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基于PWM控制器和IPM模块的变频电源设计

2013-5-2

基于PWM控制器和IPM模块的变频电源设计

摘要:采用智能型、高精度PWM控制器SA866和智能功率模块PS21255,设计了小功率变频电源。该系统硬件电路简单,器件减少,结构紧凑,具有较高的性价比和灵活的适应性,安全可靠。

  1前言

  随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展,逆变器的稳定性和可靠性大幅度提高,各种逆变器在各行业中应用十分广泛,变频调速技术发展日新月异。目前最常用的是采用正弦脉宽调制技术SPWM的变频电源,利用这种变频电源驱动的电力拖动系统,具有效率高、转矩波动小、噪声低、响应快、调速特性好、运行可靠、控制特性优良等优点。SPWM技术及其控制性能越来越完善,专用PWM集成电路相继问世,在变频电源和调速控制中应用越来越广,使系统电路简单,控制调节方便,具有很高的智能性。


  常用的电力电子全控型功率半导体器件有晶闸管、功率场效应管、双极型晶体管等。功率场效应管具有开关速度高、电压控制实现简单等优点,但是器件导通时压降较大,且电压、电流容量相对较小;双极型晶体管的优缺点则正好与功率场效应管的优缺点相反。绝缘栅一双极型晶体管(简称IGBT)是功率场效应管与双极型晶体管所形成的复合器件,综合了两者的优点,广泛应用于各种大中型电力电子装置中。各种分立型功率器件需要设计专门的驱动电路才能实现使器件工作在开关状态并获得较低的动静态损耗的效果。而随着功率器件工作频率不断提高,分立元件固有的引线电感、寄生电容等对器件造成了更大的电应力,主要表现为过电压、过电流尖峰。因此在电源设计中采用智能功率模块(IPM),将功率器件、驱动电路和各种保护电路集成到同一模块内,较好地解决了寄生电感和电容的影响。IPM模块对电源电路和驱动电路的引线设计进行了优化处理,所以浪涌电压、门极振荡、噪声干扰等问题得到有效控制,能够实现更快的开关速度,降低系统的复杂性并提高系统的可靠性。

  2 变频电源的系统结构


  变频电源的主电路采用交一直一交电压型变频电路,主要由整流、滤波、逆变组成。整流部分采用单相桥式整流模块,实现AC/DC的转换;滤波环节采用滤波电容来稳定直流电压;逆变部分采用智能功率模块DIP-IPM,实现DC/AC的转换。变频电源的控制回路用来调节电源系统输出信号的频率和幅值,实现变压变频。为保证系统安全可靠,设置了过压欠压检测保护电路、光耦隔离驱动电路、辅助电源转换电路等。 


  根据控制电路的参数设置,SPWM 电路产生SPWM控制信号,经过光耦隔离驱动电路,控制智能功率模块IPM开关器件。当系统出现短路、过流、过压、欠压、过热等故障时,封锁SPWM 输出信号,关断IPM 的输出。


  3 SPWM调制技术

  SA866是专用于交流异步电机SPWM控制的集成电路。它除了根据设定参数产生合乎要求的SPWM脉冲外,还集成了多种保护功能,并可在紧急情况下,如短路和过载时快速关断SPWM脉冲,保护逆变器和电机。其最大特点是可以独立运行,无须微处理器控制。它的输出频率以及加速减速频率都可由外接电位器在线连续调节。所有须定义的参数如载波频率、死区时间、最小脉宽、调制波形、V/f曲线等均存储在外接的廉价EEPROM中,上电时自动读入SA866中。SA866有6种工作模式,与微处理器配合使用,基本做到了低价格多功能。

  SA866管脚排列如图2所示。

  各管脚功能如下:

  (1)电源VDDD和VDDA分别为数字电源和模拟电源;VSSADC为A/D转换电源,它们接一个+5V的电源;VSSD和VSSA分别为数字电源和模拟电源的地;VREFIN为A/D转换参考电压(+2.5V)。

  (2)串行接口SDA,SCL和CS用于从EEPROM获取数据,分别为数据,时钟和片选信号。

  (3)控制及输出SETPOINT为频率给定端,该脚的输入电压将决定系统的工作频率;RACC和RDEC分别确定加速和减速的时间;RPHT、YPHT、BPHT和RPHB、YPHB、BPHB为桥臂脉冲信号输出,其中RPHT、YPHT和BPHT分别对应三相输出的上桥臂;RPHB、YPHB和BPHB分别对应三相输出的下桥臂;DIR控制三相顺序,该脚对应高低电平有两个方向的PWM波供用户选择,高电平时输出的相序为R—B—Y,低电平时输出的相序为R—Y—B。

  (4)工作状态选择SERIAL决定与SA866连接的是EEPROM还是微处理器,高电平表示与EEPROM连接;PAGE0和PAGE1决定采用的是EEPROM的哪一页参数。

  (5)保护VMON为过电压信号输入端,减速过程中此端电平若大于2.5V,就启动过电压保护动作,将输出频率固定在当前值;IMON为过电流信号输入端,升速过程中,电平若大于2.5V,内部过流保护就动作,不再继续升速,直到过流信号消失;SETTRIP为紧急停机信号,可快速禁止PWM脉冲输出;TRIP端表示禁止输出状态,低电平有效,该信号只有在复位信号RESET下才能被解除。


