逆变模块硬件设计说明书

逆变模块
硬件设计说明书
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目录
1引言 (1)
1.1编写目的 (1)
1.2背景 (1)
1.3术语与缩写定义 (1)
1.4参考资料 (1)
2硬件概述 (1)
2.1逆变模块功能需求 (1)
2.2逆变模块电路功能说明 (1)
2.2.1预充电电路 (2)
2.2.2逆变电路 (2)
2.2.3驱动电路 (3)
2.2.4电流采集 (3)
2.2.5温度采样 (4)
2.2.6逆变辅助电源 (4)
2.3电气接口 (5)
2.3.1逆变模块对外接口 (5)
2.3.2逆变主板与主控板板间接口 (5)
2.3.3逆变主板与逆变IO板板间接口 (7)
1引言
1.1编写目的
1.2背景
1.3术语与缩写定义
1.4参考资料
2硬件概述
2.1逆变模块功能需求
逆变模块主要实现将电源由直流到3相交流的转换，主要功能要求如下：
1、输入由升压模块提供，输入额定电压为350V；
2、输出为3相交流，输出电压在190V AC~240V可调，输出频率35Hz~60Hz可调；
3、功率要求满足最大2.2kW输出，按电机负载功率因数为0.6；
4、保护功能包括：输入欠压保护、输入过压保护、输出过流保护、输出短路保护、输出缺相保护、模块高温保护。

当模块出现保护后，以干接点的方式报警，并且可查询发生故障时的故障状态。

5、模块开机启动由外部启动信号控制，启动信号以干接点的方式实现；模块启动时，启动延时可调；
6、输入对散热片、输出对散热片绝缘阻抗大于5MR，绝缘电压大于AC2500V；
7、E MC满足EN50131-3-2的规定要求。

2.2逆变模块电路功能说明
逆变器由升压模块、逆变模块、输出滤波器组成。

功能框图如下图所示：
其中逆变模块由控制板、逆变主板、逆变IO板组成。

逆变主板功能电路包括：
1、预充电电路；
2、逆变电路
3、驱动电路
4、AD采集电路：包括母线电压检测、IGBT温度检测、输出电流检测等。

5、逆变辅助电源
2.2.1预充电电路
预充电电路
根据升压模块输出纹波要求小于1V，那么输出滤波电容要求不小于782uF，实际使用3个680uF 的电容进行并联（C70、C73、C78），容量为2040uF；供电电源为350V，电容电压不小于400V，实际使用的电容电压为400V。

逆变模块输入端有大的输入电容（C70、C73、C78），为了防止开机时大的浪涌冲击，电路设计加入了预充电电路。

开机时，首先通过电阻对电容进行充电，当电容电压达到200V时，控制板开始延时计时，延时5s结束后，继电器闭合（K1闭合，将预充电电阻旁路），通过继电器给电容供电。

为了延时结束时，电容电压达到350V，那么预充电电阻要小于1.667kR（R81），实际取值为66R，使用两个33R的电阻进行串联。

2.2.2逆变电路
逆变通过IGBT模块来实现，一个模块内部集成6个IGBT，形成3个桥臂，实现3相输出。

根据输出功率、最低输出电压及电机功率因数可计算出流过IGBT的最大电流为11A。

实际选择IGBT模块电流为30A，电压为600V。

2.2.3驱动电路
逆变器驱动全部采用光耦进行隔离。

由CPU发出的PWM信号经过缓冲器到达光耦原边，通过控制光耦的导通关断来实现对IGBT的控制。

实际电路采用的光耦型号为A3120，此光耦在小功率低压变频器中使用广泛。

光耦工作电压范围15V~30V，最小驱动电流为2A，输入电流为7mA~16mA，光耦关断电压为-3V~0.8V，最大反向电压为5V，最大开关延时为500ns。

根据光的使用条件可知U+W、U-W的差值要大于15V小于30V，实际电路中U+W为15V，U-w为-7V。

光耦的输入电流要大于7mA小于16mA，那么限流电阻要大于216R小于500R，实际电路中为R7，其阻值为330R，那么光耦的输入电流为10.6mA。

2.2.4电流采集
电流采样采用检流电阻将电流信号转换为电压信号，电压信号经光耦HP7840进行隔离放大后，再经过运放的放大传递给CPU。

HP7840为线性光耦，是小功率低压变频器中通用的电流检测隔离器件。

HP7840工作温度为-40℃~85℃度，输出增益为8，输出为差分信号，检流精度高，抗干扰能力强。

其输入电压范围为4.5V~5.5V，输入输出端供电电源均为5V稳压电源。

其线性输入电压范围为-200mV~200mV，那么设计时考虑最大电流时，采样电压扔在200mV范围内，实际采样电阻为6mR，正常工作时电流为11A，那么采样电压为66mV，考虑最大过流为额定值的2倍，那么采样电压为132mV，满足器件使用要求。

2.2.5温度采样
IGBT内部集成了NTC，将NTC阻值的变化转换为电压信号的变化，以此检测IGBT的温度。

如图中，通过R64与Rg串联形成分压，将信号T+经过处理后送给CPU。

通过此种方式对IGBT 以及逆变模块进行保护，防止IGBT温度过高损坏。

25℃时Rg=5kR，100℃时，Rg=493R。

2.2.6逆变辅助电源
逆变模块所有的驱动电源都由辅助电源提供。

主要有+24V、+5V、±15V、4路+15V、4路-7V 以及13V，分别为继电器驱动电源、CPU及数字逻辑器件供电电源、运放供电电源、IGBT驱动电源以及辅助电源电源管理IC供电电源，所有电源均为隔离。

辅助电源控制芯片采用UC2844。

UC2844为电流控制型电源管理芯片，在小功率辅助电源中较常使用。

实际电路中开关频率设置为100kHz，那么RC震荡参数为R=8.2kR，C=1000pF。

开关管型号为IXFP10N80P，800V10A，导通内阻为1.1R。

辅助电源电流采样电阻为3个1210的7.5R 电阻并联。

2.3电气接口
2.3.1逆变模块对外接口
序号定义描述类型信号类型有效值范围功率
1 PE 接大地
2 P- 输入负
3 P+ 输入正极
4 L 空置
5 N 空置
6 PB 空置
7 U U相输出
8 V V相输出
9 W W相输出
2.3.2逆变主板与主控板板间接口
逆变主板与逆变主控板间的接口如下：
序号定义描述类型信号类型有效值范围功率
J1:1 +15V
供电电源正极
电压±0.5V0.5W
J1:2 -15V 电源负极J1:3 +15V 电源正极J1:4 -15V 电源负极
2.3.3逆变主板与逆变IO板板间接口。