基于PWM控制器和IPM模塊的變頻電源設計

摘要：采用智能型、高精度PWM控制器SA866和智能功率模塊PS21255,設計了小功率變頻電源。該系統硬件電路簡單，器件減少，結構緊湊，具有較高的性價比和靈活的適應性，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、微電子技術和控制理論的發展，逆變器的穩定性和可靠性大幅度提高，各種逆變器在各行業中應用十分廣泛,變頻調速技術發展日新月異。目前最常用的是采用正弦脈寬調制技術SPWM的變頻電源，利用這種變頻電源驅動的電力拖動系統，具有效率高、轉矩波動小、噪聲低、響應快、調速特性好、運行可靠、控制特性優良等優點。SPWM技術及其控制性能越來越完善，專用PWM集成電路相繼問世，在變頻電源和調速控制中應用越來越廣，使系統電路簡單，控制調節方便，具有很高的智能性。

常用的電力電子全控型功率半導體器件有晶閘管、功率場效應管、雙極型晶體管等。功率場效應管具有開關速度高、電壓控制實現簡單等優點，但是器件導通時壓降較大，且電壓、電流容量相對較小；雙極型晶體管的優缺點則正好與功率場效應管的優缺點相反。絕緣柵一雙極型晶體管(簡稱IGBT)是功率場效應管與雙極型晶體管所形成的復合器件，綜合了兩者的優點，廣泛應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計專門的驅動電路才能實現使器件工作在開關狀態并獲得較低的動靜態損耗的效果。而隨著功率器件工作頻率不斷提高，分立元件固有的引線電感、寄生電容等對器件造成了更大的電應力，主要表現為過電壓、過電流尖峰。因此在電源設計中采用智能功率模塊（IPM），將功率器件、驅動電路和各種保護電路集成到同一模塊內，較好地解決了寄生電感和電容的影響。IPM模塊對電源電路和驅動電路的引線設計進行了優化處理，所以浪涌電壓、門極振蕩、噪聲干擾等問題得到有效控制，能夠實現更快的開關速度，降低系統的復雜性并提高系統的可靠性。

2 變頻電源的系統結構

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，實現AC／DC的轉換；濾波環節采用濾波電容來穩定直流電壓；逆變部分采用智能功率模塊DIP-IPM，實現DC／AC的轉換。變頻電源的控制回路用來調節電源系統輸出信號的頻率和幅值，實現變壓變頻。為保證系統安全可靠，設置了過壓欠壓檢測保護電路、光耦隔離驅動電路、輔助電源轉換電路等。

根據控制電路的參數設置，SPWM 電路產生SPWM控制信號，經過光耦隔離驅動電路，控制智能功率模塊IPM開關器件。當系統出現短路、過流、過壓、欠壓、過熱等故障時，封鎖SPWM 輸出信號，關斷IPM 的輸出。

3 SPWM調制技術

SA866是專用于交流異步電機SPWM控制的集成電路。它除了根據設定參數產生合乎要求的SPWM脈沖外，還集成了多種保護功能，并可在緊急情況下，如短路和過載時快速關斷SPWM脈沖，保護逆變器和電機。其最大特點是可以獨立運行，無須微處理器控制。它的輸出頻率以及加速減速頻率都可由外接電位器在線連續調節。所有須定義的參數如載波頻率、死區時間、最小脈寬、調制波形、V/f曲線等均存儲在外接的廉價EEPROM中，上電時自動讀入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分別為數字電源和模擬電源；VSSADC為A/D轉換電源，它們接一個＋5V的電源；VSSD和VSSA分別為數字電源和模擬電源的地；VREFIN為A/D轉換參考電壓（＋2.5V）。

（2）串行接口SDA，SCL和CS用于從EEPROM獲取數據，分別為數據，時鐘和片選信號。

（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的工作頻率；RACC和RDEC分別確定加速和減速的時間；RPHT、YPHT、BPHT和RPHB、YPHB、BPHB為橋臂脈沖信號輸出，其中RPHT、YPHT和BPHT分別對應三相輸出的上橋臂；RPHB、YPHB和BPHB分別對應三相輸出的下橋臂；DIR控制三相順序，該腳對應高低電平有兩個方向的PWM波供用戶選擇，高電平時輸出的相序為R—B—Y，低電平時輸出的相序為R—Y—B。