基于PWM控制器和IPM模块的变频电源设计

摘要：采用智能型、高精度PWM控制器SA866和智能功率模块PS21255,设计了小功率变频电源。该系统硬件电路简单，器件减少，结构紧凑，具有较高的性价比和灵活的适应性，安全可靠。

叙词：变频器 IPM SPWM 逆变

Abstract：High performance and precision PWM controller SA866 and intelligent power module PS21255 are presented, and small power variable-frequency voltage is designedThis system has the merits of simple hardware, compacted configuration, high output-stability, good dynamic characteristic and high dependability. the design is reliable and stable

Keyword：Variable-frequency regulator, IPM, PWM, Inverter

1前言

随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，逆变器的稳定性和可靠性大幅度提高，各种逆变器在各行业中应用十分广泛,变频调速技术发展日新月异。目前最常用的是采用正弦脉宽调制技术SPWM的变频电源，利用这种变频电源驱动的电力拖动系统，具有效率高、转矩波动小、噪声低、响应快、调速特性好、运行可靠、控制特性优良等优点。SPWM技术及其控制性能越来越完善，专用PWM集成电路相继问世，在变频电源和调速控制中应用越来越广，使系统电路简单，控制调节方便，具有很高的智能性。

常用的电力电子全控型功率半导体器件有晶闸管、功率场效应管、双极型晶体管等。功率场效应管具有开关速度高、电压控制实现简单等优点，但是器件导通时压降较大，且电压、电流容量相对较小；双极型晶体管的优缺点则正好与功率场效应管的优缺点相反。绝缘栅一双极型晶体管(简称IGBT)是功率场效应管与双极型晶体管所形成的复合器件，综合了两者的优点，广泛应用于各种大中型电力电子装置中。各种分立型功率器件需要设计专门的驱动电路才能实现使器件工作在开关状态并获得较低的动静态损耗的效果。而随着功率器件工作频率不断提高，分立元件固有的引线电感、寄生电容等对器件造成了更大的电应力，主要表现为过电压、过电流尖峰。因此在电源设计中采用智能功率模块（IPM），将功率器件、驱动电路和各种保护电路集成到同一模块内，较好地解决了寄生电感和电容的影响。IPM模块对电源电路和驱动电路的引线设计进行了优化处理，所以浪涌电压、门极振荡、噪声干扰等问题得到有效控制，能够实现更快的开关速度，降低系统的复杂性并提高系统的可靠性。

2 变频电源的系统结构

变频电源的主电路采用交一直一交电压型变频电路,主要由整流、滤波、逆变组成。整流部分采用单相桥式整流模块，实现AC／DC的转换；滤波环节采用滤波电容来稳定直流电压；逆变部分采用智能功率模块DIP-IPM，实现DC／AC的转换。变频电源的控制回路用来调节电源系统输出信号的频率和幅值，实现变压变频。为保证系统安全可靠，设置了过压欠压检测保护电路、光耦隔离驱动电路、辅助电源转换电路等。

根据控制电路的参数设置，SPWM 电路产生SPWM控制信号，经过光耦隔离驱动电路，控制智能功率模块IPM开关器件。当系统出现短路、过流、过压、欠压、过热等故障时，封锁SPWM 输出信号，关断IPM 的输出。

3 SPWM调制技术

SA866是专用于交流异步电机SPWM控制的集成电路。它除了根据设定参数产生合乎要求的SPWM脉冲外，还集成了多种保护功能，并可在紧急情况下，如短路和过载时快速关断SPWM脉冲，保护逆变器和电机。其最大特点是可以独立运行，无须微处理器控制。它的输出频率以及加速减速频率都可由外接电位器在线连续调节。所有须定义的参数如载波频率、死区时间、最小脉宽、调制波形、V/f曲线等均存储在外接的廉价EEPROM中，上电时自动读入SA866中。SA866有6种工作模式，与微处理器配合使用，基本做到了低价格多功能。

SA866管脚排列如图2所示。

各管脚功能如下：

（1）电源VDDD和VDDA分别为数字电源和模拟电源；VSSADC为A/D转换电源，它们接一个＋5V的电源；VSSD和VSSA分别为数字电源和模拟电源的地；VREFIN为A/D转换参考电压（＋2.5V）。

（2）串行接口SDA，SCL和CS用于从EEPROM获取数据，分别为数据，时钟和片选信号。

（3）控制及输出SETPOINT为频率给定端，该脚的输入电压将决定系统的工作频率；RACC和RDEC分别确定加速和减速的时间；RPHT、YPHT、BPHT和RPHB、YPHB、BPHB为桥臂脉冲信号输出，其中RPHT、YPHT和BPHT分别对应三相输出的上桥臂；RPHB、YPHB和BPHB分别对应三相输出的下桥臂；DIR控制三相顺序，该脚对应高低电平有两个方向的PWM波供用户选择，高电平时输出的相序为R—B—Y，低电平时输出的相序为R—Y—B。