低成本單進三出逆變器設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)

摘要：介紹了一款低成本單進三出逆變器的設(shè)計經(jīng)驗，硬件成本控制在60元人民幣以內(nèi)時，可驅(qū)動1 kW以下的三相籠式異步電機。總結(jié)了經(jīng)過近百多次的修改后得到的較為成熟的電路的設(shè)計要點，包括微處理器，功率器件，半橋驅(qū)動，過流保護，控制方法，試驗結(jié)果等方面的內(nèi)容。用該電路實現(xiàn)的變頻調(diào)速可以因低成本而大大擴展其應(yīng)用范圍，稍加修改后可用于直流無刷電機的驅(qū)動。
關(guān)鍵詞：逆變器；半橋驅(qū)動；電路設(shè)計；MOSFET／IGBT

變頻器電路的設(shè)計大同小異，一般都采用交-直-交方式，由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器普遍采用智能化功率模塊(IPM)，很多電子公司都有其參考設(shè)計，只要采用其軟硬件就沒有多少設(shè)計風(fēng)險，但要付出成本代價，這就限制了變頻器在諸如工業(yè)縫紉機、臺式鉆床等需要調(diào)速但成本敏感場合的應(yīng)用。在小功率的場合，用6片分立的場效應(yīng)管或IGBT就是不錯的選擇，這樣能大大降低成本，但其可靠性問題就顯得非常突出，炸管是設(shè)計者的最頭痛的問題。如何把不同公司最廉價的元件整合到一起，又能保證其可靠性，是電路設(shè)計的關(guān)鍵。

1 主電路設(shè)計
1．1 半橋驅(qū)動方案的選擇
半橋驅(qū)動電路有隔離和非隔離兩種，非隔離的方案線路簡單，但主電路的高電壓容易竄入控制電路造成事故，用IR2105雙極性SPWN調(diào)制的方法，驅(qū)動370 W以下的電機還是很可靠的。隔離方案則增加成本，隔離驅(qū)動的又有變壓器驅(qū)動和光耦驅(qū)動，變壓器開關(guān)速度快，但變頻器輸出的占空比在0％到100％之間變化時，要用調(diào)制的方法，小功率的場合沒必要。光耦驅(qū)動雖然開關(guān)速度慢點，但開關(guān)時間在0.5μS左右，IG BT允許的開關(guān)速度一般在40kHz以下，實際應(yīng)用中還不一定要這么高，因此選用光耦隔離驅(qū)動上管，用在1kW以下的電機是性價比佳的方案。
1．2 驅(qū)動芯片的使用
IR210x是IR公司眾多的驅(qū)動IC家族中的一族，可以工作在母線電壓高達600 V的電路中，價格才2元。驅(qū)動信號兼容TTL和MOS電平，采用一片IR 210x可完成兩個功率元件的驅(qū)動任務(wù)，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)，使得功率元件的驅(qū)動電路僅需一個輸入級直流電源，可實現(xiàn)對功率MOSF ET和IGBT的驅(qū)動，還具有一定的保護功能。電路如圖1所示。

IR2105只有一路輸入可用作雙極性調(diào)制，IR2103有兩路輸入可用作單極性調(diào)制。
非隔離的電路要小心“浮地電位下沖”的問題，當(dāng)橋電路負載為感性時，上管的關(guān)斷會引起負載電流突然轉(zhuǎn)換到下管的續(xù)流二極管，由于二極管開通延遲，正向壓降和雜散電感會使Vs點負過沖到參考地以下。在死區(qū)時間內(nèi)，如果負載電路不能完全恢復(fù)，當(dāng)下管硬開通時，會發(fā)生Vs負過沖或振蕩。在IR2105的引腳COM和VB之間，由于制造工藝方面的原因存在如圖所示的一個寄生二極管，當(dāng)Vs負過沖過頭，導(dǎo)致VB的電位低于COM時，該二極管意外導(dǎo)通，電流達到一定值就擊穿了。