英飛凌XMC4500 實(shí)現(xiàn)三電平逆變器的驅(qū)動(dòng)
來源：英飛凌技術(shù)社區(qū) | 作者:中華IC網(wǎng)整理 | 發(fā)表于：2013-07-27
三電平結(jié)構(gòu)作為多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一，在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場獲得了廣泛 的應(yīng)用。普通的二電平逆變器由有正、負(fù)兩極的中間直流電壓給逆變器供電，三電平逆變電器與普通的二電平逆變器相比，輸出電平數(shù)（相電壓三電平，線電壓五電平）增加，輸出電壓的諧波減少。
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摘要：本文介紹了中點(diǎn)箝位式三電平逆變器的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)機(jī)理，結(jié)合英飛凌最新的ARM Cortex M4內(nèi)核32bit工業(yè)單片機(jī)XMC4500，示例了具體的實(shí)現(xiàn)方式，并給出了試驗(yàn)結(jié)果。
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1、引言
三電平結(jié)構(gòu)作為多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一，在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場獲得了廣泛 的應(yīng)用。普通的二電平逆變器由有正、負(fù)兩極的中間直流電壓給逆變器供電，三電平逆變電器與普通的二電平逆變器相比，輸出電平數(shù)（相電壓三電平，線電壓五電平）增加，輸出電壓的諧波減少。另外，三電平逆變技術(shù)在減小系統(tǒng)的開關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗，降低管子的耐壓與系統(tǒng)的EMI方面性能都較普通的二電平逆變器有所改善。本文中我們以中點(diǎn)箝位型三電平逆變器（NPC）為例。
XMC4000是
英飛凌最新推出的基于ARM® Cortex™-M4的32位工業(yè)單片機(jī)家族，是面向?qū)崟r(shí)控制系統(tǒng)的單片機(jī)設(shè)計(jì)取得的一次重大突破。
英飛凌充分發(fā)揮其在設(shè)計(jì)面向?qū)崟r(shí)控制應(yīng)用的單片機(jī)方面深厚的技術(shù)專長，將之與ARM cortex M4內(nèi)核的全部優(yōu)點(diǎn)匯集于一身，打造出獨(dú)一無二的XMC4000單片機(jī)家族。該單片機(jī)家族采用英飛凌強(qiáng)大的外設(shè)集，可針對不同應(yīng)用的需求進(jìn)行靈活配置，因而成為當(dāng)今工業(yè)控制解決方案的不二之選。XMC4000可幫助客戶應(yīng)對提高能率、支持高級通信協(xié)議和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期等挑戰(zhàn)。為了打造出高能效解決方案，該單片機(jī)平臺(tái)沿襲了英飛凌聞名遐邇的可配置外設(shè)集、嵌入式高速Flash技術(shù)、高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、較長的產(chǎn)品生命周期，以及耐受高達(dá)125°C環(huán)境溫度等優(yōu)點(diǎn)，此外還充分發(fā)揮了
英飛凌作為全球領(lǐng)先的汽車電子器件供應(yīng)商的優(yōu)勢。
2、三電平逆變器的驅(qū)動(dòng)要求
從Figure 1 可以看出，三電平的輸出有Vdc/2，0，-Vdc/2三種可能的電壓輸出值，分別記作P、O、N。開關(guān)狀態(tài)P和0、0和N可以相互自由過渡，但P和N不能直接過渡，必須通過中間狀態(tài)0來過渡，不允許P和N間直接跳變。定義電流從逆變器流向負(fù)載為正向，電流從負(fù)載流向逆變器為負(fù)向，
由上面的工作狀態(tài)我們可以分析得到下表
從硬件上來說，我們必須保證不會(huì)出現(xiàn)單管承受整個(gè)Vdc電壓的情況（當(dāng)然更不能全通短路），由此得到下面的開關(guān)狀態(tài)表，綠色是安全狀態(tài)，黃色是有硬件風(fēng)險(xiǎn)的開關(guān)模式，紅色是不許出現(xiàn)的開關(guān)模式。
具體的操作上，從所有器件關(guān)閉到NPC開始工作，一個(gè)內(nèi)邊緣的功率器件（T2，T3）必須先開通，比如輸出正電壓（P）時(shí)是T2，當(dāng)T2完全開通后再給T1開通信號，關(guān)斷的次序則相反，必須保證T1完全關(guān)閉后再給T2關(guān)閉信號。時(shí)間間隔可以根據(jù)硬件參數(shù)選擇，一般1到數(shù)微秒不等。如果當(dāng)內(nèi)邊緣的功率器件（T2，T3）先關(guān)閉時(shí)，內(nèi)邊緣的功率器件（T2，T3）就會(huì)被施加整個(gè)DC母線電壓，這是我們必須避免的情況。在應(yīng)用中我們會(huì)遇到需要緊急關(guān)閉的情況，和兩電平不同，三電平運(yùn)行中如果簡單通過Fault/TRAP 同時(shí)關(guān)閉T1，T2，T3，T4，由于各功率管實(shí)際關(guān)斷過程時(shí)間的不確定性，會(huì)帶來潛在的硬件風(fēng)險(xiǎn)，因此必須按照前面所述的正確關(guān)斷步驟執(zhí)行。
