一种小功率通用变频器的设计

摘要：采用高集成度的专用芯片SA866和智能功率模块PS21255开发了一种小功率通用变频器。试验和实际应用表明，该变频器性能好、价格低、可靠性较高。

关键词：变频器；正弦波脉宽调制；专用集成电路；智能功率模块

0    引言

    由于电力电子技术的飞速发展，交流变频调速已上升为电气传动的主流，正在逐步取代传统的直流传动。而从性价比的角度来看，交流变频调速装置已经优于直流调速装置。

    异步电机的变频调速不仅可以实现平滑调节，还有着许多其他交流调速系统不可比拟的优点：交流变频调速在频率范围、动态响应、调速精度、低频转矩、转差补偿、通信功能、智能控制、功率因数、工作效率、使用方便等方面的优势是其他的交流调速方式难以达到的，并以体积小、重量轻、通用性强、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，深受钢铁、冶金、矿山、石油、化工、医药、纺织、机械、电力、轻工、造纸、印刷、卷烟、自来水等行业的欢迎，社会效益非常显著。

    变频调速虽然在各个方面有其优势，但其早期昂贵的造价和可靠性问题使许多用户望而却步。降低造价和提高可靠性一直是交流变频调速的重要课题。

    本文针对一般小功率交流异步电动机变频调速的要求，采用上世纪90年代末才推出的多功能高集成度专用SPWM控制芯片SA866和智能功率模块PS21255开发了一种新型通用变频器。其整?结构简洁，具有比较完善的功能，满足了空调、洗衣机等家电及小型纺织、塑料加工等工业的自动化生产线对变频器低成本、高可靠性、高性能的要求，并已经在广东、江苏等多家工厂生产中得到应用。

1    SA866和PS21255功能介绍

1.1    SA866功能简介

1.1.1    功能特点

    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。它的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。

1.1.2    管脚说明

    该芯片采用PLCC封装,共有32个管脚,各管脚排列如图1所示。

图1    SA866管脚图

    各管脚功能如下。

    1）电源    V_DDD和V_DDA分别为数字电源和模拟电源；V_SSADC为A/D转换电源，它们接一个＋5V的电源；V_SSD和V_SSA分别为数字电源和模拟电源的地；V_REFIN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；R_ACC和R_DEC分别确定加速和减速的时间；RPHT，YPHT，BPHT，RPHB，YPHB和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。

    4）工作状态选择    SERIAL决定与SA866连接的是EEPROM还是微处理器，高电平表示与EEPROM连接；PAGE0和PAGE1决定采用的是EEPROM的哪一页参数。

    5）保护    V_MON为过电压信号输入端，减速过程中此端电平若大于2.5V，就启动过电压保护动作，将输出频率固定在当前值；IMON为过电流信号输入端，升速过程中，电平若大于2.5V，内部过流保护就动作，不再继续升速，直到过流信号消失；SETTRIP为紧急停机信号，可快速禁止PWM脉冲输出；TRIP端表示禁止输出状态，低电平有效，该信号只有在复位信号RESET下才能被解除。

1.2    PS21255功能简介

1.2.1    功能特点

    与常规的IGBT模块相比，PS21255具有如下特点：

    1）内含驱动电路    IPM设定了内部IGBT的最佳驱动条件，驱动电路离IGBT较近，可以大大减少信号传输阻抗，且受外界干扰小，因此不需加反向偏压，同时，本模块采用自举电路，从而摆脱了控制电源不共地的限制，使用一个电源，即可实现方便的控制；

    2）内含各种保护    使内部IGBT因故障损坏的几率大大降低，这些保护包括短路保护(SC)，控制电路欠压保护(UV)等；

    3）内部报警输出(FO)    该信号送到控制PWM产生器，封锁脉冲输出，进而停止系统工作；

    4）散热效果好    采用陶瓷绝缘结构，扁平封装，可以直接安装在散热器上；

    5）端子布局合理，便于安装    强弱电的输出输入端分别安排在模块的两侧,做到尽量减少干扰。

1.2.2    管脚说明

    该模块的外形及端子分布如图2所示。

图2    IPM(PS21255)模块外形及端子分布情况

    IPM(PS21255)模块外部端子在布局上强弱电分开，P及N为直流输入端，P为正端，N为负端；U，V，W为逆变器三相输出端；UP，VP，WP为上桥臂U，V，W各相脉冲信号输入端；UN，VN，WN为下桥臂U，V，W各相脉冲信号输入端；VP1及VPC为上桥臂工作电源输入端，VP1为正端，VPC为负端；VN1及VNC为下桥臂工作电源输入端，VN1为正端，VNC为负端；CIN为电流检测信号输入端；FO为故障输出端（低电平有效）；CFO为故障输出脉宽控制端；VUFB及VUFS为U相自举电路两端，VUFB为高端，VUFS为低端；VVFB及VVFS为V相自举电路两端，VVFB为高端，VVFS为低端；VWFB及VWFS为W相自举电路两端，VWFB为高端，VWFS为低端。

2    系统设计

2.1    硬件电路

    我们开发的小功率通用变频器，采用单相交流供电，经整流滤波后送入逆变桥，再由逆变桥将该直流电逆变成三相VVVF（variable voltage variable frequency）电源，以驱动电机。整个系统分为主电路和控制电路两部分。系统构成框图如图3所示。

图3    变频器系统结构框图

    主电路采用二极管整流，大容量的电解电容滤波，IPM模块为主电路的核心部分，它包含6个IGBT构成三相逆变桥，且各有自己的驱动电路和保护电路，整个模块还有短路及控制电路欠压保护功能。它的输入可以兼容TTL电平输入。

    控制电路主要有控制电源和以SA866为核心的SPWM波发生及驱动电路。控制电源采用7805和7815提供直流稳压电源。SA866AE通过10位数模转换器和外接正反向方向脚,可实现转速的连续调节和正反向切换。所有的运行参数，包括载波频率、波形、最小脉冲宽度、死区脉宽和V/f曲线等都是通过外接的EEPROM编程。由于输入电压和反馈能量都将直接反映在直流环节上，所以，整个系统的电压电流检测及保护取样均集