1、前言
變頻器已應(yīng)用于各行各業(yè)的多種設(shè)備，并成為當(dāng)今節(jié)電,，改造傳統(tǒng)工業(yè),，改善工藝流程，提高生產(chǎn)過程自動化水平,，提高產(chǎn)品質(zhì)量,，改善環(huán)境的主要技術(shù)之一。變頻器技術(shù)是一種綠色技術(shù),，是國民經(jīng)濟(jì)和日常生活中普遍需要的新技術(shù),，也是國際上技術(shù)更新?lián)Q代最快的領(lǐng)域之一。
開關(guān)器件是變頻器的核心器件,，絕緣柵雙極型品體管(ICBT)投入市場以后,，很快成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件，而且其電壓,、容量及開關(guān)頻率性能還在提高,。智能功率模塊(IPM)集成了多個(gè)常規(guī)IGBT，為用戶降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本提供了便利條件,，并使系統(tǒng)的性能和可靠性得到了有效提高,。IPM內(nèi)部集成的驅(qū)動和保護(hù)電路可簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其自我保護(hù)功能可使功率模塊在測試及現(xiàn)場應(yīng)用中損壞的可能性大大降低,。采用IPM后系統(tǒng)的綜合性能極大提高,，其性價(jià)比已經(jīng)超過IGBT，有很好的經(jīng)濟(jì)性,。
本文使用IPM模塊PM50RSAl20設(shè)計(jì)一款小型通用變頻器,，功率為1500W，并將開關(guān)電源也集成到變頻器中,，體積小,，方便在小功率場合使用。
2,、PM50RSAl20簡介[1]
PM50RSAl20是日本三菱公司推出的50A/l200V智能功率模塊,，開關(guān)頻率20 kHz，其內(nèi)部電路如圖1所示,?！?/p>
PM50RSAl20中共有7塊：IGBT，其中6塊構(gòu)成橋路,，另一塊用于控制制動電阻的接人,。P-N間接人前方整流模塊整流后的直流電壓(0 V～800 V)；U,、V,、W是輸出端子,；B-P間接入制動電阻，在能耗制動過程中消耗制動能量,；VUP1-Vupc,，VVP1-VVPC，VWP1- VWPC,，VN1-VNC間提供各IGBT模塊的電源,。典型值為15 V,；UP-VUPc,，VP_VVPC,，WP-VWPC，UN·VN·WN·Br-VNc間為控制各IGBT導(dǎo)通和截止的控制端.當(dāng)電壓在0.8 V以下時(shí),，IGBT導(dǎo)通,，在4 V～15 V之間時(shí)IGB3截止；UF0-VUPc,，VFo_-VVPC,，Wm-V州，F(xiàn)O-VNC間為錯(cuò)誤報(bào)告電壓提供端,，為了使接口電路盡量簡化,。該IPM模塊用一個(gè)錯(cuò)誤指示信號來通知控制器在該模塊內(nèi)發(fā)生的所有錯(cuò)誤?？刂破魍ㄟ^檢測來判斷是否發(fā)生了溫升過高,、過電流或短路故障。區(qū)別以上故障的依據(jù)是檢測錯(cuò)誤指示信號維持時(shí)間,。短路和過電流故障信號的維持時(shí)間的典型值是1.5 ms,。溫升過高指示信號在溫度超過允許值時(shí)有效，一直維持到溫度降至復(fù)位值以下,，這一過程的典型時(shí)間為十幾秒,。
3、硬件電路設(shè)計(jì)
通用型變頻器的硬件電路主要由3部分組成：整流電路,、開關(guān)電源電路以及逆變電路,。整流電路將工頻交流電整流為直流，并經(jīng)大電容濾波供給逆變單元,；開關(guān)電源電路為IPM和計(jì)算機(jī)控制電路供電,；逆變電路是由PM50RSAl20組成，對于逆變電路本文主要闡述其控制電路的設(shè)計(jì),。
圖2為整流電路「2-3」,，整流電路中，輸人為380V工頻交流電,。YRl～YR3為壓敏電阻,，用于吸收交流側(cè)的浪涌電壓，以免造成變頻器損壞,。輸人電源經(jīng)二極管整流橋6R130G-160整流為直流,，并經(jīng)El～E4大電容濾波后成為穩(wěn)定的直流電壓，再經(jīng)電感和電容濾波后作為逆變單元和開關(guān)電源單元的電源,。R2和R3是為了消除電容的離散性而設(shè)置的均壓電阻,，同時(shí)還起到放電的作用。發(fā)光二極管用于指示變頻器的工作狀態(tài),。Rl是啟動過程中的限流電阻,，由于E1～E4容量較大，上電瞬間相當(dāng)于短路,，電流很大,，尺l可以限制該電流大小，電路正常狀態(tài)后由繼電器RLYl將該電阻短路以免增加損耗,，繼電器的控制信號SHORT來自于計(jì)算機(jī),，上電后延時(shí)一定時(shí)間計(jì)算機(jī)發(fā)出該信號將電阻切除。R1應(yīng)選擇大功率電阻,，本電路中選擇的是20 W的水泥電阻,，而且為了散熱該電阻安裝時(shí)應(yīng)懸空。電路中的+5 V,、+12 V和±15 V電壓是由 開關(guān)電源提供的電壓,。LVl是電壓傳感器，用于采集整流電壓值,，供檢測和確定控制算法用,。UDCM是電壓傳感器的輸出信號。通過外接插排連接至外接計(jì)算機(jī)控制電路,。
圖3是開關(guān)電源電路「4,，5」。該電路主要由PWM控制器TL3842P,、MOSFET K1317和開關(guān)變壓器組成,，其功能是對整流電路的直流輸出電壓進(jìn)行變換，為IPM模塊和外接的計(jì)算機(jī)控制電路提供電源,，提供的電壓為±15 V,、+12 V、+5 v,。
圖4為IPM的控制電路「1」,，這里只給出了其中一個(gè)ICBT的控制電路，其它IGBT與之相同,。
在電路中,，HCPL4504是高速光耦,，隔離計(jì)算機(jī)信號與變頻器控制板，LM,、UM是算機(jī)輸入,，控制對應(yīng)的IGBT導(dǎo)通的控制信號，VNI,、WN,、F0、VNC為對應(yīng)IGBT的信號引腳,。P52l是光電隔離器件,，其輸出信號FOUT是錯(cuò)誤信號，表明IPM內(nèi)部出現(xiàn)錯(cuò)誤,，通過計(jì)算機(jī)響應(yīng)進(jìn)行錯(cuò)誤處理,。LA58是電流傳感器，用于采集變頻器輸出U相和W相的電流,，為控制算法提供現(xiàn)場數(shù)據(jù),。在整個(gè)電路板中，與計(jì)算機(jī)接口信號是通過插排接出的,。
另外,，需要注意的是6R130G-160、PM50RSAl20都屬于發(fā)熱量較大的器件,，在電路板中要注意散熱問題,，必須安裝散熱片，并涂以散熱硅膠,，以免溫度超過器件的額定溫升,。
4、結(jié)束語
本文采用智能功率模塊PM50RSAl20設(shè)計(jì)了一款小型通用1 500 W變頻器,，該變頻器包含了交-直-交變頻電路和開關(guān)電源,，具有結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高,、可靠性高,，體積小、穩(wěn)定性好,、可靠性高等特性,，適應(yīng)于小型電機(jī)驅(qū)動及實(shí)驗(yàn)。