基于PWM控制器和IPM模塊的變頻電源設計
摘要:采用智能型超默、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(tǒng)硬件電路簡單吓挣,器件減少园环,結構緊湊,具有較高的性價比和靈活的適應性奄础,安全可靠陋气。
1前言
隨著電力電子技術劳吠、微電子技術和控制理論的發(fā)展,逆變器的穩(wěn)定性和可靠性大幅度提高巩趁,各種逆變器在各行業(yè)中應用十分廣泛,變頻調速技術發(fā)展日新月異痒玩。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(tǒng)议慰,具有效率高蠢古、轉矩波動小、噪聲低别凹、響應快草讶、調速特性好、運行可靠番川、控制特性優(yōu)良等優(yōu)點到涂。SPWM技術及其控制性能越來越完善,專用PWM集成電路相繼問世颁督,在變頻電源和調速控制中應用越來越廣践啄,使系統(tǒng)電路簡單,控制調節(jié)方便沉御,具有很高的智能性小愚。
常用的電力電子全控型功率半導體器件有晶閘管、功率場效應管芋甸、雙極型晶體管等绪毅。功率場效應管具有開關速度高、電壓控制實現(xiàn)簡單等優(yōu)點谬咽,但是器件導通時壓降較大叙傅,且電壓、電流容量相對較小;雙極型晶體管的優(yōu)缺點則正好與功率場效應管的優(yōu)缺點相反麸癌。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熊赐,綜合了兩者的優(yōu)點,廣泛應用于各種大中型電力電子裝置中性躬。各種分立型功率器件需要設計專門的驅動電路才能實現(xiàn)使器件工作在開關狀態(tài)并獲得較低的動靜態(tài)損耗的效果汛滩。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俱挨、寄生電容等對器件造成了更大的電應力函绊,主要表現(xiàn)為過電壓、過電流尖峰漓拾。因此在電源設計中采用智能功率模塊(IPM)阁最,將功率器件、驅動電路和各種保護電路集成到同一模塊內骇两,較好地解決了寄生電感和電容的影響速种。IPM模塊對電源電路和驅動電路的引線設計進行了優(yōu)化處理得哆,所以浪涌電壓、門極振蕩哟旗、噪聲干擾等問題得到有效控制贩据,能夠實現(xiàn)更快的開關速度,降低系統(tǒng)的復雜性并提高系統(tǒng)的可靠性闸餐。
2 變頻電源的系統(tǒng)結構
變頻電源的主電路采用交一直一交電壓型變頻電路,主要由整流饱亮、濾波、逆變組成舍沙。整流部分采用單相橋式整流模塊近上,實現(xiàn)AC/DC的轉換;濾波環(huán)節(jié)采用濾波電容來穩(wěn)定直流電壓;逆變部分采用智能功率模塊DIP-IPM,實現(xiàn)DC/AC的轉換拂铡。變頻電源的控制回路用來調節(jié)電源系統(tǒng)輸出信號的頻率和幅值壹无,實現(xiàn)變壓變頻。為保證系統(tǒng)安全可靠实射,設置了過壓欠壓檢測保護電路启中、光耦隔離驅動電路、輔助電源轉換電路等磺伍》枋常
根據(jù)控制電路的參數(shù)設置,SPWM 電路產生SPWM控制信號或缘,經過光耦隔離驅動電路梅明,控制智能功率模塊IPM開關器件。當系統(tǒng)出現(xiàn)短路般迈、過流乳环、過壓、欠壓恋赎、過熱等故障時倘回,封鎖SPWM 輸出信號,關斷IPM 的輸出淌踢。
3 SPWM調制技術
SA866是專用于交流異步電機SPWM控制的集成電路危号。它除了根據(jù)設定參數(shù)產生合乎要求的SPWM脈沖外牧愁,還集成了多種保護功能素邪,并可在緊急情況下,如短路和過載時快速關斷SPWM脈沖猪半,保護逆變器和電機兔朦。其最大特點是可以獨立運行,無須微處理器控制磨确。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(xù)調節(jié)沽甥。所有須定義的參數(shù)如載波頻率声邦、死區(qū)時間、最小脈寬摆舟、調制波形亥曹、V/f曲線等均存儲在外接的廉價EEPROM中,上電時自動讀入SA866中恨诱。SA866有6種工作模式媳瞪,與微處理器配合使用,基本做到了低價格多功能照宝。
