摘要：本文主要介紹了使用IPM模塊PM25RL1A120完成2.2Kw通用變頻器的設(shè)計(jì), 重點(diǎn)闡述了變頻器的主回路、IGBT驅(qū)動和故障處理電路、開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。采用該方案設(shè)計(jì)完成的變頻器，具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，諧波成分低，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，滿足市場上三相異步電機(jī)的控制需要。

關(guān)鍵字：PM25RL1A120；變頻器；主回路；開關(guān)電源

1、 序言

隨著電力電子、計(jì)算機(jī)等科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器越來越得到人們的廣泛關(guān)注，不斷用于電力、冶金、紡織、鋼鐵、起重、印刷等行業(yè)，并成為節(jié)能，提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善工藝流程，使設(shè)備合理化，降低設(shè)備維護(hù)工作量，改善人們的生活環(huán)境的主要技術(shù)之一。變頻器技術(shù)是與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的一種最普遍最需要的新技術(shù)，因此也是技術(shù)不斷創(chuàng)新更新最快的領(lǐng)域之一。

變頻器的核心技術(shù)之一是電力電子技術(shù)，最具代表性的是逆變部分的開關(guān)器件,目前最先進(jìn)的技術(shù)還是被歐美和日本的幾個半導(dǎo)體器件生產(chǎn)商所掌握。自絕緣柵極晶體管(IGBT)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)是Intelligent Power Module的縮寫，是一種先進(jìn)的功率開關(guān)器件，其內(nèi)部集成了多路IGBT，不但具有大功率晶體管（GTR）的優(yōu)點(diǎn)：低飽和電壓、高電流密度和高的耐壓值，還有場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動功率的優(yōu)點(diǎn)。除了以上這些優(yōu)點(diǎn)以外，IPM模塊內(nèi)部同時集成了各種控制、檢測和保護(hù)電路，使用起來更方便，便于產(chǎn)品的簡單化和高度集成化。使用IPM作為變頻器功率變換器件，減少了系統(tǒng)的開發(fā)時間，同時也大大減小了變頻器的體積，另一方面增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，適應(yīng)了當(dāng)今電力電子產(chǎn)品的發(fā)展方向——小型化、功能復(fù)合化，使得IPM模塊在電力電子領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

本文介紹一款2.2Kw通用變頻器的硬件電路設(shè)計(jì)，在該設(shè)計(jì)中使用IPM模塊PM25RL1Al20作為開關(guān)器件，同時詳細(xì)介紹了變頻器的主回路設(shè)計(jì)和開關(guān)電源的設(shè)計(jì)工作，采用IPM模塊和開關(guān)電源集成到變頻器中的這種設(shè)計(jì)方案，使最終的產(chǎn)品集成度高，體積小巧，并且IPM模塊本身所具有的完善保護(hù)功能，大大提高了產(chǎn)品的可靠性，增加了變頻器在市場上的競爭力，為公司帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2、 PM25RL1A120簡介[1]

PM25RL1A120是日本三菱公司全新推出的智能功率模塊，額定電流25A，額定電壓1200V，開關(guān)頻率最大可以達(dá)到20kHz，滿足絕大多數(shù)的電力電子設(shè)備的設(shè)計(jì)要求，該模塊的內(nèi)部電路原理圖如圖1所示：

圖 1 PM25RL1A120內(nèi)部電路圖

從該模塊的系統(tǒng)框圖中可以看出PM25RL1Al20中一共有7路IGBT，其中6路實(shí)現(xiàn)IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，形成交變的三相電流。另外一路IGBT 用于變頻器的制動電路。P-N為直流電壓輸入端子，實(shí)際應(yīng)用中接三相整流橋整流后的直流電壓(DC 540V)，U、V、W是IPM的輸出端子，給電機(jī)提供交流電源；B端子用于外接制動電阻，當(dāng)母線電壓超過一定值時，IGBT導(dǎo)通，升高的母線電壓通過制動電阻進(jìn)行釋放。4路電源：VUP1-Vupc，VVP1-VVPC，VWP1- VWPC，VN1-VNC為每路IGBT的驅(qū)動芯片提供工作電源，額定值為15V；UP，VP，WP，UN，VN，WN是控制各路IGBT開關(guān)的控制端。當(dāng)這些信號的電壓值小于等于0.8V時，IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)，大于等于9V時，IGBT截止；UFO，VFO，WFO，F(xiàn)O為IPM模塊出現(xiàn)故障報警時的錯誤輸出端，在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，為了使IPM模塊更安全可靠的工作，所有的故障信號經(jīng)過處理后送給上位機(jī)，上位機(jī)通過這些故障信號的高低電平變化來判斷模塊發(fā)生了哪種故障，如溫度過高、短路或者過電流等。根據(jù)PM25RL1Al20的數(shù)據(jù)手冊，正確判斷出現(xiàn)何種故障的依據(jù)是根據(jù)FO信號出現(xiàn)電平變化所持續(xù)的時間。模塊出現(xiàn)溫度過高的報警信息時，只要模塊的溫度值超過允許值FO信號就一直保持有效，直到溫度降至復(fù)位值以下，這一動作的時間通常為十幾秒。而出現(xiàn)短路和過電流故障時，F(xiàn)O信號的維持時間的典型值是2.2 ms。

