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一款低成本、高可靠性的逆變器電源電路設(shè)計

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關(guān)鍵詞: 逆變器,電源,電路設(shè)計

      本文總結(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(hù),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。

      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。

      主電路設(shè)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(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,IGBT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。

      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(dá)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(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MOSFET和IGBT的驅(qū)動,還具有一定的保護(hù)功能。電路如圖1所示。

    逆變器電源電路設(shè)計 你懂了多少?  

      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,上管的關(guān)斷會引起負(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使Vs點負(fù)過沖到參考地以下。在死區(qū)時間內(nèi),如果負(fù)載電路不能完全恢復(fù),當(dāng)下管硬開通時,會發(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,該二極管意外導(dǎo)通,電流達(dá)到一定值就擊穿了。

    逆變器電源電路設(shè)計 你懂了多少?  

      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(dǎo)通的電流,起一定的保護(hù)作用。同時為保證上下管開關(guān)速度一致,還得減小門電阻R2的阻值,使得R1=R2+R。但這個保護(hù)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(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(fù)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(fù)極和上管的源極或發(fā)射極相連形成浮地,在下管打開時給電容充電,就能開關(guān)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(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計

      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輸出信號到驅(qū)動電路即可,這里要注意運放的反應(yīng)速率(ResponseTime),因為IGBT能承受的短路時間在10μs以下,斬波動作太慢會炸管的。

      另外,在上管的漏極或集電極,在下管的源極或發(fā)射極,近距離接上一個0.1μF左右的電容可減少高頻噪音,防止誤動作,用示波器在采樣電阻上可以明顯地觀察到其效果。

      2、繼電器的作用

      變頻器直流母線間接了電容,開機時會有很大的沖擊電流,一般用一個電阻限制該沖擊電流,再接通繼電器。有時可以用NTC熱敏電阻替代繼電器,這時候要小心“冷啟動”時上下管可能直通,因為剛上電時驅(qū)動IC需要時間建立穩(wěn)定的電位,而“熱啟動”時電容上的電荷不會馬上漏光,不會出現(xiàn)這個問題。

      關(guān)鍵器件的選擇

      1、場效應(yīng)管或IGBT

      如何合理地選擇場效應(yīng)管或IGBT,是決定電路性價比的一個重要因素。英飛凌的20n60c3耐壓高,在單極性調(diào)制或不用考慮死區(qū)保護(hù)的直流無刷電機驅(qū)動時可用。IR公司的IRFP460各種場合都能用,上述兩種器件在漏源電壓10V時最大電流都是20A,安全工作區(qū)也差不多。還有一種不錯的選擇就是電磁爐里常用的IGBT,如仙童公司的FGA15N120ANTD,其耐壓高到1200V,工作時發(fā)熱少,驅(qū)動電路可以不作修改,如果設(shè)計三進(jìn)三出的低成本逆變器更是非其莫屬。

      2、微處理器

      一臺開環(huán)控制的簡單變頻器,微處理器的最小系統(tǒng)只要用到6或9個引腳就可以了:電源兩線,AD轉(zhuǎn)換一線,PWN輸出3或6線。不管是哪種內(nèi)核,外圍電路一定得有能預(yù)分頻的定時器和3或6路的PWN,有看門狗和死區(qū)設(shè)定功能則更好。用美國微芯公司的DSPIC30F2010,德國英飛凌公司的XC866都能編出控制程序。兩家公司都提供了相關(guān)的庫函數(shù),用C語言編程的話調(diào)用就可以了,但這樣會讓人感覺知其然不知其所以然。自己設(shè)計算法,用匯編來實現(xiàn),最終代碼不超過2K,并且在不斷嘗試改進(jìn)算法的過程中,意外地找到了一種不用Clarke變換和Park變換就能實現(xiàn)的簡單的空間電壓矢量控制算法。同樣的硬件用一臺370W的電機做試驗,將電機從星接改成三角接后,用三相SPWN波來控制時電機最大功率只能到290W,而用簡單空間電壓矢量控制算法電機最大功率幾乎達(dá)到了370W。

      把變頻器電路改成無刷直流電機驅(qū)動電路很簡單,只要把三路霍爾信號直接接到微處理器的引腳上即可,霍爾信號一般很“干凈”,無需作特殊處理。用120°導(dǎo)通的控制方法時,只有6種輸出狀態(tài),軟件將會簡單得多。

      結(jié)束語

      交流電機,直流無刷電機的驅(qū)動器,其硬件成本其實應(yīng)該是差不多的。交流電機使用了變頻技術(shù)以后,其調(diào)速性能已可以和直流電機相媲美,但在使用了各種調(diào)制方法以后,發(fā)現(xiàn)有一項指標(biāo)是沒法超越的:加速時間或低頻轉(zhuǎn)矩。原因不在控制器上,而在電機本身:同樣功率的電機,交流電機最大轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的兩倍左右,而直流電機可以大很多。這就是為什么在伺服控制,電動車等需要低速大扭矩的場合不用交流電機的原因。雖然還可以通過加大轉(zhuǎn)子電阻,加長電機減小直徑,降低轉(zhuǎn)動慣量的方法來提高加速時間,但是比起無刷直流電機,其綜合性能還是差一些。因此,只有在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定,對電機尺寸,加速時間沒有苛刻要求的場合,交流電機配合變頻器才能發(fā)揮其價格低,可靠性高的優(yōu)勢。

    (審核編輯: 小王子)

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