变频器原理与设计.docx

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1、变频器原理与设计随着电力电子技术、计算机技术和超大规模集成电路技术的快速发展，变频调速系统趋向数字化和高集成度方向发展。传统的分立元器件逐渐被高可靠性的集成元器件所代替：一方面可以减少设计电路的元器件的数量，提高设计效率和缩短开发周期，另一方面，可以大大提高系统的可靠性。因此，集成元器件的应用越来越广泛。在变频调速系统如工业洗衣机，变频家电等控制系统中，功率驱动器件是必不可少的，智能功率模块（ipm）就是一个典型的高度集成的功率驱动器件，由于其体积小、集成功能多、成本低、可靠性高和使用方便等诸多优点，在中、小功率交流变频调速器中已大量使用。本文对单电源ipm模块在变频调速控制器中

2、的应用进行详细的阐述，并结合具体的应用系统给出其典型应用。2单电源ipm模块结构和工作原理　2.1ipm模块的一般特点　　　ipm模块作为功率集成电路产品，它使用表面贴装技术将三相桥臂的六个igbt及其驱动电路、保护电路集成在一个模块内，除了具有驱动功能外，还具有很多保护功能，与传统分立igbt或模块相比，其具有体积小、功能多、可靠性高、价格便宜等优点。ipm模块一般具有以下特点：　　（1）内含驱动电路;　　（2）内含过电流保护（oc）、短路保护（sc）;　　（3）内含驱动电源欠压保护（uv）;　　（4）内含过热保护（oh），过热保护是防止igbt、续流二极管（frd）过热的保护

3、功能;　　（5）内含报警输出（alm），alm是向外部输出故障报警的一种功能，当oh及下桥臂oc、uv保护动作时，通过向控制ipm的微机输出异常信号，能即时停止系统。对于具体不同型号的ipm，其内部所集成的功能可能有所差异。　　2.2单电源ipm模块的结构和工作原理ipm模块正常工作时，需要提供驱动电源。现在普遍使用的ipm模块一般需要提供四路独立的电源，目的是防止其内部上、下桥臂发生直通短路现象，但随着功率器件集成技术发展，一些生产厂家，如日本三菱，日本东芝，美国仙童等，采用自举电源技术，推出单电源ipm模块，使得只需给ipm提供一路驱动电源，这为实现变频调速系统共地提供了可能

4、。单电源dip-ipmps21255-e的内部电路如图1所示单电源ipm模块的结构原理图在图1中，hvic1～hvic3驱动三相桥臂的上管，lvic驱动三相桥臂的下管。其中，hvic1～hvic3中集成了输入pwm信号整形电路、电平移位电路、欠压保护电路、igbt驱动电路，其结构示意图如图2所示。hvic内部结构原第四代ipm模块的最大的特点就是实现了单电源驱动，其核心技术就是驱动电源采用自举电源技术和电平移位电路，其原理示意图如图3所示。工作原理分析如下：当输入脉冲信号为“1”时，经过脉冲鉴别器确认，且此时无欠压发生，闩锁逻辑电路上端输出为“1”，下端输出为“0”，此时，t1管

5、导通，t2管关断，igbt1的门极驱动电压为+15v，igbt1导通，igbt2关断;反之，当输入脉冲信号为“0”时，igbt1关断，igbt2导通。自举电源由图3中的电阻r1、自举二极管d1和自举电容c1组成，当下桥臂igbt2导通时，自举电容c1通过r1和d1充电，这里必须保证c1首次充电时，igbt2导通一定的时间，使得c1充电充分，这样c1两端的电压保持为+15v，足够驱动上桥臂的igbt1，通过这种自举电源技术，允许igbt1的源端在p、n之间浮动。由于采用自举电源来驱动上桥臂的igbt，所以这里要求满足一个条件，即在开始工作之前，必须使下桥臂开通足够长的时间（≥200

6、μs），以便让自举电容充分充电。自举电源和电平移位电路原理图3ipm模块参数的确定　　在系统硬件设计时，为了保证ipm长期安全可靠地工作，选择和使用ipm模块时，应当根据系统实际情况对ipm模块以下几个参数进行正确选择：　　（1）ipm模块igbt的最大耐压值vces，该值一般按略大于直流电压的两倍选择，如直流侧电压为300v，则选择ipm模块的igbt耐压值在600v左右;　　（2）ipm模块igbt的额定电流值ic及集电极峰值icp，icp的选择应根据电动机的峰值电流而定，而电动机的峰值电流应由电动机的额定功率、电动机效率、电动机的线电压、功率因数等因素有关;　　（3）igb

7、t的开关频率fpwm，这主要根据系统设计需求而定，尽可能选择留有一定余量的igbt;　　（4）在应用时必须注意ipm的最小死区时间tdead，软件设计中死区时间不能小于最小死区时间tdead;除了上述主要参数以外，还有其他一些参数也需要考虑，如igbt的最大结温tj等，为了igbt的长时间正常工作，必须使ipm有良好的散热条件，如通过散热器和强冷风扇散热等。ipm模块参数的选择，主要依赖于具体的应用系统，只有正确选择ipm模块和相关的元器件，才能设计出可靠的系统。4单电源ipm模