3、 變頻器的硬件電路設(shè)計(jì)

該變頻器的設(shè)計(jì)方案采用傳統(tǒng)的交-直-交電路[2] [3]，因此其硬件電路的設(shè)計(jì)主要分成3部分：三相橋式整流電路、逆變電路以及負(fù)責(zé)整個變頻器所有器件正常工作的開關(guān)電源電路。三相橋式整流電路將電網(wǎng)輸入的工頻電壓經(jīng)過不可控的三相整流橋整流成直流電壓，由于整流后的電壓是一個脈動的電壓，需要使用大容量的電解電容進(jìn)行濾波，然后給逆變單元提供一個平滑的直流電壓；開關(guān)電源為整個變頻器中的器件供電，如負(fù)責(zé)IPM工作的4路15V電壓和提供給上位機(jī)正常工作所需要的5V電壓，模擬電路所需要的±15電源。由PM25RL1Al20組成的逆變電路，是整個電路設(shè)計(jì)的核心，其設(shè)計(jì)直接影響整個變頻器的性能和可靠性，在本文中主要闡述其控制電路的設(shè)計(jì)。

圖2為變頻器的整流電路電氣原理圖，左邊的端子輸入三相交流380V，50Hz的交流電。Z1，Z2，Z3為三個壓敏電阻，分別接于相與相之間，用于吸收來自于電網(wǎng)上的浪涌電壓，以免變頻器由于大的浪涌電壓而造成的損壞。C1，C2，C3，C4為X和Y電容，用于差模和共模干擾，起濾波作用。經(jīng)過EMC處理的三相交流輸入電源經(jīng)整流橋整流為直流電壓，并經(jīng)C5～C10這6個大容量的電解電容濾波后成為波形平滑的直流電壓，再經(jīng)無感電容吸收高頻成分后作為整個逆變單元和開關(guān)電源的輸入電源。由于該變頻器的交流輸入電壓為380V，整流后的母線電壓值為直流540V，并且在電機(jī)制動時，會引起母線電壓的升高，最高可以達(dá)到直流800V，市場上常見的電容其耐壓等級一般為400V或者450V，考慮到電容的安全使用，因此需要將這6個電解電容兩兩串聯(lián)以提高其耐壓值。由于制造工藝的差別，每個電解電容的容量和絕緣電阻存在著一定的差別，會造成每個電容端的電壓值不等，因此為了消除電容的離散性而設(shè)置均壓電阻，利用分壓原理保證使各個電容上面電壓均等，同時還起到在變頻器斷電時給電解電容快速放電的作用。4個上電緩沖電阻使用的是負(fù)溫度系數(shù)的NTC電阻，目的是限制變頻器在啟動過程的電流，由于C5～C10這些電解電容容量很大，在給變頻器上電的瞬間處于短路狀態(tài)，導(dǎo)致電路的充電電流非常大，通過增加啟動電阻，保證電路中的電流緩慢上升，避免長期的電流沖擊對電解電容造成的傷害，當(dāng)電流值上升到一個設(shè)定值后，通過繼電器將這些電阻短路，避免電流長期流過電阻造成的額外功率損耗，這些繼電器的控制信號來自于上位機(jī)，變頻器上電延時一定時間后，上位機(jī)發(fā)出使繼電器動作的信號而將這些電阻短路。在本設(shè)計(jì)中這些電阻選擇了大功率的NTC，在變頻器的上電接通瞬間，NTC熱敏電阻的初始阻值較大，抑制整流電路中出現(xiàn)的過的浪涌沖擊電流，從而保護(hù)了浪涌電流對電解電容和逆變單元的沖擊。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式中限流電阻通常選擇大功率的水泥電阻，但是使用水泥電阻時必須考慮其散熱問題，如果散熱條件不好，會造成功率電阻由于溫升造成電阻燒斷，進(jìn)而引起繼電器的損壞，而本電路中選用的NTC，當(dāng)電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)時，熱敏電阻器由于通過電流而引起阻體溫度上升，電阻值下降至很小，即使繼電器出現(xiàn)損壞也不會影響電路的正常工作。

圖 2變頻器的整流電路設(shè)計(jì)

