作者Email: gouyujie@sina.com
摘要：針對不同廠家IPM要求的死區時間參數的不同，本文從硬體電路角度出發，提出一種延時電路方案，解決了因參數調整而引起軟體的不統一問題，進而為MCU的大批量mask降低成本提供可能。
關鍵詞： IPM 死區時間
隨著現代電力電子技術的飛速發展，以絕緣柵雙電晶體（IGBT）為代表的功率器件在越來越多的場合得到廣泛地應用。IGBT是VDMOS與雙極電晶體的組合器件，集MOSFET與GTR的優點於一身，既具有輸入阻抗高，開關速度快，熱穩定性好和驅動電路簡單的長處，又具有通態電壓低，耐壓高和承受大電流的優點，特別適合於電機控制。現代逐漸得到普遍推廣的變頻空調，其內部的壓縮機控制單元就是採用以IGBT為主要功率器件的新型智能模塊（IPM）。
IPM（智能功率模塊）即Intelligent Power Module的縮寫，它是將輸出功率器件IGBT和驅動電路、多種保護電路集成在同一模塊內，與普通IGBT相比，在系統性能和可靠性上均有進一步提高，而且由於IPM通態損耗和開關損耗都比較低，使散熱器的尺寸減小，故整個系統的尺寸減小。下面是IPM內部的電路框圖：
IPM內部含有門極驅動控制、故障檢測和多種保護電路。保護電路分別檢測過流、短路、過熱、電源欠壓等故障，當任一故障出現時，內部電路會封鎖驅動信號並向外送出故障信號，以便外部的控制器及時處理現場，避免器件受到進一步損壞。下圖是變頻空調室外壓縮機控制驅動主電路的原理圖。
220V交流電壓經過由D1～D4和電解電容C1組成的橋式整流和阻容濾波電路後成為給IPM供電的直流電壓，六個開關管按照一定規律通斷，分別在U、V、W三相輸出一系列的矩形信號，通過調整矩形波的頻率與佔空比達到調節輸出電壓頻率和幅度的目的，即現在應用最廣泛的PWM（PULSE WIDTH MODULATE 脈衝寬度調製）控制技術，PWM控制技術從控制思想上可以分成四類：等脈寬PWM法、正弦波PWM法、磁鏈追蹤PWM法和電流追蹤型PWM法。不管採用何種控制方式，都必須注意U、V、W任意一相上下兩個橋臂不能同時導通，否則直流電源將在IPM內部形成短路，這是絕對不允許的。為了避免電源元件的切換反應不及時可能造成的短路，一定要在控制信號之間設定互鎖時間，這個時間又叫換流時間，或者叫死區時間。
死區時間，一般情況下軟體工程師在程序設計時就會考慮並寫進控制軟體。但是由於不同公司生產的IPM，對死區時間長短的要求不盡相同，這樣軟體就會出現多個版本，不便於管理，並且影響CPU的MASK(掩模)工作。為了控制軟體的統一性，有的軟體工程師將死區時間放到晶片外擴展的E2中，對不同公司的IPM，只需改變一下E2中的數據，即可簡單實現死區時間的匹配。這種方法的缺點是生產成本較高，在實際應用時受到一定限制。隨著集成電路工藝的不斷改進，各種邏輯門集成電路的價格不斷地下降，使採用硬體電路實現死區時間設定應用到生產上成為可能，這種方法的優點是電路簡單，延時時間方便可調，成本低廉。
方案原理圖如下圖3：
控制過程如下：
因為IPM控制輸入低電平有效。平時CPU輸出控制腳1處於高電平，邏輯或門輸出高電平，IPM輸入鎖定。當CPU輸出低電平有效時，高頻瓷片電容通過電阻放電，邏輯或門輸入腳2仍然維持高電平，邏輯或門輸出高電平，IPM輸入仍然鎖定。當電容放電完畢，或門輸入腳2變為低電平時邏輯輸出才為低電平，IPM控制輸入有效，因此，電容放電時間就是CPU控制輸出到IPM控制輸入有效的延時時間。當CPU控制輸出關斷即輸出重新變為高電平時，儘管電容處於充電狀態而使或門輸入腳2處於低電平，邏輯或門輸出仍然立即變為高電平，鎖定IPM輸入。上述電路只是六路IPM控制輸入的其中一路，其他五路做同樣處理，通過調整R、C的參數，就可以實現所需要的延時時間。下面是一相電路控制時序圖：
下面我們推導圖3所示電路中電阻和電容的選擇：
根據電工學公式，由電阻、電容組成的一階線性串聯電路，電容電壓Uc可以用下式表示：
Uc=Uoexp（-t/τ） （1）
τ為時間常數 τ=RC
在圖3所示電路中，我們選擇ST公司生產的高速CMOS或門電路，它的關門電平為1.35V（電源電壓為4.5V），即當輸入電壓降至1.35/4.5U0=0.3 U0時，輸出電平轉換有效，因此由式（1）可以推導出：
td =-τln0.3=1.2RC （2）
上式就是我們選擇R、C值的指導公式。
例如：需要延時時間為10us，選擇精度為5%高頻瓷片電容，容量為103P，則
R= 10 *10e-6/1.2C=833Ω，這樣R就可選擇精度為1%、阻值為820Ω的金屬膜電阻。
小結：按照上述方案設計的硬體延時電路，結構簡單，成本低廉，可靠性極高，在實際使用時只需簡單調換一下電阻的阻值就可實現對死區時間要求不同的IPM的控制。
作者Email: gouyujie@sina.com