PM25RLA120外圍接口線路設(shè)計

嚴(yán)海龍

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350116)

PM25RLA120外圍接口線路設(shè)計

嚴(yán)海龍

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350116)

簡單研究了電機(jī)變頻調(diào)速用IPM的選型方法，介紹了三菱L系列智能功率模塊PM25RLA120的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外圍接口框架。設(shè)計了一套以DSP作為主控芯片的PM25RLA120外圍接口線路，該線路含蓋驅(qū)動電路、保護(hù)電路、吸收電容、電源模塊等，能夠適用于額定功率為3.7kW及以下的三相異步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。

變頻調(diào)速；IPM選型；PM25RLA120；驅(qū)動電路；保護(hù)電路

1 引言

交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及實現(xiàn)得利于電力電子器件的向前發(fā)展，每一時代的主流逆變器件都促成了以其為代表的變頻器的出現(xiàn)[1]。目前，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最多的是IGBT和IPM，與單個IGBT開關(guān)管相比，IPM有著眾多的優(yōu)越性，其主要以IGBT為基本功率器件，包含多個IGBT芯片的同時也集成了IGBT保護(hù)電路和驅(qū)動電路。模塊化的操作降低了元器件所需數(shù)量，減小了系統(tǒng)體積；集成化也提高了系統(tǒng)可靠性，減少了故障發(fā)生率，另外也減少了客戶的開發(fā)時間，因此綜合性價比已趕上IGBT，有著很好的經(jīng)濟(jì)性。

本文采用三菱L系列智能功率模塊PM25RLA-120作為逆變器件，設(shè)計了一套完整的IPM外圍接口線路，能夠適用于額定功率為3.7kW及以下的三相異步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。

2 交直交變頻調(diào)速主電路

典型的電壓型交直交變頻器方案見圖1所示，即主電路由整流電路、直流濾波電路、逆變電路，以及限流單元、制動單元、吸收電容等組成。

圖1 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路

3 IPM及其吸收電容的選型計算

逆變電路的作用是將直流側(cè)電壓變成三相交流電帶動電機(jī)，逆變電路是整個電路的核心，通過控制開關(guān)管(圖1中T1～T6)的適式導(dǎo)通與關(guān)斷來達(dá)到變壓變頻的目的，從而實現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速。為了節(jié)約成本以及提高系統(tǒng)可靠性，本設(shè)計采用功能強(qiáng)大的智能功率模塊(IPM)，IPM不僅集成了逆變橋本身電路，還包含了開關(guān)管的驅(qū)動電路和保護(hù)電路。

IPM內(nèi)單個IGBT承受的最大電壓為：

(1)

式中，UDC為主電路直流側(cè)母線電壓。

考慮一定的安全裕量，則IPM額定電壓選擇：

UIPMN≥(2～2.5)UM=1074～1342V

(2)

IPM額定電流選擇：

(3)

式中，IN為電機(jī)額定電流，3.7kW異步電機(jī)可約取6A；δ為電流脈動系數(shù)，可取1.2；λ為變頻器最大過載系數(shù)，可取2。

則：

(4)

因此，可選三菱公司的第五代智能功率模塊PM25RLA120型號(額定電流為25A，額定電壓為1200V)。

吸收電容(圖1中C5)的作用是為了控制IGBT關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管恢復(fù)浪涌電壓。實際電路中因為具有一定的寄生電感，當(dāng)逆變橋的某個IGBT關(guān)斷時，該寄生電感產(chǎn)生的電壓Ldi/dt與母線電壓疊加后以浪涌的形式加到這個IGBT兩端，嚴(yán)重的話可能會超過IGBT的反向峰值電壓VCES，導(dǎo)致IPM損壞。而當(dāng)續(xù)流二極管恢復(fù)時同樣也會產(chǎn)生類似的浪涌電壓，為了解決這一問題，一方面需要在設(shè)計電路及PCB板時盡量減少回路的寄生電感，減小Ldi/dt；另一方面則需要采取浪涌電壓吸收電路。根據(jù)三菱電機(jī)IPM應(yīng)用手冊，可以總結(jié)出三菱第五代IPM的吸收電容大致選型方案，見表1。本文吸收電容選用美國CDE無感電容，型號為941C12P22K(0.22μF/1200V)，并且將吸收電容直接安裝在IPM的P-N接線端子上，而不布置在PCB板上，以更好得控制浪涌電壓。

