低成本單進(jìn)三出逆變器設計經(jīng)驗總結

IR公司給出了一個(gè)補救的方案：在COM和地之間加一個(gè)電阻R，阻值可在10歐姆以上，這樣可以減小寄生二極管意外導通的電流，起一定的保護作用。同時(shí)為保證上下管開(kāi)關(guān)速度一致，還得減小門(mén)電阻R2的阻值，使得R1=R2+R。但這個(gè)保護措施作用是有限的，實(shí)在不行就得加大R1，R2的阻值。付出的代價(jià)是降低功率管的開(kāi)關(guān)速度，發(fā)熱量大增，得給TO—247AC封裝的功率管配上散熱片。
1．3 用光耦增強電路的可靠性
用東芝公司的TLP251或者AVAGO的HCPL～3210驅動(dòng)上管，可有效解決浮地下沖的問(wèn)題。利用控制電路+15V的電源，加上一個(gè)高耐壓快恢復二極管和一個(gè)較大容量的電容組成一個(gè)充電泵電路，電容負極和上管的源極或發(fā)射極相連形成浮地，在下管打開(kāi)時(shí)給電容充電，就能開(kāi)關(guān)上管了。注意用于直流無(wú)刷電機驅動(dòng)時(shí)，控制信號占空比不能到100％，否則堵轉時(shí)可能因電荷耗盡而不能打開(kāi)上管，交流電機則無(wú)此問(wèn)題。

2 保護環(huán)節的設計
2．2 過(guò)流保護電路
炸管大多是流經(jīng)MOSFET／IGBT的沖擊電流過(guò)大所致，一個(gè)限流保護電路是不可少的。用一片諸如LM311等的電壓比較器，配合采樣電阻在電流過(guò)大時(shí)輸出信號到驅動(dòng)電路即可，這里要注意運放的反應速率(Response Time)，因為IGBT能承受的短路時(shí)間在10μs以下，斬波動(dòng)作太慢會(huì )炸管的。
另外，在上管的漏極或集電極，在下管的源極或發(fā)射極，近距離接上一個(gè)0．1μF左右的電容可減少高頻噪音，防止誤動(dòng)作，用示波器在采樣電阻上可以明顯地觀(guān)察到其效果。
2．2 繼電器的作用
變頻器直流母線(xiàn)間接了電容，開(kāi)機時(shí)會(huì )有很大的沖擊電流，一般用一個(gè)電阻限制該沖擊電流，再接通繼電器。有時(shí)可以用NTC熱敏電阻替代繼電器，這時(shí)候要小心“冷啟動(dòng)”時(shí)上下管可能直通，因為剛上電時(shí)驅動(dòng)IC需要時(shí)間建立穩定的電位，而“熱啟動(dòng)”時(shí)電容上的電荷不會(huì )馬上漏光，不會(huì )出現這個(gè)問(wèn)題。

3 關(guān)鍵器件的選擇
3．1 場(chǎng)效應管或IGBT
如何合理地選擇場(chǎng)效應管或IGBT，是決定電路性?xún)r(jià)比的一個(gè)重要因素。英飛凌的20n60c3耐壓高，在單極性調制或不用考慮死區保護的直流無(wú)刷電機驅動(dòng)時(shí)可用。IR公司的IRFP460各種場(chǎng)合都能用，上述兩種器件在漏源電壓10 V時(shí)最大電流都是20 A，安全工作區也差不多。還有一種不錯的選擇就是電磁爐里常用的IGBT，如仙童公司的FGA15N120ANTD，其耐壓高到1 200 V，工作時(shí)發(fā)熱少，驅動(dòng)電路可以不作修改，如果設計三進(jìn)三出的低成本逆變器更是非其莫屬。
3．2 微處理器
一臺開(kāi)環(huán)控制的簡(jiǎn)單變頻器，微處理器的最小系統只要用到6或9個(gè)引腳就可以了：電源兩線(xiàn)，AD轉換一線(xiàn)，PWN輸出3或6線(xiàn)。不管是哪種內核，外圍電路一定得有能預分頻的定時(shí)器和3或6路的PWN，有看門(mén)狗和死區設定功能則更好。用美國微芯公司的dsPIC30F2010，德國英飛凌公司的XC866都能編出控制程序。兩家公司都提供了相關(guān)的庫函數，用C語(yǔ)言編程的話(huà)調用就可以了，但這樣會(huì )讓人感覺(jué)知其然不知其所以然。自己設計算法，用匯編來(lái)實(shí)現，最終代碼不超過(guò)2K，并且在不斷嘗試改進(jìn)算法的過(guò)程中，意外地找到了一種不用Clarke變換和Park變換就能實(shí)現的簡(jiǎn)單的空間電壓矢量控制算法。同樣的硬件用一臺370 W的電機做試驗，將電機從星接改成三角接后，用三相SPWN波來(lái)控制時(shí)電機最大功率只能到290 W，而用簡(jiǎn)單空間電壓矢量控制算法電機最大功率幾乎達到了370 W。
把變頻器電路改成無(wú)刷直流電機驅動(dòng)電路很簡(jiǎn)單，只要把三路霍爾信號直接接到微處理器的引腳上即可，霍爾信號一般很“干凈”，無(wú)需作特殊處理。用120°導通的控制方法時(shí)，只有6種輸出狀態(tài)，軟件將會(huì )簡(jiǎn)單得多。

4 結束語(yǔ)
交流電機，直流無(wú)刷電機的驅動(dòng)器，其硬件成本其實(shí)應該是差不多的。交流電機使用了變頻技術(shù)以后，其調速性能已可以和直流電機相媲美，但在使用了各種調制方法以后，發(fā)現有一項指標是沒(méi)法超越的：加速時(shí)間或低頻轉矩。原因不在控制器上，而在電機本身：同樣功率的電機，交流電機最大轉矩只有額定轉矩的兩倍左右，而直流電機可以大很多。這就是為什么在伺服控制，電動(dòng)車(chē)等需要低速大扭矩的場(chǎng)合不用交流電機的原因。雖然還可以通過(guò)加大轉子電阻，加長(cháng)電機減小直徑，降低轉動(dòng)慣量㈣的方法來(lái)提高加速時(shí)間，但是比起無(wú)刷直流電機，其綜合性能還是差一些。因此，只有在電網(wǎng)電壓穩定，對電機尺寸，加速時(shí)間沒(méi)有苛刻要求的場(chǎng)合，交流電機配合變頻器才能發(fā)揮其價(jià)格低，可靠性高的優(yōu)勢。