采用脉宽调制控制方式的逆变电路解析方案

1 引言

无源逆变技术在交流电动机调速、不间断电源、交-直-交变频电路等方面已经有了非常广泛的应用。而脉宽调制技术更是以其谐波抑制、动态响应、频率和效率等方面的明显优势取得了很大的发展。特别是在自关断器件出现成熟以后，逆变电路越来越多地采用脉宽调制控制方式。

采用硬件产生正弦脉宽调制波形的电路比较复杂，而且难以精确控制;而采用软件产生正弦脉宽调制波形又需要占用大量的CPU开销，从而降低了计算机的利用率;另外，大功率电力电子器件的保护和控制都比较困难，驱动电路也较复杂。这些因素都阻碍了逆变技术的发展，降低了装置的可靠性。本文介绍一种将 80C196MC单片机的片内波形发生器(WFG)和智能功率模块(IPM)应用于逆变电路的实现方案。

2 片内波形发生器

片内波形发生器WFG(Wave Form Generator)是intel80C196MC/MD单片机所独有的特点，它简化了产生同步脉宽调制波形所需的控制软件和外部硬件。

Intel 80C196MC/MD单片机中的波形发生器有3个同步的PWM模块(图1中只画出一个)，每个模块包括一个相位比较寄存器WG-COMP、一个无信号(DEAD TIME)时间发生器和一对可编程输出。在重装寄存器WG-RELOAD、双向计数器WG-COUNT和比较器1地组合工作下即可产生载波信号。控制寄存器WG-COM除了控制WFG的工作方式外，其低10位还可用来确定无信号的时间。保护寄存器WG-PRO的功能是在软件控制或外部事件的作用下，同时禁止WFG的全部6个输出。输出控制寄存器WG-OUT用来控制输出脚的功能。该80C196中的波形发生器可以产生独立的3对PWM波形，但它们有共同的载波频率、无信号时间和操作方式。

以中心对准工作方式0为例来说明波形发生器产生PWM波形的原理。开始时，双向计数器向上计数，原始输出有效。当W-COUNT=WG-COMP时，输出变为无效。然后计数器继续向上计数，直到计数器计数达到峰顶WG-COUNT=WG-RELOAD而产生一次WG中断，系统从已建立好的正弦表中查出相应值重装载入相位比较寄存器为止。再后来计数器便向下计数。这期间一对互补输出均无效。直至WG-COUNT再次等于WG-COMP的值而使输出又变为有效。当计数器向下计数到1时，又开始向上计数。如此反复即可在WGx和WGx上产生一对互补SPWM输出波形。

为防止一对互补的PWM同时作为于逆变器的上下臂而产生直通，保证WFG的输出不产生交叠波形，WFG中设置了无信号时间发生器。当WG-COUNT=WG -COMP时，相位比较器产生一跳变信号，跳变检测器检测到此跳变后，启动一个10位无信号时间计数器，其计数值由WG-CON专用寄存器的低10位 D9～D0装入，并使得计数器的输出DT为低电平，然后每个状态周期计数减1，一直到0。这时计数器停止计数，DT变为高电平，从而产生一个死区时间来延迟输出有效的开通时间。死区时间主要由IPM中IGBT的关断时间决定，同时还与单片机输出隔离器件的延迟时间有关。死区时间不能太长。因为太长的死区时间可能导致WFG无PWM输出，理论上要保证脉冲宽度不小于3T-dead。

由上述80C196MC单片机的波形发生器WFG产生PWM波形的基本原理可知，要产生正弦脉宽调制 SPWM波形，必须按正弦规律来控制WFG上产生的 PWM波形的占空比。因此在WFG产生中断并重装载相位寄存器值时，必须计算正弦函数值或者查正弦函数表以获得对应时刻的正弦值。

3 智能功率模块

电力电子器件是电力电子技术的重要基础。各种新型的电力电子器件不断涌现推动了电力电子技术的发展。 80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)为代表的复合型器件异军突起。IGBT是功率场控晶体管MOSFET和电力晶体管GTR的复合，它把MOSFET的驱动功率小、开关速率快的特点和GTR通态压降小、载波能力大的优点集于一身，因而性能十分优越，从而使之成为现代电力电子技术的主导器件。但是在实际电路中，大功率、高频率的开关操作动态条件非常荷刻。功率电路，缓冲电路还有门极驱动电路必须设计到足以承受di/dt和dv/dt极限值。如果过电压就会发生。同时地环路和杂散电容还会引起严重的噪声问题。因此合理的布局对于IGBT的可靠性和工作效率是非常重要的。哪一个环节没有设计好都会影响电路的正常工作，甚至将器件损坏。三菱智能功率模块IPM(Intelligent Power Module)是一种将高速、低损耗IGBT及其最佳门极驱动和保护电路集于一体的功率模块。该模块通过使用一种先进的在线监控电流传感器IGBT来实现高效的过电流和短路保护。IPM的过温保护和低电压闭锁保护更是大大的提高了系统的可靠性，而且整体模块体积小、结构紧凑，从而大大减小了整个装置的外形尺寸。下面结合PM100CSA120的内部结构来说明其原理和保护功能。