应用实例：高功率器件在变频电源中的应用

1.高功率器件在通用变频电源中应用实例

针对一般小功率交流异步电动机变频调速的要求，采用20世纪90年代末推出的多功能高集成度专用SPWM控制芯片SA866和智能功率模块PS21255设计的通用变频电源，具有电路结构简单、成本低和可靠性高，使所设计的变频电源具有高的性能价格比。

（1）SA866功能特点

SA866是专用于交流异步电机SPWM控制的集成电路，它除了根据设定参数产生合乎要求的SPWM脉冲外，还集成了多种保护功能，并可在紧急情况下，如短路和过载时快速关断SPWM脉冲，保护变频电源和负载。它的最大特点是可以独立运行，无须微处理器控制。它的输出频率以及加速减速频率都可由外接电位器在线连续调节。所有须定义的参数如载波频率、死区时间、最小脉宽、调制波形、v/f曲线等均存储在外接的EEPROM中，上电时自动读入SA866中。SA866有6种工作模式，与微处理器配合使用，基本做到了低价格多功能。

（2）引脚功能

该芯片采用PLCC封装，共有32个引脚，各引脚排列如图6-28所示。SA886部分引脚功能见表6-8。

（3）PS21255功能特点

图6-28 SA866引脚图

PS21255与常规的IGBT模块相比，PS21255具有如下特点：

1）PS21255模块内含驱动电路。内部驱动电路优化了内部IGBT的最佳驱动条件，驱动电路离IGBT较近，可以大大减少信号传输阻抗，且受外界干扰小，因此不需加反向偏压，同时，PS21255模块采用自举电路，从而摆脱了控制电源不共地的限制，使用一个电源，即可实现方便地控制。

表6-8 SA866部分引脚功能

2）PS21255模块集成了各种保护电路使内部IGBT因故障损坏的概率大大降低，这些保护包括短路（SC）保护，控制电路欠电压（UV）保护等。

3）PS21255模块内部报警输出（FO）信号输入到控制单元，由控制单元封锁SPWM脉冲输出，进而停止变频电源工作。

4）PS21255模块采用陶瓷绝缘结构，扁平封装，可以直接安装在散热器上，具有良好的散热效果。

5）PS21255模块的端子布局合理，便于安装强弱电的输出输入端分别安排在模块的两侧，做到尽量减少干扰。

（4）PS21255引脚说明

PS21255模块的外形及端子分布如图6-29所示。PS21255模块外部端子在布局上使强弱电分开，PS21255模块的引脚功能见表6-9。

图6-29 IPM（PS21255）模块引脚图

表6-9 PS21255模块的引脚功能

（5）硬件电路

通用小功率变频电源采用单相交流供电，经整流滤波后送入逆变桥，再由逆变桥将该直流电逆变成三相VVVF电源，以驱动电机。整个系统分为主电路和控制电路两部分。系统构成框图如图6-30所示。

图6-30 变频器系统结构框图

主电路采用二极管整流，大容量的电解电容滤波，IPM为主电路的核心部分，它包含6个IGBT构成三相逆变桥，且各有自己的驱动电路和保护电路，整个模块还有短路及控制电路欠压保护功能。它的输入可以兼容TTL电平输入。

控制电路主要有控制电源和以SA866为核心的SPWM波发生器及驱动电路构成。控制电源采用7805和7815提供直流稳压电源。SA866AE通过10位数-模转换器和外接正反向方向控制端，可实现电动机转速的连续调节和正反向切换。所有的运行参数，包括载波频率、波形、最小脉冲宽度、死区脉宽和v/f曲线等都是通过外接的EEPROM编程。由于输入电压和反馈能量都将直接反映在直流环节上，所以，整个系统的电压电流检测及保护取样均集中在直流环节。驱动逆变桥所需的PWM信号由SA866提供，经反向后送给IPM。