3、XMC4500實(shí)現(xiàn)三電平的優(yōu)勢
XMC4500是XMC單片機(jī)家族的第一代產(chǎn)品，能為多種不同類型的工業(yè)應(yīng)用提供強(qiáng)大的處理能力，應(yīng)對巨大的創(chuàng)新壓力，滿足縮短開發(fā)周期的需求。這是一個(gè)專為實(shí)現(xiàn)具備工業(yè)互連功能的高能效產(chǎn)品而打造的單片機(jī)平臺(tái)。在XMC4500中包含了英飛凌特色外設(shè)CCU8模塊，每個(gè)MCU有2個(gè)CCU8模塊，每個(gè)CCU8模塊由4組子單元組成，每個(gè)子單元都包含了獨(dú)立的16bit定時(shí)器及兩個(gè)比較通道，可輸出兩對互補(bǔ)PWM 信號，每個(gè)通道的死區(qū)可以自由設(shè)定為對稱或非對稱。
每個(gè)子單元對應(yīng)的三電平橋臂驅(qū)動(dòng)信號如下圖
各個(gè)CCU8的子單元可以實(shí)現(xiàn)硬件同步啟動(dòng)，一個(gè)三相三電平只需要 3/4個(gè)CCU8模塊就可以輕松構(gòu)建。借助CCU8內(nèi)部豐富的硬件觸發(fā)源，可以完全硬件實(shí)現(xiàn)三電平保護(hù)關(guān)斷邏輯，不需要用戶軟件干預(yù)，極大提高了可靠性。
實(shí)例如下：XMC4500驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相三電平逆變器，驅(qū)動(dòng)信號和保護(hù)都在CCU80模塊內(nèi)部完成。
CCU80模塊包含CC80，CC81，CC82，CC83四個(gè)子單元，CC80，CC81，CC82為逆變器提供6對12路互補(bǔ)信號提供驅(qū)動(dòng)，CC83完成保護(hù)邏輯。 步驟如下：
P0.7 作為Fault/TRAP端口，下降沿有效，接受到下降沿時(shí)，TRAP關(guān)斷外邊緣功率器件（T1，T4），同時(shí)硬件觸發(fā)啟動(dòng)CC83的16位定時(shí)器。
當(dāng)CC83定時(shí)器到達(dá)比較值時(shí), CCU80.ST3置位, 通過external modulation gating the output模式，關(guān)閉內(nèi)邊緣的功率器件（T2，T3）。同時(shí)借助external gating使cc83停止,使得保護(hù)狀態(tài)一直有效。
4、試驗(yàn)結(jié)果
黃藍(lán)綠紅分別對應(yīng)T1，T2，T3，T4驅(qū)動(dòng)信號，
TRAP信號（P0.7下降沿）來了關(guān)閉輸出外邊緣功率器件T1，T4，內(nèi)邊緣器件T2、T3延遲關(guān)斷，延遲時(shí)間取決于設(shè)定的CC83的比較值和分頻大小。為了看的比較清楚，分頻較大，人為加入了幾十ms延遲，用戶自己調(diào)整。
恢復(fù)和保護(hù)步驟相反,先歸零CC83，取消external modulation gating the output模式，恢復(fù)內(nèi)邊緣的功率器件（T2，T3），然后清楚TRAP，恢復(fù)外邊緣功率器件（T1，T4）。
5、綜述
除CCU8之外，XMC4500還有很多其他特色外設(shè)，諸如4個(gè)捕獲比較單元CCU4模塊（每個(gè)模塊4個(gè)子單元），可用于產(chǎn)生任意脈沖，觸發(fā)事件，事件捕獲計(jì)數(shù)等用途而無需CPU干涉?？芍С?路同步轉(zhuǎn)換的高性能12位ADC單元 ，滿足電流，電壓，頻率，相位等多個(gè)物理量實(shí)時(shí)采集和及時(shí)獲得精確結(jié)果的需求 ，片上4通道DSD(Delta-sigma 解調(diào)器)支持高精度小信號測量，12bit DAC等。豐富的通訊接口支持UART、SPI、IIC、IIS、CAN、ETHERNET、USB、SDMMC，滿足通訊和存儲(chǔ)需求。內(nèi)部連接矩陣使得各外設(shè)之間很方便實(shí)現(xiàn)相互關(guān)聯(lián)觸發(fā)。配合32bit ARM cortex M4內(nèi)核和大容量存儲(chǔ)器（帶Cache），XMC4500在電力電子和傳動(dòng)等工業(yè)應(yīng)用中有廣闊的前景。
參考文獻(xiàn)：
1.SEMIKRON “AN-11001 3L NPC&TNPC Topology”.
2.XMC4500 Microcontroller Series for Industrial Applications Reference Manual V1.1 2012-07
3.Capture Compare Unit - CCU8 XMC4000 Family User Guide <Revision 1.0>, <2012-30-03>
4.NPP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)/在MV7000三電平中壓逆變器上的應(yīng)用
