一种小功率通用变频器的设计

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摘要：采用高集成度的专用芯片SA866和智能功率模块PS21255开发了一种小功率通用变频器。试验和实际应用表明，该变频器性能好、价格低、可靠性较高。

    关键词：变频器；正弦波脉宽调制；专用集成电路；智能功率模块

引言

由于电力电子技术的飞速发展，交流变频调速已上升为电气传动的主流，正在逐步取代传统的直流传动。而从性价比的角度来看，交流变频调速装置已经优于直流调速装置。

异步电机的变频调速不仅可以实现平滑调节，还有着许多其他交流调速系统不可比拟的优点：交流变频调速在频率范围、动态响应、调速精度、低频转矩、转差补偿、通信功能、智能控制、功率因数、工作效率、使用方便等方面的优势是其他的交流调速方式难以达到的，并以体积小、重量轻、通用性强、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，深受钢铁、冶金、矿山、石油、化工、医药、纺织、机械、电力、轻工、造纸、印刷、卷烟、自来水等行业的欢迎，社会效益非常显著。

变频调速虽然在各个方面有其优势，但其早期昂贵的造价和可靠性问题使许多用户望而却步。降低造价和提高可靠性一直是交流变频调速的重要课题。

本文针对一般小功率交流异步电动机变频调速的要求，采用上世纪90年代末才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开发了一种新型通用变频器。其整?结构简洁，具有比较完善的功能，满足了空调、洗衣机等家电及小型纺织、塑料加工等工业的自动化生产线对变频器低成本、高可靠性、高性能的要求，并已经在广东、江苏等多家工厂生产中得到应用。
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1 SA866和PS21255功能介绍

1.1 SA866功能简介

1.1.1 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，保护逆变器和电机。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廉价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。

1.1.2 管脚说明

该芯片采用PLCC封装,共有32个管脚,各管脚排列如图1所示。

各管脚功能如下。

1）电源VDDD和VDDA分别为数字电源和模拟电源；VSSADC为A/D转换电源，它们接一个＋5V的电源；VSSD和VSSA分别为数字电源和模拟电源的地；VREFIN为A/D转换参考电压（＋2.5V）。

2）串行接口SDA，SCL和CS用于从EEPROM获取数据，分别为数据，时钟和片选信号。

3）控制及输出SETPOINT为频率给定端，该脚的输入电压将决定系统的工作频率；RACC和RDEC分别确定加速和减速的时间；RPHT，YPHT，BPHT，RPHB，YPHB和BPHB为桥臂脉冲信号输出，其中RPHT，YPHT和BPHT分别对应三相输出的上桥臂；RPHB，YPHB和BPHB分别对应三相输出的下桥臂；DIR控制三相顺序，该脚对应高低电平有两个方向的PWM波供用户选择。

4）工作状态选择SERIAL决定与SA866连接的是EEPROM还是微处理器，高电平表示与EEPROM连接；PAGE0和PAGE1决定采用的是EEPROM的哪一页参数。

5）保护VMON为过电压信号输入端，减速过程中此端电平若大于2.5V，就启动过电压保护动作，将输出频率固定在当前值；IMON为过电流信号输入端，升速过程中，电平若大于2.5V，内部过流保护就动作，不再继续升速，直到过流信号消失；SETTRIP为紧急停机信号，可快速禁止PWM脉冲输出；TRIP端表示禁止输出状态，低电平有效，该信号只有在复位信号RESET下才能被解除。
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    1.2 PS21255功能简介

1.2.1 功能特点

与常规的IGBT模块相比，PS21255具有如下特点：

1）内含驱动电路IPM设定了内部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，本模块采用自举电路，从而摆脱了控制电源不共地的限制，使用一个电源，即可实现方便的控制；

2）内含各种保护使内部IGBT因故障损坏的几率大大降低，这些保护包括短路保护(SC)，控制电路欠压保护(UV)等；

3）内部报警输出(FO)该信号送到控制PWM产生器，封锁脉冲输出，进而停止系统工作；

4）散热效果好采用陶瓷绝缘结构，扁平封装，可以直接安装在散热器上；

5）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。

1.2.2 管脚说明

该模块的外形及端子分布如图2所示。IPM(PS21255)模块外部端子在布局上强弱电分开，P及N为直流输入端，P为正端，N为负端；U，V，W为逆变器三相输出端；UP，VP，WP为上桥臂U，V，W各相脉冲信号输入端；UN，VN，WN为下桥臂U，V，W各相脉冲信号输入端；VP1及VPC为上桥臂工作电源输入端，VP1为正端，VPC为负端；VN1及VNC为下桥臂工作电源输入端，VN1为正端，VNC为负端；CIN为电流检测信号输入端；FO为故障输出端（低电平有效）；CFO为故障输出脉宽控制端；VUFB及VUFS为U相自举电路两端，V

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