針對(duì)低成本單進(jìn)三出逆變器電源電路的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

本文介紹了一款低成本單進(jìn)三出逆變器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，硬件成本控制在60元人民幣以內(nèi)時(shí)，可驅(qū)動(dòng)1 kW以下的三相籠式異步電機(jī)?？偨Y(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(jì)要點(diǎn)，包括微處理器，功率器件，半橋驅(qū)動(dòng)，過流保護(hù)，控制方法，試驗(yàn)結(jié)果等方面的內(nèi)容。用該電路實(shí)現(xiàn)的變頻調(diào)速可以因低成本而大大擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，稍加修改后可用于直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

變頻器電路的設(shè)計(jì)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(gè)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(dòng)機(jī)。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(jì)，只要采用其軟硬件就沒有多少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，但要付出成本代價(jià)，這就限制了變頻器在諸如工業(yè)縫紉機(jī)、臺(tái)式鉆床等需要調(diào)速但成本敏感場(chǎng)合的應(yīng)用。在小功率的場(chǎng)合，用6片分立的場(chǎng)效應(yīng)管或IGBT就是不錯(cuò)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(jì)者的最頭痛的問題。如何把不同公司最廉價(jià)的元件整合到一起，又能保證其可靠性，是電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

主電路設(shè)計(jì)

1、半橋驅(qū)動(dòng)方案的選擇

半橋驅(qū)動(dòng)電路有隔離和非隔離兩種，非隔離的方案線路簡(jiǎn)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(dòng)370 W以下的電機(jī)還是很可靠的。隔離方案則增加成本，隔離驅(qū)動(dòng)的又有變壓器驅(qū)動(dòng)和光耦驅(qū)動(dòng)，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(shí)，要用調(diào)制的方法，小功率的場(chǎng)合沒必要。光耦驅(qū)動(dòng)雖然開關(guān)速度慢點(diǎn)，但開關(guān)時(shí)間在0.5μS左右，IG BT允許的開關(guān)速度一般在40kHz以下，實(shí)際應(yīng)用中還不一定要這么高，因此選用光耦隔離驅(qū)動(dòng)上管，用在1kW以下的電機(jī)是性價(jià)比佳的方案。

2、驅(qū)動(dòng)芯片的使用

IR210x是IR公司眾多的驅(qū)動(dòng)IC家族中的一族，可以工作在母線電壓高達(dá)600 V的電路中，價(jià)格才2元。驅(qū)動(dòng)信號(hào)兼容TTL和MOS電平，采用一片IR 210x可完成兩個(gè)功率元件的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)，使得功率元件的驅(qū)動(dòng)電路僅需一個(gè)輸入級(jí)直流電源，可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率MOSF ET和IGBT的驅(qū)動(dòng)，還具有一定的保護(hù)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(fù)載為感性時(shí)，上管的關(guān)斷會(huì)引起負(fù)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(huì)使Vs點(diǎn)負(fù)過沖到參考地以下。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，如果負(fù)載電路不能完全恢復(fù)，當(dāng)下管硬開通時(shí)，會(huì)發(fā)生Vs負(fù)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(gè)寄生二極管，當(dāng)Vs負(fù)過沖過頭，導(dǎo)致VB的電位低于COM時(shí)，該二極管意外導(dǎo)通，電流達(dá)到一定值就擊穿了。

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(gè)補(bǔ)救的方案：在COM和地之間加一個(gè)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(dǎo)通的電流，起一定的保護(hù)作用。同時(shí)為保證上下管開關(guān)速度一致，還得減小門電阻R2的阻值，使得R1=R2+R。但這個(gè)保護(hù)措施作用是有限的，實(shí)在不行就得加大R1，R2的阻值。付出的代價(jià)是降低功率管的開關(guān)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(qiáng)電路的可靠性

用東芝公司的TLP251或者AVAGO的HCPL～3210驅(qū)動(dòng)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(gè)高耐壓快恢復(fù)二極管和一個(gè)較大容量的電容組成一個(gè)充電泵電路，電容負(fù)極和上管的源極或發(fā)射極相連形成浮地，在下管打開時(shí)給電容充電，就能開關(guān)上管了。注意用于直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，控制信號(hào)占空比不能到100%，否則堵轉(zhuǎn)時(shí)可能因電荷耗盡而不能打開上管，交流電機(jī)則無此問題。

保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

1、過流保護(hù)電路

炸管大多是流經(jīng)MOSFET/IGBT的沖擊電流過大所致，一個(gè)限流保護(hù)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(shí)輸出信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路即可，這里要注意運(yùn)放的反應(yīng)速率(Response Time)，因?yàn)镮GBT能承受的短路時(shí)間在1