摘要：介绍了一种基于智能功率模块的新型开关磁阻电机功率电路。研究了智能功率模块FCAS50SN60的工作原理并设计了特有的驱动电路、自举电路和保护电路。实验结果证明此电路是一种实用的开关磁阻电动机功率电路。
关键词：开关磁阻电动机；智能功率模块；功率电路；自举充电；实验1功率电路设计l_1基本结构FcAS50SN60新型智能功率模块将高压Ic(HvIc)和低压Ic(LVIC)、．[GBT、快速恢复二极管和电热调节器集成在超紧凑(44 mm×26．8 mm)的Mini—DIF。封装中。封装采用“铜直接合”(DBc)技术，能显著提高热性能，与一般分立解决方案相比，可减小功率线路空间多达40％，可以将控制器并人SRM组件中。FcAS50SN60具有内置HVIC、提供无光耦、单电源IGBT栅极驱动等特点，可进一步减小系统总体尺寸。这种紧凑的解决方案能大幅减少系统总体尺寸，并同时增强其可靠性，而且FcAS50SN60还集成欠电压锁定(uVLO)、短路(sc)保护和热保护等功能。
FcAS50SN60的优化转换速度可满足电磁干扰(EMI)要求。FCAS50SN60模块额定电流为50 A，额定电压600 V，完全可以满足系统的要求。功率转换电路的基本结构如图l所示。
功率转换电路的拓扑结构采用传统的两相绕组通电结构，主要由两块SPM组成。其中IGBTl和Dl组成SPMl的上侧，IGBT2和D2组成SPMl的下侧。同理在SPM2中IGBT3、D3组成上侧，IGBT4、I)4组成下侧，四个IGBT分别连接A、B、c、D四相绕组。图中N为中性点，Rl、R2是电流短路检测电阻。SPM的驱动控制信号由DsP内含的全比较单元相对应的PwMl～PwM4经过cPLD处理后产生。
l_1 SPM驱动电路设计
SPM驱动电路的设计如图2所示。控制电路输出PWM信号经R1限流，经高速光耦隔离并放大后接PNP3极管的基极。由于IGBT是高电平触发，所以须经反相后输出SPM内部驱动电路。其中每个光电开关管控制电源均采用独立的+5 v电 源供电，且接O．1μF的去耦电容。控制信号经过cPLD的处理生成幅值相同、极性相反的两路PWM信号，这样可以更加有效地保证导通和关断。本系统PWM频率为5 kHz，本文选取高速光耦sFH6156，其开关频率达250 kHz，可以满足系统要求。R1的选取应该考虑使光耦饱和导通，但又不能太而使光耦烧坏。根据光耦的****前向电流值，并且考虑一定的余量R1取200 Ω。pNP管采用$9012快速恢复三极管，其开关频率达30 MHz，满足系统要求。R2的选取不能太小，否则PNP管基极电流过大，但也不能过大而使基极电位过低，不能饱和导通。考虑上述因素，R2取1 kn。R3、R4和Cl组成的延时电路是为了避免高速开关信号对SPM内部电路的冲击而设计的，要求延时在3μs～4μs。IN为输入sPM的驱动信号。
1．2 SPM自举电路设计
FcAS50SN60内部的IGBT是电压驱动型器件，必须加入自举充电电路，如图3所示。充电回路包括电阻、快速二极管Dbs电解电容cbs和反馈电阻R。其中，R。(h)的大小关系到IGBT的开关特性，其值不宜过大，否则开关损耗将会增大，而且充电的时间将会延长，影响工作特性。本文选取Re(h)=10 Ω。自举电阻Rbs的选取要考虑两方面：从防止过大的瞬间充电电流方面考虑，Rbs取值大一些。Rbs的值必须是吼(h)的2．5倍以上，即Rbs≥RE(h)。但同时要求在最小导通时间内对电容cbs尽快充电，以补充IGBT导通所消耗的电能。综合两方面考虑，取Rbs=25 Ω。Dbs要求是快速恢复二极管，Tmax≤100 ns。综合考虑，本系统选取快速恢复二极管uF4007。