SA866管腳排列如圖2所示蛇受。
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轉換電源,它們接一個+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轉換參考電壓(+2.5V)巫顽。
(2)串行接口SDA菱脯,SCL和CS用于從EEPROM獲取數(shù)據(jù),分別為數(shù)據(jù)菲痹,時鐘和片選信號湘秀。
(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間;RPHT编毒、YPHT伦窜、BPHT和RPHB、YPHB坎谱、BPHB為橋臂脈沖信號輸出始坝,其中RPHT、YPHT和BPHT分別對應三相輸出的上橋臂;RPHB念婶、YPHB和BPHB分別對應三相輸出的下橋臂;DIR控制三相順序蓄揭,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分搞,低電平時輸出的相序為R—Y—B儿捧。
(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的哪一頁參數(shù)挑宠。
(5)保護VMON為過電壓信號輸入端菲盾,減速過程中此端電平若大于2.5V,就啟動過電壓保護動作各淀,將輸出頻率固定在當前值;IMON為過電流信號輸入端懒鉴,升速過程中,電平若大于2.5V碎浇,內部過流保護就動作临谱,不再繼續(xù)升速,直到過流信號消失;SETTRIP為緊急停機信號奴璃,可快速禁止PWM脈沖輸出;TRIP端表示禁止輸出狀態(tài)悉默,低電平有效城豁,該信號只有在復位信號RESET下才能被解除。
4 逆變技術
在逆變部分抄课,采用智能功率模塊PS21255唱星。與常規(guī)的IGBT模塊相比,具有如下特點:
(1)內含驅動電路IPM設定了內部IGBT的最佳驅動條件跟磨,驅動電路離IGBT較近轮砸,可以大大減少信號傳輸阻抗,且受外界干擾小策睛,因此不需加反向偏壓应胎,同時,本模塊采用自舉電路闪割,從而擺脫了控制電源不共地的限制而逞,使用一個電源,即可實現(xiàn)方便的控制粪业。
(2)內含各種保護使內部IGBT因故障損壞的幾率大大降低黄骇,這些保護包括短路保護(SC),控制電路欠壓保護(UV)等牵巾。
(3)內部報警輸出(FO)信號送到控制PWM發(fā)生器倒奋,封鎖脈沖輸出,進而停止系統(tǒng)工作赂牍。
(4)散熱效果好翰鲸,采用陶瓷絕緣結構,扁平封裝相速,可以直接安裝在散熱器上碟渺。
(5)端子布局合理,便于安裝突诬,強弱電的輸出輸入端分別安排在模塊的兩側,做到盡量減少干擾苫拍。
IPM(PS21255)模塊外部端子在布局上強弱電分開,P及N為直流輸入端旺隙,P為正端绒极,N為負端;U,V蔬捷,W為逆變器三相輸出端;UP垄提,VP,WP為上橋臂U抠刺,V塔淤,W各相脈沖信號輸入端;UN摘昌,VN速妖,WN為下橋臂U高蜂,V,W各相脈沖信號輸入端; FO為故障輸出端(低電平有效)索王。
5 電源系統(tǒng)的控制
控制電路主要包括控制電源丢华、SA866為核心的SPWM波發(fā)生器、隔離驅動及保護電路对番,如圖3所示码署。
220V交流電經過整流濾波得到的直流電壓作為PS21255的逆變直流電壓輸入每缎,SA866產生三相互差120朝财。的3對SPWM信號,通過光電隔離作用于PS21255控制輸入端燃圾,在PS21255的輸出端輸出三相互差120龟栗。的SPWM波來驅動異步電機。通過改變輸出頻率弧泊,實現(xiàn)異步電機變頻調速焰醇。PS21255具有過熱、過(欠)壓近们、過流和過熱檢測及保護電路腿扒。當任何一種故障發(fā)生時,它將封鎖內部6只IGBT管术瓮,同時送出故障信號FO康聂。
