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1、基于PM25RL1A120的通用变频器设计丁云飞导语：本文主要介绍了使用IPM模块PM25RL1A120完成2.2Kw通用变频器的设计,重点阐述了变频器的主回路、IGBT驱动和故障处理电路、开关电源的设计。采用该方案设计完成的变频器，具有构造紧凑，体积小巧，谐波成分低，可靠性高等优点，知足市场上三相异步电机的控制需要。摘要：本文主要介绍了使用IPM模块PM25RL1A120完成2.2Kw通用变频器的设计,重点阐述了变频器的主回路、IGBT驱动和故障处理电路、开关电源的设计。采用该方案设计完成的变频器，具有构造紧凑，体积小巧，谐波成分低，可靠性高等优点，知足市场上三相异步电机的控制需要。关键字：
2、PM25RL1A120；变频器；主回路；开关电源1、序言随着电力电子、计算机等科学技术的飞速开展，变频器越来越得到人们的广泛关注，不断用于电力、冶金、纺织、钢铁、起重、印刷等行业，并成为节能，进步消费效率，进步产品质量，改善工艺流程，使设备公道化，降低设备维护工作量，改善人们的生活环境的主要技术之一。变频器技术是与人们日常生活息息相关的一种最普遍最需要的新技术，因此也是技术不断创新更新最快的领域之一。变频器的核心技术之一是电力电子技术，最具代表性的是逆变局部的开关器件,目前最先进的技术还是被欧美和日本的几个半导体器件消费商所把握。自绝缘栅极晶体管(IGBT)投入市场以后，很快成为中小功率电力电
3、子设备的主导器件，而且其电压、容量及开关频率性能还在进步。智能功率模块(IPM)是IntelligentPowerModule的缩写，是一种先进的功率开关器件，其内部集成了多路IGBT，不但具有大功率晶体管GTR的优点：低饱和电压、高电流密度和高的耐压值，还有场效应晶体管MOSFET的高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。除了以上这些优点以外，IPM模块内部同时集成了各种控制、检测和保护电路，使用起来更方便，便于产品的简单化和高度集成化。使用IPM作为变频器功率变换器件，减少了系统的开发时间，同时也大大减小了变频器的体积，另一方面增强了系统的可靠性，适应了当今电力电子产品的开展方向小型化、
4、功能复合化，使得IPM模块在电力电子领域得到了越来越广泛的应用。本文介绍一款2.2Kw通用变频器的硬件电路设计，在该设计中使用IPM模块PM25RL1Al20作为开关器件，同时具体介绍了变频器的主回路设计和开关电源的设计工作，采用IPM模块和开关电源集成到变频器中的这种设计方案，使最终的产品集成度高，体积小巧，并且IPM模块本身所具有的完善保护功能，大大进步了产品的可靠性，增加了变频器在市场上的竞争力，为公司带来宏大的经济效益。2、PM25RL1A120简介1PM25RL1A120是日本三菱公司全新推出的智能功率模块，额定电流25A，额定电压1200V，开关频率最大可以到达20kHz，知足绝大
5、多数的电力电子设备的设计要求，该模块的内部电路原理图如图1所示：图1PM25RL1A120内部电路图从该模块的系统框图中可以看出PM25RL1Al20中一共有7路IGBT，其中6路实现IGBT的导通和关断，形成交变的三相电流。另外一路IGBT用于变频器的制动电路。P-N为直流电压输入端子，实际应用中接三相整流桥整流后的直流电压(DC540V)，U、V、W是IPM的输出端子，给电机提供沟通电源；B端子用于外接制动电阻，当母线电压超过一定值时，IGBT导通，升高的母线电压通过制动电阻进展释放。4路电源：VUP1-Vupc，VVP1-VVPC，VWP1-VWPC，VN1-VNC为每路IGBT的驱动芯
6、片提供工作电源，额定值为15V；UP，VP，WP，UN，VN，WN是控制各路IGBT开关的控制端。当这些信号的电压值小于即是0.8V时，IGBT处于导通状态，大于即是9V时，IGBT截止；UFO，VFO，WFO，FO为IPM模块出现故障报警时的错误输出端，在实际的设计工作中，为了使IPM模块更平安可靠的工作，所有的故障信号经过处理后送给上位机，上位机通过这些故障信号的上下电平变化来判定模块发生了哪种故障，如温度过高、短路或过电流等。根据PM25RL1Al20的数据手册，正确判定出现何种故障的根据是根据FO信号出现电平变化所持续的时间。模块出现温度过高的报警信息时，只要模块的温度值超过允许值FO
