基于PM50RSAl20的小型通用变频器电路设计

    变频器已应用于各行各业的多种设备,并成为当今节电,改造传统工业,改善工艺流程,提高生产过程自动化水平,提高产品质量,改善环境的主要技术之一。变频器技术是一种绿色技术,是国民经济和日常生活中普遍需要的新技术,也是国际上技术更新换代最快的领域之一。

    开关器件是变频器的核心器件,绝缘栅双极型品体管(ICBT)投入市场以后,很快成为中小功率电力电子设备的主导器件,而且其电压、容量及开关频率性能还在提高。智能功率模块(IPM)集成了多个常规IGBT,为用户降低设计和生产成本提供了便利条件,并使系统的性能和可靠性得到了有效提高。IPM内部集成的驱动和保护电路可简化系统设计,其自我保护功能可使功率模块在测试及现场应用中损坏的可能性大大降低。采用IPM后系统的综合性能极大提高,其性价比已经超过IGBT,有很好的经济性。

    本文使用IPM模块PM50RSAl20设计一款小型通用变频器,功率为1 500 W,并将开关电源也集成到变频器中,体积小,方便在小功率场合使用。

2 PM50RSAl20简介[1]

    PM50RSAl20是日本三菱公司推出的50 A/l200 V智能功率模块,开关频率20 kHz,其内部电路如图1所示。

    PM．50RSAl20中共有7块:IGBT,其中6块构成桥路,另一块用于控制制动电阻的接人。P-N间接人前方整流模块整流后的直流电压(0 V～800 V);U、V、W是输出端子;B-P间接入制动电阻,在能耗制动过程中消耗制动能量;VUP1-Vupc,VVP1-VVPC,VWP1- VWPC,VN1-VNC间提供各IGBT模块的电源．典型值为15 V；UP-VUPc，VP_VVPC，WP-VWPC，UN·VN·WN·Br-VNc间为控制各IGBT导通和截止的控制端.当电压在0．8 V以下时，IGBT导通，在4 V。15 V之问时．：IGB3"。截止；UF0-VUPc,VFo_-VVPC，Wm-V州，FO-VNC间为错误报告电压提供端,为了使接口电路尽量简化．该IPM模块用一个错误指示信号来通知控制器在该模块内发生的所有错误。控制器通过检测来判断是否发生了温升过高、过电流或短路故障．区别以上故障的依据是检测错误指示信号维持时间。短路和过电流故障信号的维持时间的典型值是1.5 ms．温升过高指示信号在温度超过允许值时有效,一直维持到温度降至复位值以下,这一过程的典型时间为十几秒。

3 硬件电路设计

    通用型变频器的硬件电路主要由3部分组成:整流电路、开关电源电路以及逆变电路。整流电路将工频交流电整流为直流,并经大电容滤波供给逆变单元;开关电源电路为IPM和计算机控制电路供电;逆变电路是由PM50RSAl20组成,对于逆变电路本文主要阐述其控制电路的设计。

    图2为整流电路「2-3」,整流电路中,输人为380V工频交流电。YRl～YR3为压敏电阻,用于吸收交流侧的浪涌电压,以免造成变频器损坏。输人电源经二极管整流桥6R130G-160整流为直流,并经El～E4大电容滤波后成为稳定的直流电压,再经电感和电容滤波后作为逆变单元和开关电源单元的电源。R2和R3是为了消除电容的离散性而设置的均压电阻,同时还起到放电的作用。发光二极管用于指示变频器的工作状态。Rl是启动过程中的限流电阻,由于E1～E4容量较大,上电瞬间相当于短路,电流很大,尺l可以限制该电流大小,电路正常状态后由继电器RLYl将该电阻短路以免增加损耗,继电器的控制信号SHORT来自于计算机,上电后延时一定时间计算机发出该信号将电阻切除。R1应选择大功率电阻,本电路中选择的是20 W的水泥电阻,而且为了散热该电阻安装时应悬空。电路中的+5 V、+12 V和±15 V电压是由 开关电源提供的电压。LVl是电压传感器,用于采集整流电压值,供检测和确定控制算法用．UDCM是电压传感器的输出信号。通过外接插排连接至外接计算机控制电路。

    图3是开关电源电路「4,5」。该电路主要由PWM控制器TL3842P、MOSFET K1317和开关变压器组成,其功能是对整流电路的直流输出电压进行变换,为IPM模块和外接的计算机控制电路提供电源,提供的电压为±15 V、+12 V、+5 v。

    图4为IPM的控制电路「1」,这里只给出了其中一个ICBT的控制电路,其它IGBT与之相同。

    在电路中,HCPL4504是高速光耦,隔离计算机信号与变频器控制板,LM、UM是算机输入,控制对应的IGBT导通的控制信号,VNI、WN、F0、VNC为对应IGBT的信号引脚。P52l是光电隔离器件,其输出信号FOUT是错误信号,表明IPM内部出现错误,通过计算机响应进行错误处理。LA58是电流传感器,用于采集变频器输出U相和W相的电流,为控制算法提供现场数据。在整个电路板中, 与计算机接口信号是通过插排接出的。

    另外,需要注意的是6R130G-160、PM50RSAl20都属于发热量较大的器件,在电路板中要注意散热问题,必须安装散热片,并涂以散热硅胶,以免温度超过器件的额定温升。

4 结束语

    本文采用智能功率模块PM50RSAl20设计了一款小型通用1 500 W变频器,该变频器包含了交-直-交变频电路和开关电源,具有结构紧凑、集成度高、可靠性高，体积小、稳定性好、可靠性高等特性,适应于小型电机驱动及实验。