基于智能功率模块的直流PWM调速系统

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1、基于智能功率模块的直流PWM调速系统设计1．前言   随着电力电子技术和控制技术的发展，直流脉冲宽度调制(PWM)型调速系统近年来已发展成熟,它已成为现代调速系统的佼佼者。与传统的晶闸管-电动机(V-M)直流调速系统相比，它具有调速范围宽，稳速精度高，响应速度快，低速性能好等优点。特别是大功率的普通晶闸管、门极关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管的相继问世，促使其生产水平已达到4500V，2500A，组成的PWM变换器要以用来驱动上千千瓦的电动机，广泛用于交通、工矿企业等电动传动系统中，因此对PWM调速系统的进一步研究，在调

2、速精度要求较高的场合，对解决传统直流调速系统调速精度低、稳定性差的难题，具有广泛的意义和价值。2．系统构成原理框图   本文设计的是一个直流PWM调速系统，闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，提高调速范围，因此系统采用可逆转速、电流双闭环控制，主电路设计为H型双极式结构形式，在此系统选一调速电机，即220V，6.5A的直流他励电动机，额定转速为1500r/min。设计时保持技术先进，便于操作，结构轻便的原则。   本系统的原理框图如图1所示，它由直流电动机M，双极式H桥PWM变换

3、器，脉宽调制器(UPW)，电流检测与保护电路(FA)以及速度调节器(ASR),电流调节器(ACR),测速发电机(TG)等组成。图1 直流脉宽调速系统原理框图   图中: UPW—脉宽调制器；GM—调制波发生器；DLD—逻辑延时环节；   GD—基极驱动器；PWM—脉宽调制变换器；FA—瞬时动作的限流保护；   TA—电流传感器；TG—测速发电机；ASR—速度调节器；ACR—电流调节器；、—转速给定电压和转速反馈电压；、—电流给定电压和电流反馈电压。3．利用智能功率模块构成主电路   智能功率模块（Intelligen

4、tPowerModule，简称IPM）是以IGBT为功率器件的新型模块。这种功率模块是将输出功率组件IGBT和驱动电路、多种保护电路集成在同一模块内，并可将监测到的过压、过热、欠压等故障信号送给控制电路，即使发生过载或是使用不当，也可保证IPM自身不受损坏。与普通IGBT相比，在系统性能和可靠性上有进一步的提高，而且由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使散热器的尺寸减小，故使整个系统尺寸减小。     IPM为新型器件，且以其完善的功能和高可靠性为我们创造了很好的应用条件，可以大大地简化交、直流大功率电流变换装置的

5、硬件系统的组成，提高其性价比。本系统中采用智能功率模块来构成主电路是最佳的选择。IPM内部（单管）电路单元图如图2所示。图2 IPM内部电路功能原理图   系统调速的电动机额定电压为220V，额定电流为6.5A，可见它的额定功率小于1430W，为小功率电机。需选择低频三相220V的智能功率模块。东芝公司为了实现家用空调器中变频系统虽然调制频率不高但成本要低的目的，开发了低频运行的IPM系列，即MIG系列，它们均为6单元逆变模块。其中，MIG20J106L是一种用于低频运行的IPM模块，适用于小功率范围（1.5kW以下

6、）应用，非常适用于本次设计。   MIG20J106L的内部等效电路图如图3所示。图3 MIG20J106L内部等效电路   其中，管脚3、6、9、ll是控制电源，外接输入典型值为+15V±10％；管脚1、4、7、10是控制芯片的地信号，与控制部分的信号地相接；管脚2、5、8、12、13、14是控制信号，6路PWM信号经光耦隔离后，分别供给这些控制端子，在进一步控制6只功率器件的开通和关断。15脚F0是故障输出信号，当IPM发生故障时，该端口输出一低电平信号。端口P和N是变频器主电路的直流侧正负电压输入端，220V交

7、流电经整流滤波后，加在该端上。管脚17、18、19是与负载相连的三相输出端。   用MIG20J106L型IPM构成的主电路图如图4所示。图中，PC为光耦隔离器件，选择TLP521。TLP521为双路光电耦合器，是一种完全对称特性的光电模拟信号隔离器。该光电耦合器在电路中将选中的模拟信号的输入级、输出级完全隔离开来。阻止了相互之间电的联系，从而消除了输入级、输出级之间的干扰。由于MIG20J106L为低频器件，控制信号经普通光耦TLP52l隔离后送给IPM的信号控制。IPM上桥臂三个单元的控制电源分别单独供电，下桥臂

8、三个单元的控制电源集中供电。故障信号F0输出经TLP521隔离后再给控制电路。在IPM的直流输入端并接一电容，以滤除噪声干扰。IPM的直流输入端电压可直接从交流220V整流滤波后引入。图4 系统主电路图4．控制电路设计   直流电动机的PWM控制可用不同的控制手段来实现，如使用专用集成PWM控制器，或者使用微机进行控制，也可以使用集成PWM控制