【導(dǎo)讀】如何把最廉價(jià)的元件整合到一起，同時(shí)保證其可靠性是電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文介紹的一款單進(jìn)三出逆變器的設(shè)計(jì)，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(shí)，可驅(qū)動(dòng)1kW以下的三相籠式異步電機(jī)，稍加修改后可用于直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。文中還介紹了設(shè)計(jì)關(guān)鍵器件的選擇，幫助工程師用最廉價(jià)的元件實(shí)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(shè)計(jì)要點(diǎn)，包括微處理器，功率器件，半橋驅(qū)動(dòng)，過流保護(hù)，控制方法，試驗(yàn)結(jié)果等方面的內(nèi)容。用該電路實(shí)現(xiàn)的變頻調(diào)速可以因低成本而大大擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，稍加修改后可用于直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
變頻器電路的設(shè)計(jì)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(gè)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(dòng)機(jī)。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(shè)計(jì)，只要采用其軟硬件就沒有多少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，但要付出成本代價(jià)，這就限制了變頻器在諸如工業(yè)縫紉機(jī)、臺(tái)式鉆床等需要調(diào)速但成本敏感場(chǎng)合的應(yīng)用。在小功率的場(chǎng)合，用6片分立的場(chǎng)效應(yīng)管或IGBT就是不錯(cuò)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(shè)計(jì)者的最頭痛的問題。如何把不同公司最廉價(jià)的元件整合到一起，又能保證其可靠性，是電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
主電路設(shè)計(jì)
1、半橋驅(qū)動(dòng)方案的選擇
半橋驅(qū)動(dòng)電路有隔離和非隔離兩種，非隔離的方案線路簡(jiǎn)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(dòng)370W以下的電機(jī)還是很可靠的。隔離方案則增加成本，隔離驅(qū)動(dòng)的又有變壓器驅(qū)動(dòng)和光耦驅(qū)動(dòng)，變壓器開關(guān)速度快，但變頻器輸出的占空比在0%到100%之間變化時(shí)，要用調(diào)制的方法，小功率的場(chǎng)合沒必要。光耦驅(qū)動(dòng)雖然開關(guān)速度慢點(diǎn)，但開關(guān)時(shí)間在0.5μS左右，IGBT允許的開關(guān)速度一般在40kHz以下，實(shí)際應(yīng)用中還不一定要這么高，因此選用光耦隔離驅(qū)動(dòng)上管，用在1kW以下的電機(jī)是性價(jià)比佳的方案。
2、驅(qū)動(dòng)芯片的使用
IR210x是IR公司眾多的驅(qū)動(dòng)IC家族中的一族，可以工作在母線電壓高達(dá)600V的電路中，價(jià)格才2元。驅(qū)動(dòng)信號(hào)兼容TTL和MOS電平，采用一片IR210x可完成兩個(gè)功率元件的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)，使得功率元件的驅(qū)動(dòng)電路僅需一個(gè)輸入級(jí)直流電源，可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)，還具有一定的保護(hù)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(dāng)橋電路負(fù)載為感性時(shí)，上管的關(guān)斷會(huì)引起負(fù)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(huì)使Vs點(diǎn)負(fù)過沖到參考地以下。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，如果負(fù)載電路不能完全恢復(fù)，當(dāng)下管硬開通時(shí)，會(huì)發(fā)生Vs負(fù)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(gè)寄生二極管，當(dāng)Vs負(fù)過沖過頭，導(dǎo)致VB的電位低于COM時(shí)，該二極管意外導(dǎo)通，電流達(dá)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(gè)補(bǔ)救的方案：在COM和地之間加一個(gè)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(dǎo)通的電流，起一定的保護(hù)作用。同時(shí)為保證上下管開關(guān)速度一致，還得減小門電阻R2的阻值，使得R1=R2+R。但這個(gè)保護(hù)措施作用是有限的，實(shí)在不行就得加大R1，R2的阻值。付出的代價(jià)是降低功率管的開關(guān)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(qiáng)電路的可靠性
