变频器主电路选型

通用变频器综合设计
1、设计一个采用二极管整流桥和IGBT的交-直-交电压型变频器主电路，并选择主要元器件的参数。

输入电压范围： 380~480V（正负10%），输出功率11kw（当输出电压为380V时），功率因数75
ϕ，采用三相SVM PWM，fs=1~15kHz。

.0
cos=
（1）选择整流桥和IGBT（EUPEC或三菱均可），根据三菱或EUPEC网站上的程序，计算整流桥和IGBT模块的结温、使用寿命：计算做热Ta=40o C的Rthc-a，选择自冷或风冷情况下的变频器的散热器。

（2）Udmax=800V，选择电解电容的耐压和容量，计算电解电容的寿命，自己查资料，如EPCOS、CDE（无感电容）、BHC等。

2、设计上述变频器的保护方案（原理框图，各环节的设计依据，电路框图，主要参数）
（1）选择三个输出交流侧霍尔电流传感器的过电流、过载保护方案，设计相应的保护电路（HL传感器，电流放大滤波通道，A/D转换参考电压为5V）。

（2）设计IGBT直通保护和输出短路保护（相间，对地），可选择用带保护的驱动IC实现。

（3）直流侧的电阻能耗制动电路，给出一种软件或硬件控制方案。

（制动点的选择）
（4）直流侧过电压保护的硬件电路
根据题目要求，本系统主电路可用三相二极管不可控桥式整流电路、中间直流环节和三相IGBT桥式逆变电路三部分组成，实现交-直-交电压型变频器的功能，其拓扑结构如图1所示。

图 1 交—直—交电压型变频器拓扑结构
AC-DC-AC主电路主要包括：整流电路、滤波电路、制动电路以及逆变电路。

整流侧采用三相不可控二极管整流桥将交流电整流为直流电，这样功率因数接近于1。

由于不控整流出来的电压是脉动的，需要经过滤波电路后供给逆变电路，所以直流侧电容起稳压和滤波的作用。

因为考虑到电动机的回馈能量，防止直流侧电压升高，加入能耗制动电路，逆变桥采用三相桥式结构。

图中，在直流侧电容前接入了一个与限流电阻相并联的开关，这是由于电容的电容量很大，当合闸突加电压时电容相当于短路，将产生很大的充电电流可能会损坏整流二极管，为了限制充电电流，可以采用限流电阻和延时开关组成的预充电电路对电容进行充电，当电源合闸后延时开关延时数秒，此时通过电阻对电容充电，当电容电压升高到一定值后，闭合开关将限流电阻短路，避免正常运行时的附加损耗。

一、整流逆变元件参数及热设计
1.1 主电路元件选择及其参数
1.1.1 整流二极管的选型
a ．确定电压值U
整流二极管的耐压按下式确定，取波动因数为1.1，取α=2倍的安全裕量，则
α1.12⨯⨯≥AC U U
式中，AC U 是电源线电压值（AC U =380~480V ）
V U U AC 149321.124801.12=⨯⨯⨯=⨯⨯≥α
b ．确定电流值I
整流二极管峰值电流按下式确定，取波动因数为1.1，则其峰值电流的计算公式为
3*)(*2**rmsV U P
I AC p αβη=
式中，P I 为整流二极管的峰值电流；P 为电动机功率；α=1.1，为纹波因数；β=2，为过载率；η=0.75，为电动机效率。

计算得
A ===32.693
*3802.1*2*2*75.0110003*)(*2**rmsV U P
I AC p αβη 直流环节电压
c ．选择产品型号
按计算结果选择，最后确定选择英飞凌公司的DD89N 作为二极管整流模块，该元件主要性能参数如下：RRM U = 1600V ，FAVM I =89A 。

利用英飞凌网站上的计算软件计算得出热损耗为如图2所示。

图2 英飞凌计算软件的计算结果
1.1.2 IGBT模块的选型
同整流电路相反，逆变器的作用是在所确定的时间里有规则地使六个功率开关器件导通、关断，从而将直流功率变换为所需电压和频率地交流输出功率。

