針對低成本單進三出逆變器電源電路的設計經驗

2021-01-08 電子產品世界

本文介紹了一款低成本單進三出逆變器的設計經驗，硬體成本控制在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後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範圍，稍加修改後可用於直流無刷電機的驅動。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/227751.htm

變頻器電路的設計大同小異，一般都採用交-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，然後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。變頻器普遍採用智能化功率模塊(IPM)，很多電子公司都有其參考設計，只要採用其軟硬體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、臺式鑽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。

主電路設計

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調製的方法，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，但變頻器輸出的佔空比在0%到100%之間變化時，要用調製的方法，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麼高，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。

2、驅動晶片的使用

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，採用一片IR 210x可完成兩個功率元件的驅動任務，其內部採用自舉技術，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隻有一路輸入可用作雙極性調製，IR2103有兩路輸入可用作單極性調製。

非隔離的電路要小心「浮地電位下衝」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體，由於二極體開通延遲，正向壓降和雜散電感會使Vs點負過衝到參考地以下。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負過衝或振蕩。在IR2105的引腳COM和VB之間，由於製造工藝方面的原因存在如圖所示的一個寄生二極體，當Vs負過衝過頭，導致VB的電位低於COM時，該二極體意外導通，電流達到一定值就擊穿了。

圖2 寄生二極體因浮地下衝而意外接入電路示意圖

IR公司給出了一個補救的方案：在COM和地之間加一個電阻R，阻值可在10歐姆以上，這樣可以減小寄生二極體意外導通的電流，起一定的保護作用。同時為保證上下管開關速度一致，還得減小門電阻R2的阻值，使得R1=R2+R。但這個保護措施作用是有限的，實在不行就得加大R1，R2的阻值。付出的代價是降低功率管的開關速度，發熱量大增，得給TO—247AC封裝的功率管配上散熱片。

3、用光耦增強電路的可靠性

用東芝公司的TLP251或者AVAGO的HCPL～3210驅動上管，可有效解決浮地下衝的問題。利用控制電路+15V的電源，加上一個高耐壓快恢復二極體和一個較大容量的電容組成一個充電泵電路，電容負極和上管的源極或發射極相連形成浮地，在下管打開時給電容充電，就能開關上管了。注意用於直流無刷電機驅動時，控制信號佔空比不能到100%，否則堵轉時可能因電荷耗盡而不能打開上管，交流電機則無此問題。

保護環節的設計

1、過流保護電路

炸管大多是流經MOSFET/IGBT的衝擊電流過大所致，一個限流保護電路是不可少的。用一片諸如LM311等的電壓比較器，配合採樣電阻在電流過大時輸出信號到驅動電路即可，這裡要注意運放的反應速率(Response Time)，因為IGBT能承受的短路時間在1


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