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。

　　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。

　　(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。

　　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;FO为故障输出端(低电平有效)。

　　5电源系统的控制

　　控制电路主要包括控制电源、SA866为核心的SPWM波发生器、隔离驱动及保护电路，如图3所示。

　　220V交流电经过整流滤波得到的直流电压作为PS21255的逆变直流电压输入，SA866产生三相互差120。的3对SPWM信号，通过光电隔离作用于PS21255控制输入端，在PS21255的输出端输出三相互差120。的SPWM波来驱动异步电机。通过改变输出频率，实现异步电机变频调速。PS21255具有过热、过(欠)压、过流和过热检测及保护电路。当任何一种故障发生时，它将封锁内部6只IGBT管，同时送出故障信号FO。

　　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方向脚，可实现转速的连续调节和正反向切换。SA866工作于模式N3，通过外部电路接SETPOINT实现频率的给定,RACC、RDEC接相应电路实现频率的加速和减速，SERIAL端悬空。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。

　　系统采用外接EEPROM方式，EEPROM选用Atmel公司生产的AT93LC46，它只须+5V电压即可工作，可重复擦写106次。该芯片的封装为DIP一8，其中Vcc和Vss分别为5V电源输入的正负端，CLK为时钟信号输入端，DI为数据输入端，DO为数据输出端，ORG为内部数据的存储结构，可进行8位或16位选择，其相应的引脚分别与SA866AE的SDA、CS和SCL引脚相连。所有的可编程参数均存在EEPROM中，PAGE0、PAGE1用来选择存储器93LC46的4个页面数据。系统在上电或复位后，通过串行口自动下载，从EEPROM将参数字读人SA866，并依据所设定的参数字产生相应的脉冲波形，以控制主电路中模块的开或关。

　　为了保证逆变系统安全可靠运行，在IPM主电路和控制电路之间设置了保护及隔离驱动电路。当IPM发生欠压、过流、过温、短路保护时，即UV、OC、OT、SC中任一故障时，其故障输出信号持续时间tfo为1.8ms(SC持续时间会长一些)，此时间内IPM会封锁门极驱动，关断IPM。故障输出信号持续时间结束后，IPM内部自动复位，门极驱动通道开放。因此器件自身产生的故障信号是非保持性的，如果tfo结束后故障源仍旧没有排除，IPM就会重复自动保护过程，反复动作。过流、短路、过热保护动作都是非常恶劣的运行状况，应避免其反复动作，因此仅靠IPM内部保护电路还不能完全实现器件的自我保护。要使系统真正安全、可靠运行，需要辅助的外围保护电路。

　　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中在直流环节。本设计中，在SPWM接口电路SA866前置一级带控制端的高速光耦6N137，使得SA866产生的SPWM信号经过隔离放大后驱动IPM的三相6路脉冲信号输入端。IPM的故障输出信号FO送入可控光耦6N137，经隔离后与SA866的SETTRIP端相连，当IPM故障报警时，信号FO快速向SA866发出保护高电平，快速切断SPWM的控制信号通道，关断IPM，实现了保护功能。