当IGBT导通时，电容两端电压vbs逐渐减小，电容存储的电量被IGBT消耗。这会产生一个问题，即选择多大的电容才可以满足IGBT导通所消耗的电量，使其不至于进入欠压保护状态。所以电容参数的选取是一项重要的内容。cbs的值可以由一下两式算出。其中Qbs是电容存储的电荷量，iqbs是IGBT的最小导通电流，vf是导通时间，lamax是允许的****电流，Vf是D。的前向电压，K。是IGBT的前向压降，Vmin是IGBT的最小导通电压。
l_3 sPM保护电路
FcAS50SN60智能功率模块有欠电压锁(uvr。0)和短路(sc)保护的功能。SPM低侧欠压保护的实现如图4所示。低压检测值UVCCD=13．5 V，复位电压值Uvccr=15 V。可以看出，输人信号为高时，输出电流正常。供电电压值一旦低于阀值电压SPM会自动封锁门极驱动，关闭sPM，使输出电流为零，同时故障信号输出引脚F0将跳变为低电平。当电压回升至复位电压值后sPM重新恢复相应输入的控制信号。值得注意的是在SPM高侧发生欠压保护时，sPM也会被封锁但F0引脚并不会发生跳变。
sPM的电流短路保护仅在低侧实现，如图5所示。SPM短路保护采样电压是O．5 v，当检测电压值高于O．5 V并持续大约lμs左右的时间时，确认不是干扰信号后，SPM关断并产生FO信号。
FO信号的输出时间由式(3)得出：
本文取cFOD=33nF，则TFOD=1 ms。
虽然SPM具有如上所述的保护功能，但是由于故障输出信号持续时间tfod****为2 ms，而且欠
2实验分析
本文的相关实验采用一台四相8／6结构开关磁阻电动机，其额定功率为750 w，额定转速为1 500 r／min，调速范围在100 r／min一2 000 r／lnlil。
图6是SPM驱动电路的输入和输出波形。第一路是DSP输出的PWM波，第二路是PWM经过sPM驱动电路后的驱动波形。可以看出，驱动电路的延迟时间很小，约为lμs，输出电压基本没有损失，整体性能良好。图7所示的是发生欠压故障时的波形图。图中，第一路是SPM驱动，第二路是A相电流，第三路是F0故障信号。当SPM检测到欠压故障时，自动关闭其内部的．[GBT驱动电流下降为零，同时发出FO错误信号。cPLD收到F0信号后，经处理将外部的驱动信号关断，实现了更深一级的保护措施。从发生欠压故障，FO变为低电平到封锁外部驱动信号大约只用时10 μs左右。上述实验显示，本文设计的SPM保护电路快速、可靠，和智能功率模块自身的保护功能共同作用，对保护器件起到了显著的作用。
图8所显示的是转速为1 000 r／min时的电流滞环控制波形。第一路是sPM的驱动信号，第二路是由DSp输出的每200 LLs的AD采样中断波形，第三路是A相的电流波形。图中显示，电流滞环控制基本没有延时现象，采用SPM能够很好地实现显示了FcAS50SN60的良好性能。
3结论
实际运行效果显示，功率电路运行良好。文中设计的驱动电路可以很好地满足SPM的工作要求。为了完善系统功能而设计的外围辅助保护电路工作正常，可以可靠地保护功率器件。实验表明，基于FCAS50SN60设计的功率电路可靠、快速，能够满足开关磁阻电机的运行要求。
参考文献[1] 王宏华开关型磁阻电动机调速控制技术[M] 机械工业出版社，1995[2] 刘和平，王维俊．TMS320LF40x DsP c语言开发应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003[3]张昌凡可编程逻辑器件及VHDL设计技术[M]广州：华南理工大学出版社，2001．作者简介：孙鹤旭(1956一)，教授、博士生导师，研究方向为现代电力传动、预测控制、企业信息化与网络控制。
张炜(1982一)，男，硕士研究生，研究方向为现代传动理论与应用.