圖3是IPM驅(qū)動控制電氣原理圖[1]，該控制電路的設(shè)計(jì)水平高低，直接決定變頻器能否穩(wěn)定、可靠工作，這里以其中一路的IGBT控制為例，講解IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷的原理，其它IGBT的動作與之相同。從IPM芯片手冊查詢可知，IGBT低電平導(dǎo)通，高電平關(guān)斷，因此需要將控制信號上拉至高電平，確保變頻器在沒有輸出時，每路的IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。同時為了防止電源中尖峰電壓引起IGBT的誤動作，需要對每路IGBT的供電電源進(jìn)行濾波。并且在PCB的布局時，必須注意這些濾波電容盡可能的靠近隔離光耦。

圖 3 IPM驅(qū)動控制電氣原理圖

在控制電路中，選擇高速光耦TLP559作為隔離器件[1]，隔離上位機(jī)發(fā)送來的弱電信號與變頻器逆變部分的強(qiáng)電信號，控制板發(fā)送過來的UPC，UNC，VPC，VNC，WPC，WNC經(jīng)過光耦的隔離處理控制IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷，UFO，VFO，WFO，F(xiàn)O這4個錯誤信號來自于IPM模塊的上橋臂和下橋臂的輸出信號，由于這些信號的處理方式是一樣的，只列出了一個圖片進(jìn)行原理說明，見圖4。IPM發(fā)出的故障信號屬于普通信號，因此選用PS2252L-1作為隔離器件即可，經(jīng)過光耦隔離處理后的輸出信號IPMFO送給上位機(jī)進(jìn)行處理，當(dāng)該信號出現(xiàn)電平變化，上位機(jī)經(jīng)過處理后認(rèn)為變頻器發(fā)生報警，在發(fā)出報警信息的同時，同時封鎖PWM的輸出，防止變頻器的損壞。

圖 4 IPM故障處理原理圖

圖5是變頻器保證變頻器工作的開關(guān)電源電路[4]。在該設(shè)計(jì)中選用了目前最為成熟的開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案，該開關(guān)電源電路主要由以下幾個部分組成：高頻開關(guān)變壓器、高性能固定頻率電流模式控制器UC3844、MOSFET K1317，其主要作用是將三相整流橋的輸出直流電壓通過開關(guān)變壓器進(jìn)行電壓變換，給上位機(jī)和外圍控制電路以及IPM模塊提供電源,根據(jù)變頻器的設(shè)計(jì)輸入要求，共需要提供以下幾組電源：

為了保證開關(guān)電源的設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足使用要求，電路中選用的電解電容都要使用電源專用品，以減少所有輸出電壓的紋波電壓，減小電源對電路中其他電子元件的干擾。

圖 5 開關(guān)電源原理圖

另外，本文中只介紹了變頻器的主回路，開關(guān)電源，以及IGBT驅(qū)動電路的原理圖設(shè)計(jì)工作。完成原理圖的設(shè)計(jì)后，還需要進(jìn)行相應(yīng)的PCB設(shè)計(jì)，這部分不作為本文的主要內(nèi)容進(jìn)行闡述。但是我們要注意的是包括三相整流橋和IPM PM25RL1Al20以及開關(guān)電源中使用的MOFET管，這些功率器件都是發(fā)熱量大的功率器件，因此在PCB布局時，必須考慮變頻器的散熱問題，實(shí)際應(yīng)用中必須給這些器件進(jìn)行有效的散熱，安裝散熱片是一種有效且經(jīng)濟(jì)的方式，同時散熱片和器件之間要均勻的涂抹散熱硅膠，以保證器件的溫升在要求范圍之內(nèi)[2]。

4 結(jié)束語

本文采用三菱最新一代的智能功率模塊（IPM）PM25RL1Al20設(shè)計(jì)了2.2Kw的通用變頻器，該變頻器的主回路采用了傳統(tǒng)的交-直-交變頻電路，供電采用了高頻開關(guān)電源，采用該方案設(shè)計(jì)完成的變頻器，具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，諧波成分低，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足市場上廣泛使用的各種三相交流異步電動的驅(qū)動，該產(chǎn)品自推向市場以來，取得了良好的市場反應(yīng)，市場占有率在不斷的提高。

參考文獻(xiàn)

[1]http://www.mitsubishielectric.com/cn/semiconductors/content/product/powermod/powmod/intelligentpmod/l1/pm25rl1a120_e.pdf

[2] 黃立培，張學(xué).變頻器應(yīng)用技術(shù)及電動機(jī)調(diào)速. 人民郵電出版社出版,1995.

[3] 徐海，施利春. 變頻器原理及應(yīng)用. 清華大學(xué)出版社，2010.

[4] （美）普利斯曼，莫瑞，王志強(qiáng). 開關(guān)電源設(shè)計(jì).北京:電子工業(yè)出版社,2010.

作者：丁云飛，1978年生，高級工程師，工學(xué)學(xué)士，一直從事高檔數(shù)控機(jī)床、全數(shù)字總線數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動等產(chǎn)品的研發(fā)項(xiàng)目管理及品質(zhì)管理工作。