【導讀】如何把最廉價的元件整合到一起，同時保證其可靠性是電路設計的關鍵。本文介紹的一款單進三出逆變器的設計，是工程師經(jīng)過近百次修改后得到的最終方案，硬件成本在60元以內(nèi)時，可驅(qū)動1kW以下的三相籠式異步電機，稍加修改后可用于直流無刷電機的驅(qū)動。文中還介紹了設計關鍵器件的選擇，幫助工程師用最廉價的元件實現(xiàn)高可靠性。
本文總結(jié)了經(jīng)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(qū)動，過流保護，控制方法，試驗結(jié)果等方面的內(nèi)容。用該電路實現(xiàn)的變頻調(diào)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(qū)動。
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(huán)節(jié)、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(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)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(yè)縫紉機、臺式鉆床等需要調(diào)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(qū)動方案的選擇
半橋驅(qū)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(diào)制的方法，驅(qū)動370W以下的電機還是很可靠的。隔離方案則增加成本，隔離驅(qū)動的又有變壓器驅(qū)動和光耦驅(qū)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(diào)制的方法，小功率的場合沒必要。光耦驅(qū)動雖然開關速度慢點，但開關時間在0.5μS左右，IGBT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(qū)動上管，用在1kW以下的電機是性價比佳的方案。
2、驅(qū)動芯片的使用
IR210x是IR公司眾多的驅(qū)動IC家族中的一族，可以工作在母線電壓高達600V的電路中，價格才2元。驅(qū)動信號兼容TTL和MOS電平，采用一片IR210x可完成兩個功率元件的驅(qū)動任務，其內(nèi)部采用自舉技術，使得功率元件的驅(qū)動電路僅需一個輸入級直流電源，可實現(xiàn)對功率MOSFET和IGBT的驅(qū)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(diào)制，IR2103有兩路輸入可用作單極性調(diào)制。
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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(zhuǎn)換到下管的續(xù)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(qū)時間內(nèi)，如果負載電路不能完全恢復，當下管硬開通時，會發(fā)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。
圖2：寄生二極管因浮地下沖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管意外導通的電流，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(fā)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(qū)動上管，可有效解決浮地下沖的問題。利用控制電路+15V的電源，加上一個高耐壓快恢復二極管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(fā)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。注意用于直流無刷電機驅(qū)動時，控制信號占空比不能到100%，否則堵轉(zhuǎn)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(huán)節(jié)的設計
1、過流保護電路
炸管大多是流經(jīng)MOSFET/IGBT的沖擊電流過大所致，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，配合采樣電阻在電流過大時輸出信號到驅(qū)動電路即可，這里要注意運放的反應速率(ResponseTime)，因為IGBT能承受的短路時間在10μs以下，斬波動作太慢會炸管的。
另外，在上管的漏極或集電極，在下管的源極或發(fā)射極，近距離接上一個0.1μF左右的電容可減少高頻噪音，防止誤動作，用示波器在采樣電阻上可以明顯地觀察到其效果。
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2、繼電器的作用
變頻器直流母線間接了電容，開機時會有很大的沖擊電流，一般用一個電阻限制該沖擊電流，再接通繼電器。有時可以用NTC熱敏電阻替代繼電器，這時候要小心“冷啟動”時上下管可能直通，因為剛上電時驅(qū)動IC需要時間建立穩(wěn)定的電位，而“熱啟動”時電容上的電荷不會馬上漏光，不會出現(xiàn)這個問題。
關鍵器件的選擇
1、場效應管或IGBT
如何合理地選擇場效應管或IGBT，是決定電路性價比的一個重要因素。英飛凌的20n60c3耐壓高，在單極性調(diào)制或不用考慮死區(qū)保護的直流無刷電機驅(qū)動時可用。IR公司的IRFP460各種場合都能用，上述兩種器件在漏源電壓10V時最大電流都是20A，安全工作區(qū)也差不多。還有一種不錯的選擇就是電磁爐里常用的IGBT，如仙童公司的FGA15N120ANTD，其耐壓高到1200V，工作時發(fā)熱少，驅(qū)動電路可以不作修改，如果設計三進三出的低成本逆變器更是非其莫屬。
2、微處理器
一臺開環(huán)控制的簡單變頻器，微處理器的最小系統(tǒng)只要用到6或9個引腳就可以了：電源兩線，AD轉(zhuǎn)換一線，PWN輸出3或6線。不管是哪種內(nèi)核，外圍電路一定得有能預分頻的定時器和3或6路的PWN，有看門狗和死區(qū)設定功能則更好。用美國微芯公司的DSPIC30F2010，德國英飛凌公司的XC866都能編出控制程序。兩家公司都提供了相關的庫函數(shù)，用C語言編程的話調(diào)用就可以了，但這樣會讓人感覺知其然不知其所以然。自己設計算法，用匯編來實現(xiàn)，最終代碼不超過2K，并且在不斷嘗試改進算法的過程中，意外地找到了一種不用Clarke變換和Park變換就能實現(xiàn)的簡單的空間電壓矢量控制算法。同樣的硬件用一臺370W的電機做試驗，將電機從星接改成三角接后，用三相SPWN波來控制時電機最大功率只能到290W，而用簡單空間電壓矢量控制算法電機最大功率幾乎達到了370W。
把變頻器電路改成無刷直流電機驅(qū)動電路很簡單，只要把三路霍爾信號直接接到微處理器的引腳上即可，霍爾信號一般很“干凈”，無需作特殊處理。用120°導通的控制方法時，只有6種輸出狀態(tài)，軟件將會簡單得多。
結(jié)束語
交流電機，直流無刷電機的驅(qū)動器，其硬件成本其實應該是差不多的。交流電機使用了變頻技術以后，其調(diào)速性能已可以和直流電機相媲美，但在使用了各種調(diào)制方法以后，發(fā)現(xiàn)有一項指標是沒法超越的：加速時間或低頻轉(zhuǎn)矩。原因不在控制器上，而在電機本身：同樣功率的電機，交流電機最大轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的兩倍左右，而直流電機可以大很多。這就是為什么在伺服控制，電動車等需要低速大扭矩的場合不用交流電機的原因。雖然還可以通過加大轉(zhuǎn)子電阻，加長電機減小直徑，降低轉(zhuǎn)動慣量的方法來提高加速時間，但是比起無刷直流電機，其綜合性能還是差一些。因此，只有在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，對電機尺寸，加速時間沒有苛刻要求的場合，交流電機配合變頻器才能發(fā)揮其價格低，可靠性高的優(yōu)勢。
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