一种延迟电路在变频控制中的应用

摘 要：本文主要介绍一个由RC和或门电路组成的延迟电路在一变频控制中的应用，解决了原有芯片死区时间不确定的问题。
关键词：延迟电路；IPM；死区时间

变频控制死区时间简介
熟悉IPM(Inteligent Power Module)工作原理的工程师都知道，控制IPM工作的六路PWM信号，在导通时序上，控制同一通道的上下两路信号不能出现同时导通的情况，如图1所示。也就是说同一桥臂的两个IGBT不能同时导通，如果同时导通，轻则引起IPM的工作保护，造成停机，重则将IPM模块击穿，造成模块损坏。所以，在PWM信号的算法实现上，同一通道的上下两臂的控制信号在导通时间上要有一个时间间隔，即“死区时间”。不同的模块对死区时间的要求是不一样的，如三菱采用分离电源供电的IPM 模块，其死区时间通常要求在3.5ms以上，而采用单电源供电的模块，其死区时间则可以做到2ms。通常，死区时间的数值可以在EEPROM中设置，表1即为本文所用模块死区时间的设置表。

问题的出现及解决方案设想
在实际工作中会碰到这么一种情况，由于硬件掩膜的问题，造成了芯片上电后0、1状态的不确定，除非EEPROM中设置为0，否则死区时间都是不确定的，从而使得模块的可靠性大大降低。由于批次掩膜的数量多达数万片，如果解决不了这个问题，则会造成很大的损失。为了有效地降低成本，必须想办法把这批有缺陷的芯片利用起来。综合各方面的考虑，要解决这一问题，本文提出了三种解决方案：
1. 增加一个芯片作为变频驱动，原芯片作为主芯片。
2. 不增加单片机，选择一款高速IPM，然后在EEPROM中设置一种理论上合理的死区时间，如2.4ms&19.2ms，由于芯片上电后0、1状态的不确定，所以还需要通过实验来进一步验证：
a. 如果死区时间为2.4ms时IPM没问题；
b. 如果死区时间为19.2ms时压机电压不存在问题。
则说明理论上该方案可行。
3. EEPROM中死区时间设置为0，然后增加一硬件延迟电路，对PWM控制信号的下降沿进行延迟拖后(信号低电平有效)，上升沿不变，从而实现对死区时间的调节。
分析三种方案，种方案明显地会增加产品的成本，第二种方案理论上可行，不过实验上比较复杂，压频曲线难以确定，且会使产品的可靠性降低。第三种方案，由于要求只对信号下降沿进行延迟拖后，考虑到RC加一或门电路可以实现这一功能，如果增加这种延迟电路，成本增加不多，实验上比较简单，且还能使该芯片通用化，可行性好。下面就介绍该电路的实现方案。

实验方案的实现及实验结果
图2为其中一路控制信号的原理图。MCU输出信号(X)经由设计的延迟电路延迟后(X)输入到IPM模块。由于EEPROM中的死区时间设置为0，所以，如果不加外围电路，则PWM信号的死区时间为0.5ms，远不能满足模块的工作条件，要保证IPM 正常工作，必须使信号延迟大于模块能够工作的死区时间。为了保证模块能够安全可靠地工作，这里选择的外围延迟时间为10ms，故电阻参数为1KW，为1%,电容为103pF，误差为10%。经实际测试，电路实际效果如图3(a)、图3(b)所示。
图3(a)为信号有延迟和无延迟的信号比较，其中3通道为有延迟的信号波形，2为无延迟的信号波形。从示波器上能够明显地看出3通道的信号下降沿有明显的拖后，经测量，这个拖后时间为10ms左右。图3(b)为同一桥臂的两路信号经延迟后的波形，从波形可以看出，在2通道导通之前，3通道已经关断，而3通道则是在2通道关断以后才导通，保证了两路信号之间稳定的死区时间。当然，波形上显示这个死区时间并不是严格的10ms，但这个误差是在允许范围之内的，(下面会对此进行分析)。采用该电路后，压缩机运行平稳，且满足产品所要求的性能。

实验误差分析
考虑到延迟电路中电阻、电容的误差，延迟误差可以很容易地计算出：
上偏差：
ms
下偏差：
ms
由计算出来的结果可以看出，对于10ms的死区时间来说，该误差是完全可以接受的。

结语
综上所述，利用外围所加的一个简单的延迟电路，成功克服了芯片上的硬件缺陷，取得了显著的经济效益。■

参考文献
1 [美]S.M.欣内尔斯著. 现代控制系统理论及应用. 第2版. 李育才译. 北京: 机械工业出版社，1979
2 清华大学电子学教研组编. 模拟电子技术基础简明教程. 第1版. 高等教育出版社，1995
3 张燕宾著. SPWM变频调速应用技术. 第2版. 机械工业出版社，2002