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?xún)r(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?xún)?yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。SPWM技術(shù)及其控制性能越來(lái)越完善，專(zhuān)用PWM集成電路相繼問(wèn)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(kāi)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?。浑p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(chēng)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(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路才能實(shí)現(xiàn)使器件工作在開(kāi)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(xiàn)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(xiàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化處理，所以浪涌電壓、門(mén)極振蕩、噪聲干擾等問(wèn)題得到有效控制，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開(kāi)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(kāi)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(zhuān)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(xiàn)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(xiàn)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(hù)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。

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（4）工作狀態(tài)選擇SERIAL決定與SA866連接的是EEPROM還是微處理器，高電平表示與EEPROM連接；PAGE0和PAGE1決定采用的是EEPROM的哪一頁(yè)參數(shù)。

（5）保護(hù)VMON為過(guò)電壓信號(hào)輸入端，減速過(guò)程中此端電平若大于2.5V，就啟動(dòng)過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，將輸出頻率固定在當(dāng)前值；IMON為過(guò)電流信號(hào)輸入端，升速過(guò)程中，電平若大于2.5V，內(nèi)部過(guò)流保護(hù)就動(dòng)作，不再繼續(xù)升速，直到過(guò)流信號(hào)消失；SETTRIP為緊急停機(jī)信號(hào)，可快速禁止PWM脈沖輸出；TRIP端表示禁止輸出狀態(tài)，低電平有效，該信號(hào)只有在復(fù)位信號(hào)RESET下才能被解除。

4 逆變技術(shù)

在逆變部分，采用智能功率模塊PS21255。與常規(guī)的IGBT模塊相比，具有如下特點(diǎn)：

（1）內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路IPM設(shè)定了內(nèi)部IGBT的最佳驅(qū)動(dòng)條件，驅(qū)動(dòng)電路離IGBT較近，可以大大減少信號(hào)傳輸阻抗，且受外界干擾小，因此不需加反向偏壓，同時(shí)，本模塊采用自舉電路，從而擺脫了控制電源不共地的限制，使用一個(gè)電源，即可實(shí)現(xiàn)方便的控制。

（2）內(nèi)含各種保護(hù)使內(nèi)部IGBT因故障損壞的幾率大大降低，這些保護(hù)包括短路保護(hù)(SC)，控制電路欠壓保護(hù)(UV)等。

（3）內(nèi)部報(bào)警輸出(FO)信號(hào)送到控制PWM發(fā)生器，封鎖脈沖輸出，進(jìn)而停止系統(tǒng)工作。

（4）散熱效果好，采用陶瓷絕緣結(jié)構(gòu)，扁平封裝，可以直接安裝在散熱器上。

（5）端子布局合理，便于安裝，強(qiáng)弱電的輸出輸入端分別安排在模塊的兩側(cè),做到盡量減少干擾。

IPM(PS21255)模塊外部端子在布局上強(qiáng)弱電分開(kāi)，P及N為直流輸入端，P為正端，N為負(fù)端；U，V，W為逆變器三相輸出端；UP，VP，WP為上橋臂U，V，W各相脈沖信號(hào)輸入端；UN，VN，WN為下橋臂U，V，W各相脈沖信號(hào)輸入端； FO為故障輸出端（低電平有效）。

5 電源系統(tǒng)的控制

控制電路主要包括控制電源、SA866為核心的SPWM波發(fā)生器、隔離驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路，如圖3所示。

220V交流電經(jīng)過(guò)整流濾波得到的直流電壓作為PS21255的逆變直流電壓輸入，SA866產(chǎn)生三相互差120。的3對(duì)SPWM信號(hào)，通過(guò)光電隔離作用于PS21255控制輸入端，在PS21255的輸出端輸出三相互差120。的SPWM波來(lái)驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)。通過(guò)改變輸出頻率，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)變頻調(diào)速。PS21255具有過(guò)熱、過(guò)(欠)壓、過(guò)流和過(guò)熱檢測(cè)及保護(hù)電路。當(dāng)任何一種故障發(fā)生時(shí)，它將封鎖內(nèi)部6只IGBT管，同時(shí)送出故障信號(hào)FO。