表1 吸收電容的選擇

4 PM25RLA120外圍接口電路設(shè)計

PM25RLA120隸屬三菱L系列智能功率模塊，“PM”代表智能功率模塊(IPM)，“R”代表內(nèi)部包含7個IGBT開關(guān)管(逆變器部分有6個，制動單元有1個)，“L”代表系列號，“A”代表主電極是螺栓式(區(qū)別：“B”代表主電極是針式)，“25”代表內(nèi)部逆變器部分的IGBT集電極電流額定值為25A，“120”代表內(nèi)部逆變器部分的IGBT集電極與發(fā)射極間電壓的額定值為1200V。它不僅集成了功率開關(guān)器件，還將驅(qū)動電路及保護(hù)電路也集成在內(nèi)。作為功率變換的應(yīng)用，開關(guān)頻率可以達(dá)到20kHz，廣泛應(yīng)用于通用變頻器、伺服驅(qū)動器及其他電機(jī)控制領(lǐng)域。其輸入/輸出端子列表見表2。其中，UP、VP、WP、UN、VN、WN、UFO、VFO、WFO、FO、Br都是低電平有效。

表2 PM25RLA120輸入/輸出端子列表

圖2所示的是PM25RLA120的外圍接口電路框架圖，由于PM25RLA120內(nèi)部已經(jīng)集成了IGBT驅(qū)動電路，所以外圍接口電路只需提供相應(yīng)的控制電源、PWM控制信號、電氣隔離裝置以及電氣保護(hù)環(huán)節(jié)等。

4.1 PM25RLA120隔離電源設(shè)計

控制電源總共需要四組且必須互相隔離，其中三組分別供給U、V、W相上橋臂器件，另一組則供給U、V、W相下橋臂器件和制動單元開關(guān)管。PM25RLA120對控制電源的要求較高，推薦四組控制電源電壓為15V，且變化幅度在±1.5V之間。因為當(dāng)控制電源電壓低于13.5V時，PM25RLA120會作低壓處理，發(fā)出欠壓保護(hù)故障信號，使得DSP封鎖PWM信號輸出；而當(dāng)控制電源電壓高于16.5V時，則會有損壞PM25RLA120內(nèi)部器件的危險。

圖2 PM25RLA120外圍接口電路框架

四路15V隔離電源可通過三菱公司為IPM系列提供的專用電源轉(zhuǎn)換模塊JS159。本文采用另一種簡單方案，即通過變壓器—整流—穩(wěn)壓的思路獲得各路電源，見圖3圖。雖然這樣獲得的性能比專用電源轉(zhuǎn)換模塊稍差，但能較大幅度地減小成本。圖3給出的是其中一路15V電源的設(shè)計電路，其他各路電源與此相同。四路15V電源必須采用各自的輸入端變壓器，以實現(xiàn)電氣隔離的作用。

圖3 控制電源電路

4.2 PWM驅(qū)動信號輸入電路設(shè)計

圖2中，六個橋臂所對應(yīng)的光耦器件起著隔離主電路與控制電路的作用，防止電氣干擾。這六個光耦器件必須采用高速光耦，以保證較小的信號延遲，可以采用HCPL4506、HCPL4504等，本文中采用的是HCPL4504，如圖4所示。應(yīng)當(dāng)注意的是，為了防止干擾，HCPL4504輸入端NC引腳最好都接地，不應(yīng)懸空，而輸出端NC引腳最好都接電源正端。

與四個故障信號輸出端對應(yīng)的光耦器件可以選用高速光耦，也可以選用低速光耦。為了節(jié)約成本以及減小系統(tǒng)復(fù)雜性，選用低速光耦即可，如本文中采用的是PC817低速光耦。制動控制信號輸入端Br對應(yīng)的光耦器件也是類似。

控制電源和IPM之間必須接入旁路電容和濾波電容(見圖4)，前者是為了防止高頻干擾，后者是起著平穩(wěn)電壓的作用。本文中，旁路電容選用0.22μF陶瓷電容，濾波電容選用22μF/50V電解電容。

圖4 隔離電路

PWM控制信號可以由DSP的PWM輸出信號直接供給HCPL4504輸入端所得，見圖5(a)所示，此時DSP的PWM輸出引腳處于拉電流狀態(tài)。而圖5 (b)所示的則是PWM控制信號的另一種獲得方法，此時DSP的PWM輸出引腳處于灌電流狀態(tài)。由于拉電流狀態(tài)時DSP引腳的輸出電流幅值有限，帶負(fù)載能力較弱，因此采用灌電流方式比較理想。