  4 逆变技术

  在逆变部分,采用智能功率模块PS21255。与常规的IGBT模块相比,具有如下特点:

  (1)内含驱动电路IPM设定了内部IGBT的最佳驱动条件,驱动电路离IGBT较近,可以大大减少信号传输阻抗,且受外界干扰小,因此不需加反向偏压,同时,本模块采用自举电路,从而摆脱了控制电源不共地的限制,使用一个电源,即可实现方便的控制。

  (2)内含各种保护使内部IGBT因故障损坏的几率大大降低,这些保护包括短路保护(SC),控制电路欠压保护(UV)等。

  (3)内部报警输出(FO)信号送到控制PWM发生器,封锁脉冲输出,进而停止系统工作。

  (4)散热效果好,采用陶瓷绝缘结构,扁平封装,可以直接安装在散热器上。

  (5)端子布局合理,便于安装,强弱电的输出输入端分别安排在模块的两侧,做到尽量减少干扰。

  IPM(PS21255)模块外部端子

 

在布局上强弱电分开,P及N为直流输入端,P为正端,N为负端;U,V,W为逆变器三相输出端;UP,VP,WP为上桥臂U,V,W各相脉冲信号输入端;UN,VN,WN为下桥臂U,V,W各相脉冲信号输入端; FO为故障输出端(低电平有效)。


  5 电源系统的控制

  控制电路主要包括控制电源、SA866为核心的SPWM波发生器、隔离驱动及保护电路,如图3所示。 


  220V交流电经过整流滤波得到的直流电压作为PS21255的逆变直流电压输入,SA866产生三相互差120。的3对SPWM信号,通过光电隔离作用于PS21255控制输入端,在PS21255的输出端输出三相互差120。的SPWM波来驱动异步电机。通过改变输出频率,实现异步电机变频调速。PS21255具有过热、过(欠)压、过流和过热检测及保护电路。当任何一种故障发生时,它将封锁内部6只IGBT管,同时送出故障信号FO。

  控制电源采用7805和7815提供直流稳压电源。

  SA866AE通过10位数模转换器和外接正反方向脚,可实现转速的连续调节和正反向切换。SA866工作于模式N3,通过外部电路接SETPOINT实现频率的给定,RACC、RDEC接相应电路实现频率的加速和减速,SERIAL端悬空。所有的运行参数,包括载波频率、波形、最小脉冲宽度、死区脉宽和V/f曲线等都是通过外接的EEPROM编程。

  系统采用外接EEPROM 方式,EEPROM选用Atmel公司生产的AT93LC46,它只须+5V电压即可工作,可重复擦写106 次。该芯片的封装为DIP一8,其中Vcc和Vss分别为5V电源输入的正负端,CLK为时钟信号输入端,DI为数据输入端,DO为数据输出端,ORG为内部数据的存储结构,可进行8位或16位选择,其相应的引脚分别与SA866AE的SDA、CS和SCL引脚相连。所有的可编程参数均存在EEPROM 中,PAGE0、PAGE1用来选择存储器93LC46的4个页面数据。系统在上电或复位后,通过串行口自动下载,从EEPROM将参数字读人SA866,并依据所设定的参数字产生相应的脉冲波形,以控制主电路中模块的开或关。

  为了保证逆变系统安全可靠运行,在IPM主电路和控制电路之间设置了保护及隔离驱动电路。当IPM发生欠压、过流、过温、短路保护时,即UV、OC、OT、SC中任一故障时,其故障输出信号持续时间tfo为1.8ms(SC持续时间会长一些),此时间内IPM会封锁门极驱动,关断IPM。故障输出信号持续时间结束后,IPM内部自动复位,门极驱动通道开放。因此器件自身产生的故障信号是非保持性的,如果tfo结束后故障源仍旧没有排除,IPM就会重复自动保护过程,反复动作。过流、短路、过热保护动作都是非常恶劣的运行状况,应避免其反复动作,因此仅靠IPM内部保护电路还不能完全实现器件的自我保护。要使系统真正安全、可靠运行,需要辅助的外围保护电路。

  由于输入电压和反馈能量都将直接反映在直流环节上,所以,整个系统的电压电流检测及保护取样均集中在直流环节。本设计中,在SPWM接口电路SA866前置一级带控制端的高速光耦6N137,使得SA866产生的SPWM信号经过隔离放大后驱动IPM的三相6路脉冲信号输入端。IPM的故障输出信号FO送入可控光耦6N137,经隔离后与SA866的SETTRIP端相连,当IPM故障报警时,信号FO快速向SA866发出保护高电平,快速切断SPWM的控制信号通道,关断IPM,实现了保护功能。

  6 结束语

  采用SA866产生SPWM信号,控制IPM模块的脉冲输入,使得逆变器输出频率可调的三相交流电源,实现异步电动机的变频调速。本系统设计的变频器,控制电路大为简化,降低了成本,提高了可靠性,减少了开发周期,具有较高的性价比和灵活的适应性,具有通用性。

 

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