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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