EEPROM选用93LC46，它只需+5V的电压即可工作。可重复地擦写10⁶次。该芯片的封装形式为DIP-8，其引脚功能见表6-10。

将需要设定的参数写入EEPROM，系统在上电时便自动从EEPROM里面将参数字读入SA866，依据所设定的参数字，系统产生相应的脉冲波形用来控制主电路中IPM的导通或关断。

（6）参数计算与设定

表6-10 93LC46引脚功能

载波频率（CFS）是外接时钟频率和一个倍率系数N的函数，N的十进制值由初始化寄存器中的一个3位的CFS字决定。载波频率f_CARR由式（6-31）决定。

f_CARR=fCLK/（512×2ⁿ⁺¹） （6-31）

式中，f_CLK为时钟输入频率，本系统所选用的晶振为20MHz。取n=1，CFS=001，实际f_CARR=（20×10⁶）/（512×2²）=9.766kHz。

输出电源频率范围（FRS）给出了输出频率的上限值，频率范围f_{R ANCE}=f_CARR×2m/384，取m=1，即FRS=（001）。死区时间t_pdy=（63-PDY）/（f_CARR×512）；PDY在0～63之间，取PDY=37=（100101）；则实际的t_pdy=（26/26.2144）5μs=4.959μs。(www.xing528.com)

经调制后SPWM的脉宽可以很小，但实际上，过小的脉宽没有用，因为时间过短，功率管还没来得及完全导通就关断了，只增加了功率管的损耗，降低了系统的效率。脉冲取消时间t_pd=（127-PDT）/（f_CARR×512）；依此公式，若定义最小宽度为3μs，实际最小脉宽为t_pd-tpdy，则tpd=7.959μs，可得PDT=85.272，取PDT=85=（1010101），因此，实际t_pd=8.01μs，脉冲最小宽度为t_pd-t_pdy=8.01μs-4.959μs=3.051μs。

SA866AE有三种标准波形供选择，即纯正弦波，正弦波带三次谐波（增强型）和带死区的三次谐波（高效型）。SA866AE的三种波形采用对称技术保证每个功率管的开通角度相同。在本应用中选用带三次谐波的正弦波作为调制波，即有：WS=（01）。

图6-31 线性VVVF曲线

v/f曲线控制FC用来确定是线性定律还是风扇定律，若设定工作在线性曲线状态，即FC=0。图6-31为SA866AE/AM所提供的线性特性。PED是一个8位参数，用来确定在频率为0时负载上的电压。如果设置PED=255，则VVVF线性特性没用。P_edestal（%）=PED×100/255，若设定初始值为10%，可得PED=25.5，取25，实际的P_edestal（%）=9.8。GRAD为一个8位二进制数，决定恒转矩区曲线的斜率，根据基频和PED值计算：GRAD=（255-PED）×f_RANGE/（16×f_base）；GRAD255，取f_base=50Hz；则有GRAD=15=（1111）。

由于线性曲线中不用KAY，在此KAY=（0000000）；A/D转换的零阈值控制参数ZTH=（00）；将上述所有参数字经统计得CHKSVM=（001）。AWS=（0000）。

由上述计算可得到参数分布表如表6-11所列。

表6-11 参数分布表

注：表中“＊”表示任意项，在写入时写成01010101

2.高功率器件在高压变频电源中应用实例

高压变频电源的主电路采用交-直-交电压型，由大功率全控型电力电子器件IGBT构成桥式逆变电路。控制电路采用脉宽调制（PWM）技术和单片微机（80196KB）控制技术。80196KB的HSO（高速输出口）产生一频率、脉宽均可调的PWM脉冲。即可有效控制逆变器输出交流电压的频率和电压的有效值。

（1）脉冲生成电路

脉冲生成电路由IGBT实现，其原理图如图6-32所示。IGBT为全可控型晶体管，既可控制其导通又可控制其关断，就相当于一个可控的开关，由控制回路发出一个脉宽和频率均可调的脉冲即可使其按要求导通或关断，从而使得直流电压被斩波而生成脉冲序列。