7、信号就一直保持有效，直到温度降至复位值以下，这一动作的时间通常为十几秒。而出现短路和过电流故障时，FO信号的维持时间的典型值是2.2ms。3、变频器的硬件电路设计该变频器的设计方案采用传统的交-直-交电路23，因此其硬件电路的设计主要分成3局部：三相桥式整流电路、逆变电路以及负责整个变频器所有器件正常工作的开关电源电路。三相桥式整流电路将电网输入的工频电压经过不可控的三相整流桥整流成直流电压，由于整流后的电压是一个脉动的电压，需要使用大容量的电解电容进展滤波，然后给逆变单元提供一个平滑的直流电压；开关电源为整个变频器中的器件供电，如负责IPM工作的4路15V电压和提供应上位机正常工作所需要的5
8、V电压，模拟电路所需要的15电源。由PM25RL1Al20组成的逆变电路，是整个电路设计的核心，其设计直接影响整个变频器的性能和可靠性，在本文中主要阐述其控制电路的设计。图2为变频器的整流电路电气原理图，左边的端子输入三相沟通380V，50Hz的沟通电。Z1，Z2，Z3为三个压敏电阻，分别接于相与相之间，用于吸收来自于电网上的浪涌电压，以免变频器由于大的浪涌电压而造成的损坏。C1，C2，C3，C4为X和Y电容，用于差模和共模干扰，起滤波作用。经过EMC处理的三相沟通输入电源经整流桥整流为直流电压，并经C5C10这6个大容量的电解电容滤波后成为波形平滑的直流电压，再经无感电容吸收高频成分后作为整
9、个逆变单元和开关电源的输入电源。由于该变频器的沟通输入电压为380V，整流后的母线电压值为直流540V，并且在电机制动时，会引起母线电压的升高，最高可以到达直流800V，市场上常见的电容其耐压等级一般为400V或450V，考虑到电容的平安使用，因此需要将这6个电解电容两两串联以进步其耐压值。由于制造工艺的差异，每个电解电容的容量和绝缘电阻存在着一定的差异，会造成每个电容端的电压值不等，因此为了消除电容的离散性而设置均压电阻，利用分压原理保证使各个电容上面电压均等，同时还起到在变频器断电时给电解电容快速放电的作用。4个上电缓冲电阻使用的是负温度系数的NTC电阻，目的是限制变频器在启动经过的电流，
10、由于C5C10这些电解电容容量很大，在给变频器上电的瞬间处于短路状态，导致电路的充电电流非常大，通过增加启动电阻，保证电路中的电流缓慢上升，防止长期的电流冲击对电解电容造成的伤害，当电流值上升到一个设定值后，通过继电器将这些电阻短路，防止电流长期流过电阻造成的额外功率损耗，这些继电器的控制信号来自于上位机，变频器上电延时一定时间后，上位机发出使继电器动作的信号而将这些电阻短路。在本设计中这些电阻选择了大功率的NTC，在变频器的上电接通瞬间，NTC热敏电阻的初始阻值较大，抑制整流电路中出现的过的浪涌冲击电流，进而保护了浪涌电流对电解电容和逆变单元的冲击。传统的设计方式中限流电阻通常选择大功率的水
11、泥电阻，但是使用水泥电阻时必须考虑其散热问题，假如散热条件不好，会造成功率电阻由于温升造成电阻烧断，进而引起继电器的损坏，而本电路中选用的NTC，当电路进入正常工作状态时，热敏电阻器由于通过电流而引起阻体温度上升，电阻值下降至很小，即使继电器出现损坏也不会影响电路的正常工作。图2变频器的整流电路设计图3是IPM驱动控制电气原理图1，该控制电路的设计程度上下，直接决定变频器能否稳定、可靠工作，这里以其中一路的IGBT控制为例，讲解IGBT导通和关断的原理，其它IGBT的动作与之一样。从IPM芯片手册查询可知，IGBT低电平导通，高电平关断，因此需要将控制信号上拉至高电平，确保变频器在没有输出时，每路的IGBT处于关断状态。同时为了防止电源中尖峰电压引起IGBT的误动作，需要对每路IGBT的供电电源进展滤波。并且在PCB的布局时，必须留意这些滤波电容尽可能的靠近隔离光耦。