教你如何读懂变频器开关电源电路图

1、振荡回路：开关变压器的主绕组N1、Q1的漏--源极、R4为电源工作电流的通路；R1提供了启动电流；自供电绕组N2、D1、C1形成振荡芯片的供电电压。这三个环节的正常运行，是电源能够振荡起来的先决条件。

当然，U1的4脚外接定时元件R2、C2和U1芯片本身，也构成了振荡回路的一部分。

2、稳压回路：N3、D3、C4等的+5V电源，R7—R10、PC3、R5、R6等元件构成了稳压控制回路。

当然，U1芯片和1、2脚外围元件R3、C3，也是稳压回路的一部分。

3、保护回路：U1芯片本身和3脚外围元件R4构成过流保护回路；N1绕组上并联的D2、R6、C4元件构成了IGBT的保护电路；实质上稳压回路的电压反馈信号——稳压信号，也可看作是一路电压保护信号。但保护电路的内容并不仅是局限于保护电路本身，保护电路的起控往往是由于负载电路的异常所引起。

4、负载回路：N3、N4次级绕组及后续电路，均为负载回路。负载回路的异常，会牵涉到保护回路和稳压回路，使两个回路做出相应的保护和调整动作。

振荡芯片本身参与和构成了前三个回路，芯片损坏，三个回路都会一齐罢工。对三个或四个回路的检修，是在芯片本身正常的前提下进行的。另外，要像下象棋一样，用全局观念和系统思路来进行故障判断，透过现象看本质。如停振故障，也许并非由振荡回路元件损坏所引起，有可能是稳压回路故障或负载回路异常，导致了芯片内部保护电路起控，而停止了PWM脉冲的输出。并不能将和各个回路完全孤立起来进行检修，某一故障元件的出现很可能表现出“牵一发而全身动”的效果。

变频器主电路设计原理及电路图奉上，纯干货，不学就亏了

各种类型的变频器因器在交流调速领域广阔的应用前景自从问世以来就一直是各方面研究的重点和方向。本文设计了一种新型全数字化三相SPWM变频器，整流部分采用二极管不可控整流，电路结构比较简单可使功率因数接近1。逆变器采用三菱公司提供的智能功率模块PM25RSB120（Intelligent Power Module），它包含了IGBT芯片及外围的驱动和保护电路。

在控制部分以英国MITEL公司的专用集成芯片SA866为控制核心，同时使用外部EEPROM将参数直接写入其中，无需其它处理器配合，充分利用其外围电路简单、具有多种波形选择的特点。驱动电源采用JS158，它是专为设计逆变装置而又使用IPM的嵌入式系统级开关电源，具有9路输出，8路隔离输出，电流强劲，输入电压范围宽，保护全等优点。为了增强抗干扰能力和保护控制电路，在设计中还设置了隔离和过流保护单元。

1.变频器主电路设计

1.1变频器硬件系统总体框架

1.2整流环节设计

1.2.1整流环节概述

常整流电路可分为可控整流和不可控整流。可控整流可以使系统的功率因数接近1，并且具有较小的纹波，频率高，可降低较小幅值的滤波电容。但是采用可控整流电路会使得系统成本上升，并且控制电路复杂。

在本系统中，我们采用了三相二极管不可控整流，采用它无需控制电路驱动，电路简单、可靠，成本低，缺点就是纹波较大，需采用较大幅值的滤波电容.

1.2.2整流二极管参数的选择

AC/DC整流电路由不可控整流环节、中间滤波环节构成。假如电动机参数如下，整流二极管参数:

A:通过二极管的峰值电流:

B:流过二极管的电流有效值:

C:二极管电流额定值:

考虑滤波电容充电电流的影响,须留较大的电流余量,选用Ie=10A

D:整流二极管电压定额:

1.2.3滤波电容参数

当没有滤波电容时,三相整流输出平均直流电压为:

加上滤波电容后,VDC的最大电压可达到交流线电压的峰值

滤波电容值理论上越大越好，考虑到价格和体积，选用耐压为80OV,电容量为1100uf的电容。在整流电路后面，我们并一个大电容的作用主要有两个:

〔1) 滤平全桥整流后的电压纹波;

(2) 当负载变化时，使直流电压保持平衡。

为此我们在实际应用中采用的电容值是1100uF/800v，在变频器停止工作后由于电容容量较大，如果没有泄放回路的话，储存的能量释放很慢，往往达数分钟之久。为此我们在电容两端并联了一个2OOK/6W的电阻，构成一条泄放回路，使得电荷能较快泄放。

1.3变频器中逆变部分设计

1.3.1逆变器件的选择

逆变电路中，我们选用的是三相全桥逆变电路，在逆变器中，我们选择的开关器件为IGBT。绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，因此，可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因而，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。IGBT的等效电路如图2一3所示。由图2一3可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为OV，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

但是在实际电路中，大功率、高频率的开关操作动态条件非常苛刻，功率电路，缓冲电路还有门极驱动电路必须合理设计，使IGBT能够承受di/dt和dv/dt的极限值。如果功率电路漏感不够小、缓冲电路吸收不充分，瞬态过电压就会发生.合理的布局对于IGBT的可靠性和工作效率是非常重要的。哪一个环节没有设计好都会影响这个电路的正常工作，甚至将器件损坏。智能功率模块IPM则大大降低了以上问题影响系统正常工作的可能性。IPM是一种将高速、低损耗IGBT及其最佳门极驱动和保护电路集于一体的功率模块。在本篇毕业论文设计中所采用的就是日本三菱公司生产的IPM(PM25RSB120)。

