4 解决方案

为了解决上述问题，必须找出一个方案，使得系统处于死区保护以及功率驱动保护时，上、下桥臂开关对应的IPM输入驱动信号都保持高电平。本文采用硬件解决方案，在DSP的PWM输出信号后设计一电路，使得经此电路后的输出信号可同时满足死区保护和功率驱动保护。并且为了不受DSP带负载能力的限制，PWM信号的获得采用灌电流方式（同相方式）。则此电路应满足表2所示的逻辑状态表。

表2  死区保护与功率驱动保护协调电路逻辑状态表

令DSPPWM1=A，DSPPWM2=B，则有：

PWM1=A+AB+=A+=  (1)

PWM2=B+AB+=B+=   (2)

由上述两式得出，可以在DSP的PWM输出后接入与非门组合电路，见图5所示。

图5  死区保护与功率驱动保护协调电路图

图6所示是接入协调电路后，死区保护与功率驱动保护期间上、下桥臂的驱动信号波形。可见，两者保护期间，IPM的上下桥臂都同时关断了，解决了两者保护冲突的问题。

图6  两者保护协调后的上、下桥臂驱动信号波形

5 结论

本文详细分析了交流变频调速中死区保护与功率驱动保护的冲突问题，并针对该问题提出了一种硬件解决技术。该方案简单实用，采用与非门组合电路，可同时满足IPM正常工作、死区保护、DSP功率驱动保护的需要。