一款低成本、高可靠性的逆變器電源電路設計
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本文總結了經(jīng)過近百多次的修改后得到的較為成熟的電路的設計要點，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用范圍，稍加修改后可用于直流無刷電機的驅(qū)動。
變頻器電路的設計大同小異，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計，只要采用其軟硬件就沒有多少設計風險，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用。在小功率的場合，用6片分立的場效應管或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，是電路設計的關鍵。
主電路設計
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370W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)動雖然開關速度慢點，但開關時間在0.5μS左右，IGBT允許的開關速度一般在40kHz以下，實際應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。
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600V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IR210x可完成兩個功率元件的驅(qū)動任務，其內(nèi)部采用自舉技術，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MOSFET和IGBT的驅(qū)動，還具有一定的保護功能。電路如圖1所示。 "一款低成本、高可靠性的逆變器電源電路設計" width="454" height="184" src="uploads/article/201311/20131126104858_4230.jpg" />
圖2：寄生二極管因浮地下沖而意外接入電路示意圖
IR公司給出了一個補救的方案：在COM和地之間加一個電阻R，阻值可在10歐姆以上，這樣可以減小寄生二極管意外導通的電流，起一定的保護作用。同時為保證上下管開關速度一致，還得減小門電阻R2的阻值，使得R1=R2+R。但這個保護措施作用是有限的，實在不行就得加大R1，R2的阻值。付出的代價是降低功率管的開關速度，發(fā)熱量大增，得給TO—247AC封裝的功率管配上散熱片。
3、用光耦增強電路的可靠性
用東芝公司的TLP251或者AVAGO的HCPL～3210驅(qū)動上管，可有效解決浮地下沖的問題。利用控制電路+15V的電源，加上一個高耐壓快恢復二極管和一個較大容量的電容組成一個充電泵電路，電容負極和上管的源極或發(fā)射極相連形成浮地，在下管打開時給電容充電，就能開關上管了。注意用于直流無刷電機驅(qū)動時，控制信號占空比不能到100%，否則堵轉(zhuǎn)時可能因電荷耗盡而不能打開上管，交流電機則無此問題。
保護環(huán)節(jié)的設計
1、過流保護電路
炸管大多是流經(jīng)MOSFET/IGBT的沖擊電流過大所致，一個限流保護電路是不可少的。用一片諸如LM311等的電壓比較器，配合采樣電阻在電流過大時輸出信號到驅(qū)動電路即可，這里要注意運放的反應速率(ResponseTime)，因為IGBT能承受的短路時間
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