基于PWM控制器和IPM模塊的變頻電源設(shè)計(jì)

摘要：采用智能型、高精度PWM控制器SA866和智能功率模塊PS21255,設(shè)計(jì)了小功率變頻電源。該系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單，器件減少，結(jié)構(gòu)緊湊，具有較高的性價(jià)比和靈活的適應(yīng)性，安全可靠。

敘詞：變頻器 IPM SPWM 逆變

Abstract：High performance and precision PWM controller SA866 and intelligent power module PS21255 are presented, and small power variable-frequency voltage is designedThis system has the merits of simple hardware, compacted configuration, high output-stability, good dynamic characteristic and high dependability. the design is reliable and stable

Keyword：Variable-frequency regulator, IPM, PWM, Inverter

1前言

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，逆變器的穩(wěn)定性和可靠性大幅度提高，各種逆變器在各行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛,變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展日新月異。目前最常用的是采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)SPWM的變頻電源，利用這種變頻電源驅(qū)動(dòng)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，具有效率高、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、噪聲低、響應(yīng)快、調(diào)速特性好、運(yùn)行可靠、控制特性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。SPWM技術(shù)及其控制性能越來(lái)越完善，專用PWM集成電路相繼問世，在變頻電源和調(diào)速控制中應(yīng)用越來(lái)越廣，使系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，控制調(diào)節(jié)方便，具有很高的智能性。

常用的電力電子全控型功率半導(dǎo)體器件有晶閘管、功率場(chǎng)效應(yīng)管、雙極型晶體管等。功率場(chǎng)效應(yīng)管具有開關(guān)速度高、電壓控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是器件導(dǎo)通時(shí)壓降較大，且電壓、電流容量相對(duì)較??；雙極型晶體管的優(yōu)缺點(diǎn)則正好與功率場(chǎng)效應(yīng)管的優(yōu)缺點(diǎn)相反。絕緣柵一雙極型晶體管(簡(jiǎn)稱IGBT)是功率場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型晶體管所形成的復(fù)合器件，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種大中型電力電子裝置中。各種分立型功率器件需要設(shè)計(jì)專門的驅(qū)動(dòng)電路才能實(shí)現(xiàn)使器件工作在開關(guān)狀態(tài)并獲得較低的動(dòng)靜態(tài)損耗的效果。而隨著功率器件工作頻率不斷提高，分立元件固有的引線電感、寄生電容等對(duì)器件造成了更大的電應(yīng)力，主要表現(xiàn)為過(guò)電壓、過(guò)電流尖峰。因此在電源設(shè)計(jì)中采用智能功率模塊（IPM），將功率器件、驅(qū)動(dòng)電路和各種保護(hù)電路集成到同一模塊內(nèi)，較好地解決了寄生電感和電容的影響。IPM模塊對(duì)電源電路和驅(qū)動(dòng)電路的引線設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化處理，所以浪涌電壓、門極振蕩、噪聲干擾等問題得到有效控制，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開關(guān)速度，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性并提高系統(tǒng)的可靠性。

2 變頻電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變頻電源的主電路采用交一直一交電壓型變頻電路,主要由整流、濾波、逆變組成。整流部分采用單相橋式整流模塊，實(shí)現(xiàn)AC／DC的轉(zhuǎn)換；濾波環(huán)節(jié)采用濾波電容來(lái)穩(wěn)定直流電壓；逆變部分采用智能功率模塊DIP-IPM，實(shí)現(xiàn)DC／AC的轉(zhuǎn)換。變頻電源的控制回路用來(lái)調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率和幅值，實(shí)現(xiàn)變壓變頻。為保證系統(tǒng)安全可靠，設(shè)置了過(guò)壓欠壓檢測(cè)保護(hù)電路、光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路、輔助電源轉(zhuǎn)換電路等。

根據(jù)控制電路的參數(shù)設(shè)置，SPWM 電路產(chǎn)生SPWM控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路，控制智能功率模塊IPM開關(guān)器件。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱等故障時(shí)，封鎖SPWM 輸出信號(hào)，關(guān)斷IPM 的輸出。

3 SPWM調(diào)制技術(shù)

SA866是專用于交流異步電機(jī)SPWM控制的集成電路。它除了根據(jù)設(shè)定參數(shù)產(chǎn)生合乎要求的SPWM脈沖外，還集成了多種保護(hù)功能，并可在緊急情況下，如短路和過(guò)載時(shí)快速關(guān)斷SPWM脈沖，保護(hù)逆變器和電機(jī)。其最大特點(diǎn)是可以獨(dú)立運(yùn)行，無(wú)須微處理器控制。它的輸出頻率以及加速減速頻率都可由外接電位器在線連續(xù)調(diào)節(jié)。所有須定義的參數(shù)如載波頻率、死區(qū)時(shí)間、最小脈寬、調(diào)制波形、V/f曲線等均存儲(chǔ)在外接的廉價(jià)EEPROM中，上電時(shí)自動(dòng)讀入SA866中。SA866有6種工作模式，與微處理器配合使用，基本做到了低價(jià)格多功能。

SA866管腳排列如圖2所示。

各管腳功能如下：

（1）電源VDDD和VDDA分別為數(shù)字電源和模擬電源；VSSADC為A/D轉(zhuǎn)換電源，它們接一個(gè)＋5V的電源；VSSD和VSSA分別為數(shù)字電源和模擬電源的地；VREFIN為A/D轉(zhuǎn)換參考電壓（＋2.5V）。

（2）串行接口SDA，SCL和CS用于從EEPROM獲取數(shù)據(jù)，分別為數(shù)據(jù)，時(shí)鐘和片選信號(hào)。

（3）控制及輸出SETPOINT為頻率給定端，該腳的輸入電壓將決定系統(tǒng)的工作頻率；RACC和RDEC分別確定加速和減速的時(shí)間；RPHT、YPHT、BPHT和RPHB、YPHB、BPHB為橋臂脈沖信號(hào)輸出，其中RPHT、YPHT和BPHT分別對(duì)應(yīng)三相輸出的上橋臂；RPHB、YPHB和BPHB分別對(duì)應(yīng)三相輸出的下橋臂；DIR控制三相順序，該腳對(duì)應(yīng)高低電平有兩個(gè)方向的PWM波供用戶選擇，高電平時(shí)輸出的相序?yàn)镽—B—Y，低電平時(shí)輸出的相序?yàn)镽—Y—B。