基于SPM FSM50SM60A的压缩机驱动系统设计

摘要： 以智能功率模块SPM FSAM50SM60A为核心，设计压缩机驱动系统。重点描述了自举电路、短路保护电路和过载电路的设计。

关键词： SPM；  短路保护；  自举电路

引言

随着变频空调的发展，压缩机的驱动问题越来越突出，目前市场上的变频空调一般功率较小，但是在一些压缩机生产厂家，为了测试压缩机的性能，要求变频器的功率大、运行频率高。功率的提高主要取决于逆变模块，而运行频率的提高取决于模块所能承受的最高载波频率，这样逆变模块的选取成为关键。

考虑到安装的方便和成本等因素，选取Fairchild公司的二代SPM  FSAM50SM60A(智能功率模块)，它具有超薄、高性能、高效率的特点[1]。本文围绕FSAM50SM60A 在压缩机变频控制器中的应用设计，重点介绍了自举电路、短路保护电路和过载电路的设计。
　　
压缩机变频控制器驱动系统

本文介绍的压缩机变频控制器驱动系统工作在220VAC，50Hz，功率5000W,输出频率30—240Hz，主要用于压缩机的性能测试。系统构成如图1所示。

图1  控制系统框图

反电势采样电路：系统在运转过程中，需要形成速度闭环，但是由于压缩机没有位置传感器，因此需要从压缩机三相端电压推算压缩机的转子位置，实时计算压缩机的运转速度，为换向提供依据。压缩机的三个绕组端电压和直流母线电压经过分压直接送入单片机的A/D转换部分进行采样。R1，R2，R3，R4，R5，R6用于对三相绕组电压进行分压衰减，为了保持准确性，最好用高精度的电阻。R7，R8对于直流母线电压进行分压衰减。为了抗干扰，采样信号在送入单片机的A/D口时需要加一级RC滤波电路，为了在启动时能够准确检测到反电势，RC的选取需要非常的小心，不要对反电势造成过度衰减。

驱动电路：由于单片机的驱动能力有限，为了可靠运行，选用一片同相驱动IC和RC电路组成，能够可靠的开通和关断SPM内部的IGBT。RC用于去除驱动线路上的振荡。

功率电路：主要由SPM及其供电电路组成，用于驱动压缩机。本设计选用的Fairchild SPM具有自举功能，电源只需要供给单路15V即可。
　　
FSAM50SM60A

FSAM50SM60A是Fairchild公司的最新SPM(智能功率模块)，用于三相电机驱动。具有超薄、低成本、高性能和高可靠性的特点。主要用于中速小功率变频驱动，比如空调等。SPM由32个引脚，按照功能可以分为四大类：驱动信号输入，三相输出，故障保护和电源供电，各个引脚的详细功能请参考Fairchild公司的技术资料[2]。模块内部集成了优化的保护电路和IGBT驱动电路。上桥臂由3只普通的IGBT组成，下桥臂由3只Sense —IGBT组成。内部还集成了3个HVIC，1个LVIC和1个热敏电阻[2]。
HVIC的开关频率在数KHz范围，能够防止同一相的上下桥臂同时导通，具有较好的电压变化率兼容性(尤其是在感性负载时)，功耗低，耐压大于600V[4]。 HVIC的集成，使模块可以与控制芯片直接接口，不需要光耦隔离，这为电路设计提供了方便，也减小了模块尺寸[1]。

Sense —IGBT的检测精确度高(误差小于8%)，故障结束后能够自复位，成本低，体积小。SPM中的Sense —IGBT能够实时监测IGBT中的电流，这为系统短路保护电路的设计提供了方便，而且降低了成本 [4]。通过调整与Sense —IGBT串联的电阻的阻值，可以改变电流保护限值。模块采用DBC技术，漏电流很小；典型开关频率5KHz[2]。

热敏电阻的集成使保护电路更加完善，运行更加可靠 。
　　
系统设计

短路保护电路

SPM提供了两种主要的保护功能，即控制电压欠压保护和短路电流保护。当控制电压低于欠压检测电平时，内部栅极驱动信号被阻断，并产生故障输出信号。当控制电压高于欠压复位电平时，故障输出信号变为高电平，故障消除，模块又可以按照系统设定的指令运转。模块的LVIC通过监视检测电压来监测下桥臂的集电极电流。一旦发生短路，模块关断内部的栅极驱动信号并送出故障信号。这种电流监测方法不仅简单，而且成本低廉。在高于额定电流的15%的范围内，Sense —IGBT具有很好的线性特性。

模块内部设有短路保护电路，触发电压VSC(ref)=0.51V，当VSC引脚的电压达到0.51V，内部保护电路触发，自动关断六路波，同时VFO向单片机输出故障信号。根据保护电流的不同，R3可以选择不同的值，但是R3的选取和R4有关，在同一保护电流下，当R4大时，R3小，但是二者不具有线性关系[2]。

图2为系统瞬时短路保护电路。虚线内部是模块内部的一部分，只给出U相下桥臂的驱动和保护原理。实际情况是U，V，W相的下桥臂在G点会合，通过R4流入电源地线。瞬时短路保护的外电路由R1，R2，R3，C1，C2 组成。

图2  短路保护电路 

R2，C2决定短路电流故障在引脚持续的时间，一般要求R2