逆变部分主要由IGBT构成。

逆变电路设计的关键是要选择合适的IGBT模块。

a．确定电压值U:
我们在《三菱第五代IGBT应用手册》上可以发现，通常输入AC
电压和器件额定电压的关系表如下所示：
由此可以选择IGBT 模块的耐压值为1200V 。

b ．确定电流值I
在选择整流模块时，我们计算得出峰值电流A =32.69p I ，由于流过IGBT 模块的电流可以近似认为与整流模块的电流相同，因此，可以认为A I I p C 32.69==。

c ．选择产品型号
按计算所得结果选择，最后IGBT 选择三菱公司的CM75MX —24A 模块，该模块的主要性能参数如下：1200V =CES V ,A 75=C I 。

1.2 IGBT 模块的结温计算和寿命估算
1.2.1 结温计算 根据23cos o o i u ϕ
=⨯⨯可以得出63o i =A ，考虑最严酷的运行条件，利用三菱公司网站上的计算软件得出的计算结果如图3所示：
图 3 功耗计算结果
1.2.2 使用寿命估计
寿命的估算要考虑到两种工作模式及其有效使用寿命。

工作模式1：外壳温度变化很小，但结温变化频繁。

此工作模式下的寿命又称功率循环寿命，其寿命曲线如图4所示。

由图3可以看出，IGBT 模块的结温C T j ︒=∆18.27。

考虑1%的故障率，由图4可以得出功率器件的循环次数为7102⨯次，从而可以计算
出IGBT 模块的使用寿命为635.010
15.310277
=⨯⨯年
图 4 功率循环曲线
工作模式2：系统从启动到停止期间温度稳定变化，其热循环曲线如图5所示。

图5 热循环曲线
假设室温为C ︒25，工作中最大上升到C ︒85，所以C C C T c ︒=︒-︒=∆602585,查表之后约为20000次。

假定每天开关机两
次，所以寿命约为：4.27365
220000=⨯年。

综上考虑，变频器的寿命应取两者较小的，所以约为0.635年。

1.2.3 散热器的设计
散热器的设计需要计算出)(a f th R -，然后选择散热器。

根据公式
)()()(a f th f c th T a c R R P T T --+⨯+=
式中，C T 为散热器的壳温； a T 为环境温度；T P 为IGBT 模块的总功耗；
)(f c th R -为界面热阻，)(a f th R -为散热器制造商提供散热器与周围环境的热
阻。

从而可以得出：
C/W 0.2760.0927
.5473.1084067.99)()()(︒≈-+-=--=--f c th T a c a f th R P T T R 1.3 电解电容的选择
对于三相不可控整流桥，其输出电压的波形如图6所示：
图6 三相不控整流桥输出电压波形
其中r u 为整流之后未加电容的输出电压，c u 为电容电压。

)3,0(),30cos(2π
ωω∈︒-=t t U u l r 式中，l U 为线电压。

经分析，电容的放电时间112
t T t f +=，1t 由下式决定 )30cos(2%)1(1︒-=-t U a U l PN ω
等效电阻 P
U R PN 2= 根据%)1(a U U PN c ->，计算得出
%11ln a R t C f
->
根据题目可知：Hz f 50=，V U l 480~380=，假设5=a ，经计算可得：
s t f 3
1032.2-⨯=，Ω=⨯⨯=9.411011)4802(32
R 从而计算得： F a R t C f
μ3.1081%511ln 9.411032.2%11ln 3
=-⨯⨯=->- 滤波电容理论值越大越好，实际应用中采用多个电容串联和并联，由于电解电容的电容量有较大的离散性，故电容组的电容量常不能相等，从而导致它们承受的电压不相等。

为避免这种现象的发生，常在电容旁各并联一个阻值相等的均压电阻。

本次设计选取两个2200F μ的电容串联。

目前市场上400V 等级的电容器性价比最高，又因为直流侧最大直流电压为800V ，故选用两个400V 电压等级的电容串联即可满足需求，为了保证电容两端电压相等，每个电容两端分别并联一个10K 的均压电阻。

（参考文献 《关
于电压型变频器直流环节滤波电容的计算方法》）
综上，电容选择CDE 公司型号为DCMCE1649的电解电容。

根据厂家提供的参数可以得知，该电容在85℃及满载条件下的寿命为2000小时。

二、 变频器保护方案的设计
在任何运行状态下，电力电子器件都需要受到保护以避免受到不允许的应力，导致电力电子器件的损坏，或其寿命的缩短。

而变频器所选用的器件是以IGBT 为主，因此需要针对IGBT 做一系列的保护方案，主要的保护有过流、过压、过热和过载保护，在这里我们主要考虑到的是过流和过载保护。

