低成本单进三出逆变器的电源设计以及实现

只看该作者 · 2013-10-26 09:20

本文介绍了一款低成本单进三出逆变器的设计经验，硬件成本控制在60元*币以内时，可驱动1 kW以下的三相笼式异步电机。总结了经过近百多次的修改后得到的较为成熟的电路的设计要点，包括微处理器，功率器件，半桥驱动，过流保护，控制方法，试验结果等方面的内容。用该电路实现的变频调速可以因低成本而大大扩展其应用范围，稍加修改后可用于直流无刷电机的驱动。
变频器电路的设计大同小异，一般都采用交-直-交方式，由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器普遍采用智能化功率模块(IPM)，很多电子公司都有其参考设计，只要采用其软硬件就没有多少设计风险，但要付出成本代价，这就限制了变频器在诸如工业缝纫机、台式钻床等需要调速但成本敏感场合的应用。在小功率的场合，用6片分立的场效应管或IGBT就是不错的选择，这样能大大降低成本，但其可靠性问题就显得非常突出，炸管是设计者的最头痛的问题。如何把不同公司最廉价的元件整合到一起，又能保证其可靠性，是电路设计的关键。

只看该作者 · 2013-10-26 09:21

主电路设计
1、半桥驱动方案的选择
半桥驱动电路有隔离和非隔离两种，非隔离的方案线路简单，但主电路的高电压容易窜入控制电路造成事故，用IR2105双极性SPWN调制的方法，驱动370 W以下的电机还是很可靠的。隔离方案则增加成本，隔离驱动的又有变压器驱动和光耦驱动，变压器开关速度快，但变频器输出的占空比在0%到100%之间变化时，要用调制的方法，小功率的场合没必要。光耦驱动虽然开关速度慢点，但开关时间在0.5μS左右，IG BT允许的开关速度一般在40kHz以下，实际应用中还不一定要这么高，因此选用光耦隔离驱动上管，用在1kW以下的电机是性价比佳的方案。
2、驱动芯片的使用
IR210x是IR公司众多的驱动IC家族中的一族，可以工作在母线电压高达600 V的电路中，价格才2元。驱动信号兼容TTL和MOS电平，采用一片IR 210x可完成两个功率元件的驱动任务，其内部采用自举技术，使得功率元件的驱动电路仅需一个输入级直流电源，可实现对功率MOSF ET和IGBT的驱动，还具有一定的保护功能。电路如图1所示。

IR2105只有一路输入可用作双极性调制，IR2103有两路输入可用作单极性调制。

只看该作者 · 2013-10-26 09:21

非隔离的电路要小心“浮地电位下冲”的问题，当桥电路负载为感性时，上管的关断会引起负载电流突然转换到下管的续流二极管，由于二极管开通延迟，正向压降和杂散电感会使Vs点负过冲到参考地以下。在死区时间内，如果负载电路不能完全恢复，当下管硬开通时，会发生Vs负过冲或振荡。在IR2105的引脚COM和VB之间，由于制造工艺方面的原因存在如图所示的一个寄生二极管，当Vs负过冲过头，导致VB的电位低于COM时，该二极管意外导通，电流达到一定值就击穿了。

图2

IR公司给出了一个补救的方案：在COM和地之间加一个电阻R，阻值可在10欧姆以上，这样可以减小寄生二极管意外导通的电流，起一定的保护作用。同时为保证上下管开关速度一致，还得减小门电阻R2的阻值，使得R1=R2+R。但这个保护措施作用是有限的，实在不行就得加大R1，R2的阻值。付出的代价是降低功率管的开关速度，发热量大增，得给TO—247AC封装的功率管配上散热片。

3、用光耦增强电路的可靠性
用东芝公司的TLP251或者AVAGO的HCPL～3210驱动上管，可有效解决浮地下冲的问题。利用控制电路+15V的电源，加上一个高耐压快恢复二极管和一个较大容量的电容组成一个充电泵电路，电容负极和上管的源极或发射极相连形成浮地，在下管打开时给电容充电，就能开关上管了。注意用于直流无刷电机驱动时，控制信号占空比不能到100%，否则堵转时可能因电荷耗尽而不能打开上管，交流电机则无此问题。