控制電源采用7805和7815提供直流穩(wěn)壓電源。
SA866AE通過10位數(shù)模轉換器和外接正反方向腳胞四,可實現(xiàn)轉速的連續(xù)調節(jié)和正反向切換早抠。SA866工作于模式N3,通過外部電路接SETPOINT實現(xiàn)頻率的給定,RACC撬讽、RDEC接相應電路實現(xiàn)頻率的加速和減速蕊连,SERIAL端懸空。所有的運行參數(shù)游昼,包括載波頻率甘苍、波形、最小脈沖寬度烘豌、死區(qū)脈寬和V/f曲線等都是通過外接的EEPROM編程载庭。
系統(tǒng)采用外接EEPROM 方式,EEPROM選用Atmel公司生產的AT93LC46廊佩,它只須+5V電壓即可工作囚聚,可重復擦寫106 次。該芯片的封裝為DIP一8,其中Vcc和Vss分別為5V電源輸入的正負端乃倔,CLK為時鐘信號輸入端翎襟,DI為數(shù)據(jù)輸入端,DO為數(shù)據(jù)輸出端镊僚,ORG為內部數(shù)據(jù)的存儲結構寿针,可進行8位或16位選擇,其相應的引腳分別與SA866AE的SDA镰钦、CS和SCL引腳相連径卜。所有的可編程參數(shù)均存在EEPROM 中,PAGE0箫驻、PAGE1用來選擇存儲器93LC46的4個頁面數(shù)據(jù)芽茄。系統(tǒng)在上電或復位后,通過串行口自動下載绍挤,從EEPROM將參數(shù)字讀人SA866俱篡,并依據(jù)所設定的參數(shù)字產生相應的脈沖波形,以控制主電路中模塊的開或關凸协。
為了保證逆變系統(tǒng)安全可靠運行颤枪,在IPM主電路和控制電路之間設置了保護及隔離驅動電路。當IPM發(fā)生欠壓淑际、過流畏纲、過溫、短路保護時春缕,即UV盗胀、OC、OT锄贼、SC中任一故障時票灰,其故障輸出信號持續(xù)時間tfo為1.8ms(SC持續(xù)時間會長一些),此時間內IPM會封鎖門極驅動宅荤,關斷IPM屑迂。故障輸出信號持續(xù)時間結束后,IPM內部自動復位冯键,門極驅動通道開放惹盼。因此器件自身產生的故障信號是非保持性的,如果tfo結束后故障源仍舊沒有排除惫确,IPM就會重復自動保護過程诅鹰,反復動作。過流流沦、短路笋骡、過熱保護動作都是非常惡劣的運行狀況,應避免其反復動作,因此僅靠IPM內部保護電路還不能完全實現(xiàn)器件的自我保護叮盲。要使系統(tǒng)真正安全铆韭、可靠運行,需要輔助的外圍保護電路翁漠。
由于輸入電壓和反饋能量都將直接反映在直流環(huán)節(jié)上盅力,所以妻行,整個系統(tǒng)的電壓電流檢測及保護取樣均集中在直流環(huán)節(jié)舆焕。本設計中,在SPWM接口電路SA866前置一級帶控制端的高速光耦6N137汉疮,使得SA866產生的SPWM信號經過隔離放大后驅動IPM的三相6路脈沖信號輸入端棍详。IPM的故障輸出信號FO送入可控光耦6N137,經隔離后與SA866的SETTRIP端相連丛剿,當IPM故障報警時冒萄,信號FO快速向SA866發(fā)出保護高電平,快速切斷SPWM的控制信號通道橙数,關斷IPM尊流,實現(xiàn)了保護功能。
6 結束語
采用SA866產生SPWM信號灯帮,控制IPM模塊的脈沖輸入崖技,使得逆變器輸出頻率可調的三相交流電源,實現(xiàn)異步電動機的變頻調速钟哥。本系統(tǒng)設計的變頻器迎献,控制電路大為簡化,降低了成本腻贰,提高了可靠性吁恍,減少了開發(fā)周期,具有較高的性價比和靈活的適應性播演,具有通用性冀瓦。
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