针对低成本单进三出逆变器电源电路的设计经验

本文介绍了一款低成本单进三出逆变器的设计经验，硬件成本控制在60元人民币以内时，可驱动1 kW以下的三相笼式异步电机。总结了经过近百多次的修改后得到的较为成熟的电路的设计要点，包括微处理器，功率器件，半桥驱动，过流保护，控制方法，试验结果等方面的内容。用该电路实现的变频调速可以因低成本而大大扩展其应用范围，稍加修改后可用于直流无刷电机的驱动。

变频器电路的设计大同小异，一般都采用交-直-交方式，由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器普遍采用智能化功率模块(IPM)，很多电子公司都有其参考设计，只要采用其软硬件就没有多少设计风险，但要付出成本代价，这就限制了变频器在诸如工业缝纫机、台式钻床等需要调速但成本敏感场合的应用。在小功率的场合，用6片分立的场效应管或IGBT就是不错的选择，这样能大大降低成本，但其可靠性问题就显得非常突出，炸管是设计者的最头痛的问题。如何把不同公司最廉价的元件整合到一起，又能保证其可靠性，是电路设计的关键。

主电路设计

1、半桥驱动方案的选择

半桥驱动电路有隔离和非隔离两种，非隔离的方案线路简单，但主电路的高电压容易窜入控制电路造成事故，用IR2105双极性SPWN调制的方法，驱动370 W以下的电机还是很可靠的。隔离方案则增加成本，隔离驱动的又有变压器驱动和光耦驱动，变压器开关速度快，但变频器输出的占空比在0%到100%之间变化时，要用调制的方法，小功率的场合没必要。光耦驱动虽然开关速度慢点，但开关时间在0.5μS左右，IG BT允许的开关速度一般在40kHz以下，实际应用中还不一定要这么高，因此选用光耦隔离驱动上管，用在1kW以下的电机是性价比佳的方案。

2、驱动芯片的使用

IR210x是IR公司众多的驱动IC家族中的一族，可以工作在母线电压高达600 V的电路中，价格才2元。驱动信号兼容TTL和MOS电平，采用一片IR 210x可完成两个功率元件的驱动任务，其内部采用自举技术，使得功率元件的驱动电路仅需一个输入级直流电源，可实现对功率MOSF ET和IGBT的驱动，还具有一定的保护功能。电路如图1所示。

IR2105只有一路输入可用作双极性调制，IR2103有两路输入可用作单极性调制。

非隔离的电路要小心“浮地电位下冲”的问题，当桥电路负载为感性时，上管的关断会引起负载电流突然转换到下管的续流二极管，由于二极管开通延迟，正向压降和杂散电感会使Vs点负过冲到参考地以下。在死区时间内，如果负载电路不能完全恢复，当下管硬开通时，会发生Vs负过冲或振荡。在IR2105的引脚COM和VB之间，由于制造工艺方面的原因存在如图所示的一个寄生二极管，当Vs负过冲过头，导致VB的电位低于COM时，该二极管意外导通，电流达到一定值就击穿了。

图2 寄生二极管因浮地下冲而意外接入电路示意图

IR公司给出了一个补救的方案：在COM和地之间加一个电阻R，阻值可在10欧姆以上，这样可以减小寄生二极管意外导通的电流，起一定的保护作用。同时为保证上下管开关速度一致，还得减小门电阻R2的阻值，使得R1=R2+R。但这个保护措施作用是有限的，实在不行就得加大R1，R2的阻值。付出的代价是降低功率管的开关速度，发热量大增，得给TO—247AC封装的功率管配上散热片。

3、用光耦增强电路的可靠性

用东芝公司的TLP251或者AVAGO的HCPL～3210驱动上管，可有效解决浮地下冲的问题。利用控制电路+15V的电源，加上一个高耐压快恢复二极管和一个较大容量的电容组成一个充电泵电路，电容负极和上管的源极或发射极相连形成浮地，在下管打开时给电容充电，就能开关上管了。注意用于直流无刷电机驱动时，控制信号占空比不能到100%，否则堵转时可能因电荷耗尽而不能打开上管，交流电机则无此问题。

保护环节的设计

1、过流保护电路

炸管大多是流经MOSFET/IGBT的冲击电流过大所致，一个限流保护电路是不可少的。用一片诸如LM311等的电压比较器，配合采样电阻在电流过大时输出信号到驱动电路即可，这里要注意运放的反应速率(Response Time)，因为IGBT能承受的短路时间在1 0μs以下，斩波动作太慢会炸管的。

另外，在上管的漏极或集电极，在下管的源极或发射极，近距离接上一个0.1μF左右的电容可减少高频噪音，防止误动作，用示波器在采样电阻上可以明显地观察到其效果。

2、继电器的作用

变频器直流母线间接了电容，开机时会有很大的冲击电流，一般用一个电阻限制该冲击电流，再接通继电器。有时可以用NTC热敏电阻