只看该作者 · 2013-10-26 09:22

保护环节的设计
1、过流保护电路
炸管大多是流经MOSFET/IGBT的冲击电流过大所致，一个限流保护电路是不可少的。用一片诸如LM311等的电压比较器，配合采样电阻在电流过大时输出信号到驱动电路即可，这里要注意运放的反应速率(Response Time)，因为IGBT能承受的短路时间在10μs以下，斩波动作太慢会炸管的。
另外，在上管的漏极或集电极，在下管的源极或发射极，近距离接上一个0.1μF左右的电容可减少高频噪音，防止误动作，用示波器在采样电阻上可以明显地观察到其效果。
2、继电器的作用
变频器直流母线间接了电容，开机时会有很大的冲击电流，一般用一个电阻限制该冲击电流，再接通继电器。有时可以用NTC热敏电阻替代继电器，这时候要小心“冷启动”时上下管可能直通，因为刚上电时驱动IC需要时间建立稳定的电位，而“热启动”时电容上的电荷不会马上漏光，不会出现这个问题。
关键器件的选择
1、场效应管或IGBT
如何合理地选择场效应管或IGBT，是决定电路性价比的一个重要因素。英飞凌的20n60c3耐压高，在单极性调制或不用考虑死区保护的直流无刷电机驱动时可用。IR公司的IRFP460 各种场合都能用，上述两种器件在漏源电压10 V时最大电流都是20 A，安全工作区也差不多。还有一种不错的选择就是电磁炉里常用的IGBT，如仙童公司的FGA15N120ANTD，其耐压高到1 200 V，工作时发热少，驱动电路可以不作修改，如果设计三进三出的低成本逆变器更是非其莫属。
2、微处理器
一台开环控制的简单变频器，微处理器的最小系统只要用到6或9个引脚就可以了：电源两线，AD转换一线，PWN输出3或6线。不管是哪种内核，外围电路一定得有能预分频的定时器和3或6路的PWN，有看门狗和死区设定功能则更好。用美国微芯公司的DSPIC30F2010，德国英飞凌公司的XC866都能编出控制程序。两家公司都提供了相关的库函数，用C语言编程的话调用就可以了，但这样会让人感觉知其然不知其所以然。自己设计算法，用汇编来实现，最终代码不超过2K，并且在不断尝试改进算法的过程中，意外地找到了一种不用Clarke变换和Park变换就能实现的简单的空间电压矢量控制算法。同样的硬件用一台370 W的电机做试验，将电机从星接改成三角接后，用三相SPWN波来控制时电机最大功率只能到290 W，而用简单空间电压矢量控制算法电机最大功率几乎达到了370 W。
把变频器电路改成无刷直流电机驱动电路很简单，只要把三路霍尔信号直接接到微处理器的引脚上即可，霍尔信号一般很“干净”，无需作特殊处理。用120°导通的控制方法时，只有6种输出状态，软件将会简单得多。

只看该作者 · 2013-10-26 09:22

结束语
交流电机，直流无刷电机的驱动器，其硬件成本其实应该是差不多的。交流电机使用了变频技术以后，其调速性能已可以和直流电机相媲美，但在使用了各种调制方法以后，发现有一项指标是没法超越的：加速时间或低频转矩。原因不在控制器上，而在电机本身：同样功率的电机，交流电机最大转矩只有额定转矩的两倍左右，而直流电机可以大很多。这就是为什么在伺服控制，电动车等需要低速大扭矩的场合不用交流电机的原因。虽然还可以通过加大转子电阻，加长电机减小直径，降低转动惯量㈣的方法来提高加速时间，但是比起无刷直流电机，其综合性能还是差一些。因此，只有在电网电压稳定，对电机尺寸，加速时间没有苛刻要求的场合，交流电机配合变频器才能发挥其价格低，可靠性高的优势。

低成本单进三出逆变器的电源设计以及实现

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