2.1 过电流、过载保护
2.1.1 过电流保护
由于 A u P i o o 63cos 32
2=⨯⨯⨯⨯=ϕ
所以霍尔电流传感器需要选择的范围是70A 。

电流信号采样电路如图7所示。

图7 电流信号采样电路
电路中的R201是将采样出来的电流信号转换成电压信号，经过
R204和电容C203进行滤波，紧接的第一个比例运放器（tl082）对滤波的电信号进行相应的比例缩放（选择相应的比例系数），电阻R214和R217及第二个运放起到一个电平抬升和电压跟随的作用，将电压调节到0.3V到4.7V送到AD口。

这里的R214和R217要相等，电阻R204和电容C203时间常数要是几个微秒。

由于过电流保护要动作迅速，几个微妙之内就要完成，所以一般采用硬件电路来实现。

过电流保护方案的设计，将上述AD采样电路的信号经过比较器输出硬件保护的控制信号，如果大于给定值，则输出一个低电平的过流信号。

具体电路如图8所示：
A/D
给定电压
4.4V
图8 过电流保护方案
2.1.2 过载保护
过载保护的可以通过在输出交流侧采用三个HL电流传感器对电流进行采样，经过滤波时间常数为数十ms的阻容滤波电路，再通过放大环节和三相不控整流得到一定幅值的采样电压，把采样电压经AD转换电路送至CPU，CPU根据采样值的大小进行判断是否过载。

如果采样电压大于参考电压，CPU输出关断6个IGBT的驱动信号；
若过载消失，CPU 正常发出6个IGBT 的驱动信号。

其结构框图如图9所示。

-++15v
-15V -+
+15v
-15V -++15v
-15V
D1
D3
D4
D5
D6D2R226
R227
R228
R229
送A/D
图9 过载保护结构框图
2.2设计IGBT 的直通保护和输出短路保护
这里的直通或者输出短路其本质都是过电流，所以可以采用2.1.1中的保护方案，或者也可以采用IPM 智能功率模块。

智能功率模块可以根据故障产生的原因分为三种保护电路，UV （控制电源欠压保护）、SC （短路保护）、OT （过热保护）。

保护模式及其时序图如图10所示。

图10 IPM保护时序图
IPM在接收到上述保护电路的触发信号，启动内部保护电路和输出故障信号（Fo）的同时，停止驱动电路使得控制输入信号无效。

特别的，短路保护为了关断浪涌电压，采用了避免 IGBT 过电压的软关断。

所有的保护中，Fo 的下降沿和IGBT的OFF是同时进行的，Fo 的输出期间（低电平）和IGBT 的OFF是一致的，即使从外部有控制信号输入也不会开通 IGBT。

在 Fo 输出结束后，在输入信号的下降沿恢复保护电路，回到正常工作。

2.3 直流侧过电压保护及能耗制动
直流侧过电压保护及能耗制动实现的方案思路相同，都是通过在保护时刻引入功率电阻来限制直流侧出现过高的电压。

具体就是在变频器的直流侧加上放电电阻单元，将再生电能或是输入过高的电能消耗在功率电阻上来实现制动或是过电压保护，它包括电阻阻值和功率容量两个重要的参数。

这是一种处理制动、过电压问题的最直接的办法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能释放出去，如图11所示。

图11 电阻能耗制动模块
这里我们主要考虑制动点的选择，选择合适的制动点，主要是为
了防止变频器的误动作。

能耗制动需要考虑直流母线上的电压。

直流母线上的最大电压是：
V u u l d 747%)101(48022≈+⨯⨯==
由于电解电容的最大耐压是800V ，为了保护电解电容，这里选择的制动点是780V ，2V V ∆=±，直流母线上采用线性光耦进行电压信号的采集，通过比较器来进行比较。

具体电路如图12所示。

R1
图12能耗制动的硬件控制方案
过电压保护通过采用比较器，将采样电压和给定电压值比较之后，满足条件则输出低电平的过压信号，可以送到CPU 进行保护处理。

具体电路如图13所示。

采样电压
信号输入
图13 过电压保护电路
通过整流管的电流有效值IFAVM为最大平均整流电流IFSM为最大不可重复峰值电流IFM正向峰值电流。