图6-32 脉冲生成电路示意图

IGBT的驱动电路如图6-33所示。采用了EXB841专用集成电路，它的最高运行频率为40kHz。输入信号经内部光电隔离，经光电隔离的驱动电流，最大延迟时间为1μs。驱动电路外加+20V单电源供电，由内部电阻和稳压管分压为+15V和-5V，分别作为正、负栅极电源。根据IGBT压降随集电极电流增加而增加的特性，EXB841的内部采用集电极和发射极之间电压识别法进行过电流保护。为防止栅极积累电荷，设一放电电阻R_S，阻值取4.7kΩ，同时并接两个反向串联稳压管VS1、VS2，以防止栅极和发射极间的尖峰电压损坏IGBT。

图6-33 IGBT驱动电路

栅极电阻R_G的大小，对IGBT管的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力等有不同影响。当栅极电阻R_G增大时，IGBT的开通和关断时间增加，从而使开通和关断损耗增加。当栅极电阻R_G减小时，IGBT的电流上升率di/dt增加，从而引起IGBT的误导通。R_G的选用原则是：在开通损耗不太大的情况下，选用较大的栅极电阻。一般来说，R_G可按照下列公式来计算：

R_G=5×625/I_C （6-32）

式中，I_C为IGBT集电极电流。本例中I_C=60A，所以取R_G=50Ω。

EXB841对由PWM控制电路生成的PWM数字信号，进行光电隔离，可有效地将EXB841的输出端与输入端进行隔离，提高整体抗干扰能力。

（2）控制电路

控制电路由单片机80196KB实现，与外界的接口由8279智能键盘控制芯片实现。由5个LED数码管显示。其中一个显示调整状态（0表示改变频率，1表示改变占空比），4个显示数据，其控制电路框图如图6-34所示。

图6-34 控制电路框图

8279是通用键盘/显示器接口芯片，其主要功能是接收来自键盘的输入数据，并作预处理以及数据显示管理和数据显示器的控制。80196KB的ALE在正常工作时，以固定的振荡频率被触发，因而被用作8279的外部时钟信号。8279的中断请求信号IRQ与80C196KB的相连，当有键按下时，可将该键的信号送入8279的FIFORAM（先入先出存储器）中，同时向80196KB提出中断申请。8279的C/D（A0）端用于区别DB0～DB7所传数据性质，片选信号与三八译码器的相连。因此，单片机向8279传送命令的口地址为0081H，传递数据的口地址为0080H。

80196KB将8279传送过来的数据进行处理后送至控制寄存器，用以改变PWM波脉宽和频率的数值。80196KB产生一个脉冲需要设置3个事件，前两个事件用于形成脉冲的上升沿（正跳变）和下降沿（负跳变），第三个事件作为脉冲的周期。若要产生连续脉冲，必须不断的写入这三个事件的命令和时间。HSO产生脉冲示意图如图6-35所示。两次装载HSO命令之间应间隔8个状态周期，实现一个脉冲最少需要16个状态周期，80196KB的周期在采用12MHz晶振时为0.167μs，所以其可实现的最小脉宽为16×0.167μs=2.672μs，，即最高频率为374.25kHz。其最大脉宽为2×FFFF×0.167μs=21888.69μs，最低频率为45.68Hz。

图6-35 HSO产生脉冲示意图

（3）软件设计

应用软件主要实现PWM波的输出及控制功能，其流程图如图6-36所示。开机后初始化8279键盘控制芯片以及80196KB的参数，HSO（高速输出口）产生一占空比为50%，频率为1kHz的脉冲，并设定中断向量的入口，等待键盘中断输入。待输入频率和占空比后，8279向80196KB发出中断信号转入中断服务程序。

图6-36 程序流程图

80196KB先通过设置的判断字，判断输入值为占空比还是频率，然后将其写入相应的控制寄存器内以改变占空比或是频率。然后通过8279驱动LED数码管显示该数字，然后打开中断等待下一次输入。