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

關鍵字：PM25RL1A120；變頻器；主回路；開關電源

1、 序言

隨著電力電子、計算機等科學技術的飛速發(fā)展，變頻器越來越得到人們的廣泛關注，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，提高生產效率，提高產品質量，改善工藝流程，使設備合理化，降低設備維護工作量，改善人們的生活環(huán)境的主要技術之一。變頻器技術是與人們日常生活息息相關的一種最普遍最需要的新技術，因此也是技術不斷創(chuàng)新更新最快的領域之一。

變頻器的核心技術之一是電力電子技術，最具代表性的是逆變部分的開關器件,目前最先進的技術還是被歐美和日本的幾個半導體器件生產商所掌握。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備的主導器件，而且其電壓、容量及開關頻率性能還在提高。智能功率模塊(IPM)是Intelligent Power Module的縮寫，是一種先進的功率開關器件，其內部集成了多路IGBT，不但具有大功率晶體管（GTR）的優(yōu)點：低飽和電壓、高電流密度和高的耐壓值，還有場效應晶體管（MOSFET）的高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率的優(yōu)點。除了以上這些優(yōu)點以外，IPM模塊內部同時集成了各種控制、檢測和保護電路，使用起來更方便，便于產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，另一方面增強了系統(tǒng)的可靠性，適應了當今電力電子產品的發(fā)展方向——小型化、功能復合化，使得IPM模塊在電力電子領域得到了越來越廣泛的應用。

本文介紹一款2.2Kw通用變頻器的硬件電路設計，在該設計中使用IPM模塊PM25RL1Al20作為開關器件，同時詳細介紹了變頻器的主回路設計和開關電源的設計工作，采用IPM模塊和開關電源集成到變頻器中的這種設計方案，使最終的產品集成度高，體積小巧，并且IPM模塊本身所具有的完善保護功能，大大提高了產品的可靠性，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，開關頻率最大可以達到20kHz，滿足絕大多數(shù)的電力電子設備的設計要求，該模塊的內部電路原理圖如圖1所示：

圖 1 PM25RL1A120內部電路圖

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路實現(xiàn)IGBT的導通和關斷，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，實際應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，給電機提供交流電源；B端子用于外接制動電阻，當母線電壓超過一定值時，IGBT導通，升高的母線電壓通過制動電阻進行釋放。4路電源：VUP1-Vupc，VVP1-VVPC，VWP1- VWPC，VN1-VNC為每路IGBT的驅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開關的控制端。當這些信號的電壓值小于等于0.8V時，IGBT處于導通狀態(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，在實際的設計工作中，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，上位機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計

該變頻器的設計方案采用傳統(tǒng)的交-直-交電路[2] [3]，因此其硬件電路的設計主要分成3部分：三相橋式整流電路、逆變電路以及負責整個變頻器所有器件正常工作的開關電源電路。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行濾波，然后給逆變單元提供一個平滑的直流電壓；開關電源為整個變頻器中的器件供電，如負責IPM工作的4路15V電壓和提供給上位機正常工作所需要的5V電壓，模擬電路所需要的±15電源。由PM25RL1Al20組成的逆變電路，是整個電路設計的核心，其設計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計。

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，并且在電機制動時，會引起母線電壓的升高，最高可以達到直流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，當電流值上升到一個設定值后，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，變頻器上電延時一定時間后，上位機發(fā)出使繼電器動作的信號而將這些電阻短路。在本設計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，從而保護了浪涌電流對電解電容和逆變單元的沖擊。傳統(tǒng)的設計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，進而引起繼電器的損壞，而本電路中選用的NTC，當電路進入正常工作狀態(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計

圖3是IPM驅動控制電氣原理圖[1]，該控制電路的設計水平高低，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導通和關斷的原理，其它IGBT的動作與之相同。從IPM芯片手冊查詢可知，IGBT低電平導通，高電平關斷，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]，隔離上位機發(fā)送來的弱電信號與變頻器逆變部分的強電信號，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導通與關斷，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送給上位機進行處理，當該信號出現(xiàn)電平變化，上位機經(jīng)過處理后認為變頻器發(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電源電路[4]。在該設計中選用了目前最為成熟的開關電源設計方案，該開關電源電路主要由以下幾個部分組成：高頻開關變壓器、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變壓器進行電壓變換，給上位機和外圍控制電路以及IPM模塊提供電源,根據(jù)變頻器的設計輸入要求，共需要提供以下幾組電源：

為了保證開關電源的設計指標滿足使用要求，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 開關電源原理圖

另外，本文中只介紹了變頻器的主回路，開關電源，以及IGBT驅動電路的原理圖設計工作。完成原理圖的設計后，還需要進行相應的PCB設計，這部分不作為本文的主要內容進行闡述。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，實際應用中必須給這些器件進行有效的散熱，安裝散熱片是一種有效且經(jīng)濟的方式，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[2]。

4 結束語

本文采用三菱最新一代的智能功率模塊（IPM）PM25RL1Al20設計了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電源，采用該方案設計完成的變頻器，具有結構緊湊，體積小巧，諧波成分低，可靠性高等優(yōu)點，完全滿足市場上廣泛使用的各種三相交流異步電動的驅動，該產品自推向市場以來，取得了良好的市場反應，市場占有率在不斷的提高。

參考文獻

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

[2] 黃立培，張學.變頻器應用技術及電動機調速. 人民郵電出版社出版,1995.

[3] 徐海，施利春. 變頻器原理及應用. 清華大學出版社，2010.

[4] （美）普利斯曼，莫瑞，王志強. 開關電源設計.北京:電子工業(yè)出版社,2010.

作者：丁云飛，1978年生，高級工程師，工學學士，一直從事高檔數(shù)控機床、全數(shù)字總線數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅動等產品的研發(fā)項目管理及品質管理工作。