1.3.2 IPM的参数选择

为了选用合适的IPM用于变频器，要根据电动机的功率计算其最大峰值电流Ic再参考该型号元件和过流保护(OC)的动作数值来选用。电动机最大峰值电流可由下式计算:

在上公式中,P——电动机功率(w)

K1—— 变频器电流最大过载倍数

K2 —— 电流纹波系数

—— 变频器的效率

—— 功率因数

——交流电电压

在本处，电源为380V交流，电动机功率为2.2KW,K1=150%,K2=120%, η=0.9,cosǿ=0.76，则电动机的峰值电流:

为此我们选用三菱公司的IPM器件PM25RSB120，其过载电流为(OC)为62A,该模块内部有7只IGBT单元，每只IGBT的额定集电极电流是25A,额定集电极一射极电压是1200V，完全可以满足我们的要求.

1.3.3 PM25RSB120功能特点及内部电路

A:下面结合PM25RSB120的内部结构图来说明其原理和保护功能。如下图所示其中六只IGBT反并联续流二极管后连接成三相全桥电路。每一只IGBT都有相应的隔离驱动电路，所有驱动信号必须隔离再进入模块，并且要给上桥臂每一个驱动模块提供单独的隔离直流电源，下桥臂共地，可共享一个直流电源。每一驱动电路都有完善的自动保护功能。为避免过压损坏或欠压保护触发，控制电源应调整在15V土10%范围内。这些保护是:

1、低电压闭锁 IPM的内部控制电路需要15V直流电源。当这个电某种原因低于电压阀值13.5V时，驱动电路自动闭锁，并且发出故障信号Fo通知主控电路。一些短时间的电压毛刺将被保护电路忽略，因为它们并不影响驱动电路的运行。控制电压直到上升至复归阀值13.5V时，驱动电路才又开始工作。

2、温度保护 IPM内部有一个固定在底盘IGBT器件附近的温度传感器。当模块温度超过阀值125℃时，无论输入信号是什么，驱动电路将自动闭锁同时发出故障信号Fo。直到模块温度下降到复归阀值100℃并且控制信号为高电平（IGBT关断)时IPM才重新开始工作

3、过流保护 IPM使用电流传感型IGBT对模块进行在线监测。如果通过IPM的电流超过过电流阀值62A且持续时间为1Ous以上，保护电路将闭锁门极驱动并产生故障信号Fo。这段持续时间是为了避免通过IPM的瞬时电流尖峰造成保护误动。

4、短路保护 如果发生短路，电流超过短路电流阀值101A ，保护将立即动作并发信号Fo；

B: PM25RSB120引脚功能及隔离电路

PM25RSB120有19个控制引脚(有一个空脚)，可分为相互隔离的四组:

U相上桥臂 :VUPI/VUPC一电源输入，UP一控制信号输入，UFO一故障信

号输出。

V相上桥臂 : VVPI/VVPC一电源输入，VP一控制信号输入，VFO一故障信号输出 。

W相上桥臂 : VWPI/VWPC一电源输入，WP一控制信号输入，WFO一故障

信号输出。

三相上桥臂 : VNI/VNC一电源输入，UN,VN,WN一控制信号输入，FO

故障信号输出。

以上电源输入中:三个上桥臂各需要一路隔离15土1.5V / 34mA直流电源，下桥臂共需要一路隔离15土1.5V/100mA直流电源。输入控制信号是反向的，即给输入引脚P加0-0.8V以下的电压时，对应的IGBT导通:给输入引脚P加4.OV-15V的电压时，对应的IGBT关断。故障输出为IOmA下拉电流信号，最小持续时间为1.8ms上面讲到了PWM信号进入IPM之前必须要进行隔离，同理故障输出信号Fo也必须要隔离后才能送到主控板。图2-5为IPM上桥臂接口电路图，

下桥臂接口电路大致相同。PWM信号隔离光耦采用东芝公司的高速光耦6N136，速度可达1Mb/s，在共模电压为1500V时，其共模抗扰度(Common Mode Noise Im munity)可达15kV/us。为了保证IGBT功率电路的可靠运行.光耦的共模抗扰度至少要在IOkV/us以上。要注意IPM模块的输入逻辑是反向的，所以光耦OPT1应接上拉电阻到15V使输出反向。

而且这样接线时，如果主控板过来的信号线由于某种原因断线，对应IGBT将截至。控制输入端的上拉电阻应该足够小已避免输入端高阻抗拾取噪声，又要足够大，以保证高速光晶体管在最大VIN(ON)时仍能靠的控制IPM.故障输出信号和制动输入信号采用普通的低速光耦PC817就可以了。IPM故障输出为大约1OmA左右的下拉电流信号。因此OPT2的初级不需要串接电阻，直接并在15V和故障输出端Fo两端。

同时IPM的控制电源端子应接一个至少10uF的退耦电容，这个电容帮助滤掉控制电源的共模噪声并提供IPM驱动电路的所需的大电流脉冲。为了减小接口电路板的尺寸，提高接口电路的可靠性，电源采用专门定做的DC/DC模块（JA158）。该模块的隔离绝缘电压可达2500V，有9路输出电压，8路隔离输出，足够IPM驱动电路和控制芯片所需了。

IPM接口电路较简单，但一定要注意其PCB的布局。尽量不要让光藕的初级和次级布线靠得太近或者在上下两层间交叉。各桥臂DC/DC模块的电源布线要尽量靠近IPM控制 引脚，不要互相靠近。PCB布线要尽可能短，多地方要布屏蔽地层。

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