控制電源采用7805和7815提供直流穩(wěn)壓電源。

SA866AE通過(guò)10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器和外接正反方向腳，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)和正反向切換。SA866工作于模式N3，通過(guò)外部電路接SETPOINT實(shí)現(xiàn)頻率的給定,RACC、RDEC接相應(yīng)電路實(shí)現(xiàn)頻率的加速和減速，SERIAL端懸空。所有的運(yùn)行參數(shù)，包括載波頻率、波形、最小脈沖寬度、死區(qū)脈寬和V/f曲線(xiàn)等都是通過(guò)外接的EEPROM編程。

系統(tǒng)采用外接EEPROM 方式，EEPROM選用Atmel公司生產(chǎn)的AT93LC46，它只須+5V電壓即可工作，可重復(fù)擦寫(xiě)106 次。該芯片的封裝為DIP一8，其中Vcc和Vss分別為5V電源輸入的正負(fù)端，CLK為時(shí)鐘信號(hào)輸入端，DI為數(shù)據(jù)輸入端，DO為數(shù)據(jù)輸出端，ORG為內(nèi)部數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行8位或16位選擇，其相應(yīng)的引腳分別與SA866AE的SDA、CS和SCL引腳相連。所有的可編程參數(shù)均存在EEPROM 中，PAGE0、PAGE1用來(lái)選擇存儲(chǔ)器93LC46的4個(gè)頁(yè)面數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在上電或復(fù)位后，通過(guò)串行口自動(dòng)下載，從EEPROM將參數(shù)字讀人SA866，并依據(jù)所設(shè)定的參數(shù)字產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖波形，以控制主電路中模塊的開(kāi)或關(guān)。

為了保證逆變系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，在IPM主電路和控制電路之間設(shè)置了保護(hù)及隔離驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)IPM發(fā)生欠壓、過(guò)流、過(guò)溫、短路保護(hù)時(shí)，即UV、OC、OT、SC中任一故障時(shí)，其故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間tfo為1.8ms（SC持續(xù)時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一些），此時(shí)間內(nèi)IPM會(huì)封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)，關(guān)斷IPM。故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，IPM內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位，門(mén)極驅(qū)動(dòng)通道開(kāi)放。因此器件自身產(chǎn)生的故障信號(hào)是非保持性的，如果tfo結(jié)束后故障源仍舊沒(méi)有排除，IPM就會(huì)重復(fù)自動(dòng)保護(hù)過(guò)程，反復(fù)動(dòng)作。過(guò)流、短路、過(guò)熱保護(hù)動(dòng)作都是非常惡劣的運(yùn)行狀況，應(yīng)避免其反復(fù)動(dòng)作，因此僅靠IPM內(nèi)部保護(hù)電路還不能完全實(shí)現(xiàn)器件的自我保護(hù)。要使系統(tǒng)真正安全、可靠運(yùn)行，需要輔助的外圍保護(hù)電路。

由于輸入電壓和反饋能量都將直接反映在直流環(huán)節(jié)上，所以，整個(gè)系統(tǒng)的電壓電流檢測(cè)及保護(hù)取樣均集中在直流環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)中，在SPWM接口電路SA866前置一級(jí)帶控制端的高速光耦6N137，使得SA866產(chǎn)生的SPWM信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離放大后驅(qū)動(dòng)IPM的三相6路脈沖信號(hào)輸入端。IPM的故障輸出信號(hào)FO送入可控光耦6N137，經(jīng)隔離后與SA866的SETTRIP端相連，當(dāng)IPM故障報(bào)警時(shí)，信號(hào)FO快速向SA866發(fā)出保護(hù)高電平，快速切斷SPWM的控制信號(hào)通道，關(guān)斷IPM，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

采用SA866產(chǎn)生SPWM信號(hào)，控制IPM模塊的脈沖輸入，使得逆變器輸出頻率可調(diào)的三相交流電源，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的變頻器，控制電路大為簡(jiǎn)化，降低了成本，提高了可靠性，減少了開(kāi)發(fā)周期，具有較高的性?xún)r(jià)比和靈活的適應(yīng)性，具有通用性。

參考資料

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