圖5 PWM控制信號的輸入

4.3 PM25RLA120電氣保護(hù)電路設(shè)計

PM25RLA120內(nèi)部包含了過流保護(hù)(OC)、短路保護(hù)(SC)、過溫保護(hù)(OT)和控制電壓欠壓保護(hù)(UV)等功能，當(dāng)某一時刻發(fā)生其中的任何一種故障，PM25RLA120就會自動封鎖門極驅(qū)動，關(guān)斷IPM，并且將相應(yīng)的故障信號輸出端變成低電平。但是PM25RLA120內(nèi)部的保護(hù)功能是非保持性的，即當(dāng)有故障發(fā)生時，PM25RLA120會自動開啟內(nèi)部保護(hù)功能一定時間tFO，之后如果故障仍然沒有消除，則PM25RLA120會再次進(jìn)入內(nèi)部保護(hù)功能，如此反復(fù)動作。然而即使是短時的故障都會使PM25RLA120處于嚴(yán)重的惡劣環(huán)境下，反復(fù)的內(nèi)部保護(hù)功能不能完全保證PM25RLA120的安全運(yùn)行。因此，需要增加外部的保護(hù)電路來提高系統(tǒng)的可靠性，如圖6所示。

圖6 PM25RLA120外圍保護(hù)電路

系統(tǒng)正常運(yùn)行時，UFO、VFO、WFO、FO都保持高電平，此時，PDPINTA(連接DSP的功率驅(qū)動保護(hù)引腳)也保持著高電平；當(dāng)有故障發(fā)生時，IPM內(nèi)部保護(hù)功能啟動，且相應(yīng)的故障信號輸出端UFO/VFO/WFO/FO變成低電平，這樣PDPINTA得到一個下降沿信號，使得DSP自動進(jìn)入功率驅(qū)動保護(hù)狀態(tài)，封鎖所有PWM信號輸出(軟件上要開啟功率驅(qū)動保護(hù)中斷使能)。當(dāng)時間tFO過后，雖然IPM會退出內(nèi)部保護(hù)功能，相應(yīng)的故障信號輸出端也恢復(fù)高電平，但是DSP卻會一直處于功率驅(qū)動保護(hù)狀態(tài)，直到人為重啟系統(tǒng)，這樣即可避免故障排除之前IPM的不安全運(yùn)行。

5 實驗驗證

圖7所示是A相上橋臂DSP輸出PWM信號(DSPPWM1)與PM25RLA120輸入PWM信號(UP)的對比，亦即PM25RLA120外圍接口線路的輸入PWM信號與其輸出PWM信號的對比。其他五個橋臂的波形情況均與此類似(為不贅述，未給出其他五個橋臂的波形情況)。由圖7可知，若不考慮光耦器件等造成的信號延遲誤差后，本文所設(shè)計的PM25RLA120外圍接口線路可以很好地將DSP的信號進(jìn)行準(zhǔn)確無誤地放大與隔離后送給PM25RLA120，即實現(xiàn)了電機(jī)調(diào)速用IPM外圍驅(qū)動線路的設(shè)計。

圖7 外圍接口電路輸入與輸出PWM信號的對比

6 結(jié)論

本文研究了交流變頻調(diào)速用IPM及其匹配吸收電容的選型方案，設(shè)計了PM25RLA120外圍接口線路，包括四路隔離電源、PWM驅(qū)動隔離線路、IPM保護(hù)電路等，所設(shè)計的電路能夠滿足額定功率為3.7kW及以下的三相異步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)需要。DSP輸出PWM信號與PM25RLA120的輸入PWM信號的對比結(jié)果，驗證了所設(shè)計線路的可行性。

[1] 趙澤生.基于DSP的通用變頻器研究[D].山西：太原理工大學(xué)，2007.

[2] K L Shi,L Hui.Optimized PWM strategy based on genetic algorithms[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2005,52(5):1458-1461.

[3] Wu F,Duan J,Feng F.Modified single-carrier multilevel sinusoidal pulse width modulation for asymmetrical insulated gate bipolar transistor-clamped grid-connected inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,8(8):1531-1541.

[4] 嚴(yán)海龍，王榕生.新型線性組合采樣法SPWM諧波數(shù)值分析[J].電氣技術(shù)，2012，13(9)：61-64.

[5] 李廣海，葉勇，蔣靜坪.IPM驅(qū)動和保護(hù)電路的研究[J].自動化與儀器儀表，2003，3(12)：43-45.

Design of Peripheral Interface Circuit for PM25 RLA120

YANHai-long

(College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350116，China)

This article firstly studied the selection methods of IPM on the speed control of motor.Then it introduced the internal structure and peripheral interface framework of PM25RLA120.Lastly,a set of peripheral interface circuit for PM25RLA120 was designed in this paper,which is based on DSP as the main chip.The circuit contains the drive circuit,protection circuit,absorption capacitor,power supply module.It can be applied to the speed control system of three-phase induction motor,and the power of the motor can be a rating of 3.7kW and below.

frequency control system;IPM selection;PM25RLA120;drive circuit;protection circuit

1004-289X(2016)05-0030-04

國家自然科學(xué)基金(61304260)

TM921

B

2016-04-11

嚴(yán)海龍(1987-)，男，江西贛州人，福州大學(xué)助理實驗師，碩士，主要從事電氣傳動技術(shù)的研究。