用東芝公司的TLP251或者AVAGO的HCPL～3210驅(qū)動(dòng)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(gè)高耐壓快恢復(fù)二極管和一個(gè)較大容量的電容組成一個(gè)充電泵電路，電容負(fù)極和上管的源極或發(fā)射極相連形成浮地，在下管打開時(shí)給電容充電，就能開關(guān)上管了。注意用于直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，控制信號(hào)占空比不能到100%，否則堵轉(zhuǎn)時(shí)可能因電荷耗盡而不能打開上管，交流電機(jī)則無此問題。
保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)
1、過流保護(hù)電路
炸管大多是流經(jīng)MOSFET/IGBT的沖擊電流過大所致，一個(gè)限流保護(hù)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(shí)輸出信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路即可，這里要注意運(yùn)放的反應(yīng)速率(ResponseTime)，因?yàn)镮GBT能承受的短路時(shí)間在10μs以下，斬波動(dòng)作太慢會(huì)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(gè)0.1μF左右的電容可減少高頻噪音，防止誤動(dòng)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(jī)時(shí)會(huì)有很大的沖擊電流，一般用一個(gè)電阻限制該沖擊電流，再接通繼電器。有時(shí)可以用NTC熱敏電阻替代繼電器，這時(shí)候要小心“冷啟動(dòng)”時(shí)上下管可能直通，因?yàn)閯偵想姇r(shí)驅(qū)動(dòng)IC需要時(shí)間建立穩(wěn)定的電位，而“熱啟動(dòng)”時(shí)電容上的電荷不會(huì)馬上漏光，不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題。
關(guān)鍵器件的選擇
1、場(chǎng)效應(yīng)管或IGBT
如何合理地選擇場(chǎng)效應(yīng)管或IGBT，是決定電路性價(jià)比的一個(gè)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(hù)的直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)可用。IR公司的IRFP460各種場(chǎng)合都能用，上述兩種器件在漏源電壓10V時(shí)最大電流都是20A，安全工作區(qū)也差不多。還有一種不錯(cuò)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(shí)發(fā)熱少，驅(qū)動(dòng)電路可以不作修改，如果設(shè)計(jì)三進(jìn)三出的低成本逆變器更是非其莫屬。
2、微處理器
一臺(tái)開環(huán)控制的簡(jiǎn)單變頻器，微處理器的最小系統(tǒng)只要用到6或9個(gè)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(yù)分頻的定時(shí)器和3或6路的PWN，有看門狗和死區(qū)設(shè)定功能則更好。用美國(guó)微芯公司的DSPIC30F2010，德國(guó)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(guān)的庫函數(shù)，用C語言編程的話調(diào)用就可以了，但這樣會(huì)讓人感覺知其然不知其所以然。自己設(shè)計(jì)算法，用匯編來實(shí)現(xiàn)，最終代碼不超過2K，并且在不斷嘗試改進(jìn)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(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單的空間電壓矢量控制算法。同樣的硬件用一臺(tái)370W的電機(jī)做試驗(yàn)，將電機(jī)從星接改成三角接后，用三相SPWN波來控制時(shí)電機(jī)最大功率只能到290W，而用簡(jiǎn)單空間電壓矢量控制算法電機(jī)最大功率幾乎達(dá)到了370W。
把變頻器電路改成無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路很簡(jiǎn)單，只要把三路霍爾信號(hào)直接接到微處理器的引腳上即可，霍爾信號(hào)一般很“干凈”，無需作特殊處理。用120°導(dǎo)通的控制方法時(shí)，只有6種輸出狀態(tài)，軟件將會(huì)簡(jiǎn)單得多。
結(jié)束語
交流電機(jī)，直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，其硬件成本其實(shí)應(yīng)該是差不多的。交流電機(jī)使用了變頻技術(shù)以后，其調(diào)速性能已可以和直流電機(jī)相媲美，但在使用了各種調(diào)制方法以后，發(fā)現(xiàn)有一項(xiàng)指標(biāo)是沒法超越的：加速時(shí)間或低頻轉(zhuǎn)矩。原因不在控制器上，而在電機(jī)本身：同樣功率的電機(jī)，交流電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的兩倍左右，而直流電機(jī)可以大很多。這就是為什么在伺服控制，電動(dòng)車等需要低速大扭矩的場(chǎng)合不用交流電機(jī)的原因。雖然還可以通過加大轉(zhuǎn)子電阻，加長(zhǎng)電機(jī)減小直徑，降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法來提高加速時(shí)間，但是比起無刷直流電機(jī)，其綜合性能還是差一些。因此，只有在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，對(duì)電機(jī)尺寸，加速時(shí)間沒有苛刻要求的場(chǎng)合，交流電機(jī)配合變頻器才能發(fā)揮其價(jià)格低，可靠性高的優(yōu)勢(shì)。
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