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本文介绍了一种新型地铁站台屏蔽门系统，其中使用了三菱电机最新一代的DIPIPMTM。本文详细三菱新系列DIPIPMTM的特点，系统拓扑，控制原理。最后给出了系统的照片和测试波形。
第四代超小型DIPIPMTM新系列的特点
第四代超小型DIPIPMTM新系列是由三菱电机开发的。其主要应用领域为空调、洗衣机、冰箱和工业电机控制。DIPIPMTM内置的驱动和保护电路可以简化了AC200V级小功率电机控制器的设计。
第四代超小型DIPIPMTM新系列的内部电路由三相逆变桥和相应的控制IC组成。相较于现有产品(PS2196*系列)，如图1所示，新系列为上桥臂控制IC集成了自举二极管(BSD：bootstrap diode)。 （图片）
图1：PS219A3内部电路 第四代超小型DIPIPMTM使用了最新的绝缘散热膜，在保证绝缘耐压的情况下，降低模块热阻，实现更快的热量发散。使得DIPIPMTM封装和温升都比第3代DIPIPMTM更小。此外PS219A*新系列为P侧驱动电源集成了自举二极管。使得PCB上器件数量和面积都可以相应减小。图2为PS219A3，图3为PS219A3内部结构。（图片）
图2：PS219A3 （图片）
图3：PS219A3内部结构 对比现有的PS2196*系列，PS219A*系列采用了最新的全栅型CSTBT技术，实现了更低的损耗;集成自举二极管减少了系统成本;减少了HVIC的消耗电流;缩短了最小死区时间要求。
第四代超小型DIPIPMTM新系列的保护功能
和现有的PS2196*系列一样，PS219A*系列集成了短路保护，控制电源欠压保护和过温保护。
DIPIPMTM采用外接短路电流检测电阻。模块内置IC中的内部保护电路通过比较检测电阻上的压降即CIN电压和短路饱和触发参考电位来检测短路电流，并自动实现短路保护功能。短路保护动作时，所有N侧IGBT的栅极驱动被中断并输出故障信号。为了避免DIPIPM由于开关噪声或恢复电流引起的误保护动作，需要在CIN端子输入处设置RC滤波器(时间常数：1.5-2μs。另外，检测电阻附近的接线应尽可能短。
DIPIPMTM同时为P侧和N侧控制电源提供欠压保护，但是仅对N侧的欠压保护有故障信号(Fo)输出。Fo信号在欠压状态下持续输出。
PS219A*-T系列模块通过检测LVIC的温升实现过温保护功能。当LVIC的温度超过过温保护触发温度时，输出故障信号Fo，且无论输入信号如何，所有N侧IGBT硅片都被关断。
系统构成及控制原理
图4为屏蔽门系统的硬件组成。采用了常见的220V交流输入和3相逆变桥拓扑。得益于DIPIPMTM内置的控制IC，系统实现了无光耦化。除了DIPIPMTM的驱动电路，我们还设计了母线电压检测电路，输出电流检测电路和散热器温度检测电路，并以此提供了欠压，过流和过热的保护。
为了实现更高的效率和功率密度，本系统中使用了永磁同步电机(PMSM)。控制策略为目前广泛使用的电流闭环矢量控制算法。（图片）
图4：系统硬件框图 矢量控制的基本理念通过建立定子电流矢量坐标，将电流向量解耦为两个互相垂直的向量。一个为转矩电流，另一个为励磁电流。我们可以通过这两个电流来控制电机的输出转矩。图5为永磁同步电机矢量控制框图。将实际速度(n)和速度参考(nref)的误差输入到速度调节器，输出转矩电流参考(iSqref)。将定子电流从静止坐标系下通过Clarke变换和Park变换到旋转坐标系下的励磁电流(iSd)和转矩电流(iSq)。根据旋转坐标系下的转矩电流误差和励磁电流误差，电流调节器输出控制电压(VSαref，VSβref)。通过Clarke逆变换和Park逆变换可以将控制电压(VSαref，VSβref)转换回到静止坐标系，从而通过SPWM控制逆变桥。
在此系统中，电流反馈被用来反馈负载状况，使转矩信号iq*跟上负载变化，可以像控制直流电机一样控制永磁同步电机。编码器反馈反映电机实际的运行速度和位置，提高了系统的动态响应性能。（图片）
图5：永磁同步电机控制框图 可靠性和寿命估算
作为地铁站台屏蔽门系统的核心器件，客户非常关心DIPIPMTM本身的使用寿命。
我们使用三菱电机提供的免费仿真软件，计算了正常运行时和堵转运行时的结温变化。
正常运行
正常运行时，DIPIPMTM的最恶劣运行工况：
母线电压=350V，额定电流=1.5Arms，加速时最大电流=5Arms，开关频率=12kHz，
功率因数=0.99，散热器温度=90℃
根据图6的仿真结果，IGBT平均结温(111.66℃)和二极管平均结温(94.54℃)在三菱电机建议的结温范围(-20℃-125℃)之内。
根据图8的功率循环寿命曲线，在IGBT结温变化19.84℃的情况下，IGBT的功率循环寿命将超过1000万次。
以一套屏蔽门系统工作20年计算，其运行次数为420万左右：
20年 * 365天 * 24小时 * 60分钟 * 4次(2次开门，2次关门) ≈ 420万
所以PS219A3的运行寿命将超过20年，系统拥有足够的余量。（图片）
图6：电机正常运行时仿真结果 电机堵转运行
电机堵转是一个非常考验功率器件能力的运行工况。
在本系统中，如果发生堵转，DSP将限制输出电流峰值在3A以下，最长10秒。堵转时，DIPIPMTM的最恶劣运行工况如下：
母线电压=350V，电流峰值=3A，开关频率=12kHz，占空比=0.3，散热器温度=90℃
根据图7的仿真结果，IGBT最大结温(109.97℃)和二极管最大结温(104.81℃)在三菱电机建议的结温范围(-20℃-125℃)之内。所以系统是安全的。（图片）
图7：电机堵转情况下仿真结果 （图片）
图8：第四代超小型DIPIPMTM新系列功率循环寿命曲线 DIPIPMTM的PCB布线的注意事项（图片）
图9：DIPIPMTM布线注意事项 PCB设计不良可能导致的故障
不良设计举例可能导致的故障举例（图片） 样机及测试结果
图10为地铁站台屏蔽门系统控制板外观。PS219A3在散热器下方。（图片）
图10：控制板外观 （图片）
图11：运行曲线(右侧关门) 图11为右侧屏蔽门关门时的速度/时间曲线。根据该曲线，门的最大速度为290mm/s，最后100mm的速度为30 mm/s。通常情况下门重量大约是50kg。则在最大速度时，门的动能小于10J;在最后100mm处，门的动能小于1J。该动能符合相关的国家标准。
结论
PS219A3自身的CSTBTTM硅片技术进一步降低了系统损耗。最小1μs的死区时间，同时也减少了EMC噪声。PS219A3自身的保护功能，为屏蔽门系统提供了更高的可靠性。通过精确的系统设计，功率模块可以为屏蔽门系统提供20年以上的工作寿命。通过优化PCB走线，在避免了噪声对控制电路干扰的同时，也为DIPIPMTM创造了一个良好的工作环境。
参考文献
1. 梁小广，内置BSD的第四代超小型DIPIPMTM新系列
2. 三菱电机，第四代超小型DIPIPMTM新系列应用手册
2/9/2014
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