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)集成了多個常規(guī)IGBT，為用戶降低設(shè)計和生產(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，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。
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，IGBT導(dǎo)通，在4 V～15 V之間時IGB3截止；UF0-VUPc，VFo_-VVPC，Wm-V州，F(xiàn)O-VNC間為錯誤報告電壓提供端，為了使接口電路盡量簡化。該IPM模塊用一個錯誤指示信號來通知控制器在該模塊內(nèi)發(fā)生的所有錯誤。控制器通過檢測來判斷是否發(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)是檢測錯誤指示信號維持時間。短路和過電流故障信號的維持時間的典型值是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，這一過程的典型時間為十幾秒。
3、硬件電路設(shè)計
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。
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來自于計算機(jī)，上電后延時一定時間計算機(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是錯誤信號，表明IPM內(nèi)部出現(xiàn)錯誤，通過計算機(jī)響應(yīng)進(jìn)行錯誤處理。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)。在整個電路板中，與計算機(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)。