基于SPM FSM50SM60A的壓縮機驅動(dòng)系統設計

摘要： 以智能功率模塊SPM FSAM50SM60A為核心，設計壓縮機驅動(dòng)系統。重點(diǎn)描述了自舉電路、短路保護電路和過(guò)載電路的設計。

關(guān)鍵詞： SPM；  短路保護；  自舉電路

引言

隨著(zhù)變頻空調的發(fā)展，壓縮機的驅動(dòng)問(wèn)題越來(lái)越突出，目前市場(chǎng)上的變頻空調一般功率較小，但是在一些壓縮機生產(chǎn)廠(chǎng)家，為了測試壓縮機的性能，要求變頻器的功率大、運行頻率高。功率的提高主要取決于逆變模塊，而運行頻率的提高取決于模塊所能承受的最高載波頻率，這樣逆變模塊的選取成為關(guān)鍵。

考慮到安裝的方便和成本等因素，選取Fairchild公司的二代SPM  FSAM50SM60A(智能功率模塊)，它具有超薄、高性能、高效率的特點(diǎn)[1]。本文圍繞FSAM50SM60A 在壓縮機變頻控制器中的應用設計，重點(diǎn)介紹了自舉電路、短路保護電路和過(guò)載電路的設計。
　　
壓縮機變頻控制器驅動(dòng)系統

本文介紹的壓縮機變頻控制器驅動(dòng)系統工作在220VAC，50Hz，功率5000W,輸出頻率30—240Hz，主要用于壓縮機的性能測試。系統構成如圖1所示。

圖1  控制系統框圖

反電勢采樣電路：系統在運轉過(guò)程中，需要形成速度閉環(huán)，但是由于壓縮機沒(méi)有位置傳感器，因此需要從壓縮機三相端電壓推算壓縮機的轉子位置，實(shí)時(shí)計算壓縮機的運轉速度，為換向提供依據。壓縮機的三個(gè)繞組端電壓和直流母線(xiàn)電壓經(jīng)過(guò)分壓直接送入單片機的A/D轉換部分進(jìn)行采樣。R1，R2，R3，R4，R5，R6用于對三相繞組電壓進(jìn)行分壓衰減，為了保持準確性，最好用高精度的電阻。R7，R8對于直流母線(xiàn)電壓進(jìn)行分壓衰減。為了抗干擾，采樣信號在送入單片機的A/D口時(shí)需要加一級RC濾波電路，為了在啟動(dòng)時(shí)能夠準確檢測到反電勢，RC的選取需要非常的小心，不要對反電勢造成過(guò)度衰減。

驅動(dòng)電路：由于單片機的驅動(dòng)能力有限，為了可靠運行，選用一片同相驅動(dòng)IC和RC電路組成，能夠可靠的開(kāi)通和關(guān)斷SPM內部的IGBT。RC用于去除驅動(dòng)線(xiàn)路上的振蕩。

功率電路：主要由SPM及其供電電路組成，用于驅動(dòng)壓縮機。本設計選用的Fairchild SPM具有自舉功能，電源只需要供給單路15V即可。
　　
FSAM50SM60A

FSAM50SM60A是Fairchild公司的最新SPM(智能功率模塊)，用于三相電機驅動(dòng)。具有超薄、低成本、高性能和高可靠性的特點(diǎn)。主要用于中速小功率變頻驅動(dòng)，比如空調等。SPM由32個(gè)引腳，按照功能可以分為四大類(lèi)：驅動(dòng)信號輸入，三相輸出，故障保護和電源供電，各個(gè)引腳的詳細功能請參考Fairchild公司的技術(shù)資料[2]。模塊內部集成了優(yōu)化的保護電路和IGBT驅動(dòng)電路。上橋臂由3只普通的IGBT組成，下橋臂由3只Sense —IGBT組成。內部還集成了3個(gè)HVIC，1個(gè)LVIC和1個(gè)熱敏電阻[2]。
HVIC的開(kāi)關(guān)頻率在數KHz范圍，能夠防止同一相的上下橋臂同時(shí)導通，具有較好的電壓變化率兼容性(尤其是在感性負載時(shí))，功耗低，耐壓大于600V[4]。 HVIC的集成，使模塊可以與控制芯片直接接口，不需要光耦隔離，這為電路設計提供了方便，也減小了模塊尺寸[1]。

Sense —IGBT的檢測精確度高(誤差小于8%)，故障結束后能夠自復位，成本低，體積小。SPM中的Sense —IGBT能夠實(shí)時(shí)監測IGBT中的電流，這為系統短路保護電路的設計提供了方便，而且降低了成本 [4]。通過(guò)調整與Sense —IGBT串聯(lián)的電阻的阻值，可以改變電流保護限值。模塊采用DBC技術(shù)，漏電流很??；典型開(kāi)關(guān)頻率5KHz[2]。

熱敏電阻的集成使保護電路更加完善，運行更加可靠 。
　　
系統設計

短路保護電路

SPM提供了兩種主要的保護功能，即控制電壓欠壓保護和短路電流保護。當控制電壓低于欠壓檢測電平時(shí)，內部柵極驅動(dòng)信號被阻斷，并產(chǎn)生故障輸出信號。當控制電壓高于欠壓復位電平時(shí)，故障輸出信號變?yōu)楦唠娖?，故障消除，模塊又可以按照系統設定的指令運轉。模塊的LVIC通過(guò)監視檢測電壓來(lái)監測下橋臂的集電極電流。一旦發(fā)生短路，模塊關(guān)斷內部的柵極驅動(dòng)信號并送出故障信號。這種電流監測方法不僅簡(jiǎn)單，而且成本低廉。在高于額定電流的15%的范圍內，Sense —IGBT具有很好的線(xiàn)性特性。

模塊內部設有短路保護電路，觸發(fā)電壓VSC(ref)=0.51V，當VSC引腳的電壓達到0.51V，內部保護電路觸發(fā)，自動(dòng)關(guān)斷六路波，同時(shí)VFO向單片機輸出故障信號。根據保護電流的不同，R3可以選擇不同的值，但是R3的選取和R4有關(guān)，在同一保護電流下，當R4大時(shí)，R3小，但是二者不具有線(xiàn)性關(guān)系[2]。

圖2為系統瞬時(shí)短路保護電路。虛線(xiàn)內部是模塊內部的一部分，只給出U相下橋臂的驅動(dòng)和保護原理。實(shí)際情況是U，V，W相的下橋臂在G點(diǎn)會(huì )合，通過(guò)R4流入電源地線(xiàn)。瞬時(shí)短路保護的外電路由R1，R2，R3，C1，C2 組成。

圖2  短路保護電路 

R2，C2決定短路電流故障在引腳持續的時(shí)間，一般要求R2