低成本單進三出逆變器設計經驗總結

摘要：介紹了一款低成本單進三出逆變器的設計經驗，硬件成本控制在60元人民幣以內時，可驅動1 kW以下的三相籠式異步電機。總結了經過近百多次的修改后得到的較為成熟的電路的設計要點，包括微處理器，功率器件，半橋驅動，過流保護，控制方法，試驗結果等方面的內容。用該電路實現的變頻調速可以因低成本而大大擴展其應用范圍，稍加修改后可用于直流無刷電機的驅動。
關鍵詞：逆變器；半橋驅動；電路設計；MOSFET／IGBT

變頻器電路的設計大同小異，一般都采用交-直-交方式，由整流、中間直流環節、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換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、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計，只要采用其軟硬件就沒有多少設計風險，但要付出成本代價，這就限制了變頻器在諸如工業縫紉機、臺式鉆床等需要調速但成本敏感場合的應用。在小功率的場合，用6片分立的場效應管或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，是電路設計的關鍵。

1 主電路設計
1．1 半橋驅動方案的選擇
半橋驅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調制的方法，驅動370 W以下的電機還是很可靠的。隔離方案則增加成本，隔離驅動的又有變壓器驅動和光耦驅動，變壓器開關速度快，但變頻器輸出的占空比在0％到100％之間變化時，要用調制的方法，小功率的場合沒必要。光耦驅動雖然開關速度慢點，但開關時間在0.5μS左右，IG BT允許的開關速度一般在40kHz以下，實際應用中還不一定要這么高，因此選用光耦隔離驅動上管，用在1kW以下的電機是性價比佳的方案。
1．2 驅動芯片的使用
IR210x是IR公司眾多的驅動IC家族中的一族，可以工作在母線電壓高達600 V的電路中，價格才2元。驅動信號兼容TTL和MOS電平，采用一片IR 210x可完成兩個功率元件的驅動任務，其內部采用自舉技術，使得功率元件的驅動電路僅需一個輸入級直流電源，可實現對功率MOSF ET和IGBT的驅動，還具有一定的保護功能。電路如圖1所示。

IR2105只有一路輸入可用作雙極性調制，IR2103有兩路輸入可用作單極性調制。
非隔離的電路要小心“浮地電位下沖”的問題，當橋電路負載為感性時，上管的關斷會引起負載電流突然轉換到下管的續流二極管，由于二極管開通延遲，正向壓降和雜散電感會使Vs點負過沖到參考地以下。在死區時間內，如果負載電路不能完全恢復，當下管硬開通時，會發生Vs負過沖或振蕩。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Vs負過沖過頭，導致VB的電位低于COM時，該二極管意外導通，電流達到一定值就擊穿了。