基于SPM FSM50SM60A的壓縮機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要： 以智能功率模塊SPM FSAM50SM60A為核心，設(shè)計(jì)壓縮機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。重點(diǎn)描述了自舉電路、短路保護(hù)電路和過載電路的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： SPM；  短路保護(hù)；  自舉電路

引言

隨著變頻空調(diào)的發(fā)展，壓縮機(jī)的驅(qū)動問題越來越突出，目前市場上的變頻空調(diào)一般功率較小，但是在一些壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家，為了測試壓縮機(jī)的性能，要求變頻器的功率大、運(yùn)行頻率高。功率的提高主要取決于逆變模塊，而運(yùn)行頻率的提高取決于模塊所能承受的最高載波頻率，這樣逆變模塊的選取成為關(guān)鍵。

考慮到安裝的方便和成本等因素，選取Fairchild公司的二代SPM  FSAM50SM60A(智能功率模塊)，它具有超薄、高性能、高效率的特點(diǎn)[1]。本文圍繞FSAM50SM60A 在壓縮機(jī)變頻控制器中的應(yīng)用設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了自舉電路、短路保護(hù)電路和過載電路的設(shè)計(jì)。
　　
壓縮機(jī)變頻控制器驅(qū)動系統(tǒng)

本文介紹的壓縮機(jī)變頻控制器驅(qū)動系統(tǒng)工作在220VAC，50Hz，功率5000W,輸出頻率30—240Hz，主要用于壓縮機(jī)的性能測試。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1  控制系統(tǒng)框圖

反電勢采樣電路：系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，需要形成速度閉環(huán)，但是由于壓縮機(jī)沒有位置傳感器，因此需要從壓縮機(jī)三相端電壓推算壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，實(shí)時(shí)計(jì)算壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，為換向提供依據(jù)。壓縮機(jī)的三個(gè)繞組端電壓和直流母線電壓經(jīng)過分壓直接送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行采樣。R1，R2，R3，R4，R5，R6用于對三相繞組電壓進(jìn)行分壓衰減，為了保持準(zhǔn)確性，最好用高精度的電阻。R7，R8對于直流母線電壓進(jìn)行分壓衰減。為了抗干擾，采樣信號在送入單片機(jī)的A/D口時(shí)需要加一級RC濾波電路，為了在啟動時(shí)能夠準(zhǔn)確檢測到反電勢，RC的選取需要非常的小心，不要對反電勢造成過度衰減。

驅(qū)動電路：由于單片機(jī)的驅(qū)動能力有限，為了可靠運(yùn)行，選用一片同相驅(qū)動IC和RC電路組成，能夠可靠的開通和關(guān)斷SPM內(nèi)部的IGBT。RC用于去除驅(qū)動線路上的振蕩。

功率電路：主要由SPM及其供電電路組成，用于驅(qū)動壓縮機(jī)。本設(shè)計(jì)選用的Fairchild SPM具有自舉功能，電源只需要供給單路15V即可。
　　
FSAM50SM60A

FSAM50SM60A是Fairchild公司的最新SPM(智能功率模塊)，用于三相電機(jī)驅(qū)動。具有超薄、低成本、高性能和高可靠性的特點(diǎn)。主要用于中速小功率變頻驅(qū)動，比如空調(diào)等。SPM由32個(gè)引腳，按照功能可以分為四大類：驅(qū)動信號輸入，三相輸出，故障保護(hù)和電源供電，各個(gè)引腳的詳細(xì)功能請參考Fairchild公司的技術(shù)資料[2]。模塊內(nèi)部集成了優(yōu)化的保護(hù)電路和IGBT驅(qū)動電路。上橋臂由3只普通的IGBT組成，下橋臂由3只Sense —IGBT組成。內(nèi)部還集成了3個(gè)HVIC，1個(gè)LVIC和1個(gè)熱敏電阻[2]。
HVIC的開關(guān)頻率在數(shù)KHz范圍，能夠防止同一相的上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，具有較好的電壓變化率兼容性(尤其是在感性負(fù)載時(shí))，功耗低，耐壓大于600V[4]。 HVIC的集成，使模塊可以與控制芯片直接接口，不需要光耦隔離，這為電路設(shè)計(jì)提供了方便，也減小了模塊尺寸[1]。

Sense —IGBT的檢測精確度高(誤差小于8%)，故障結(jié)束后能夠自復(fù)位，成本低，體積小。SPM中的Sense —IGBT能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測IGBT中的電流，這為系統(tǒng)短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)提供了方便，而且降低了成本 [4]。通過調(diào)整與Sense —IGBT串聯(lián)的電阻的阻值，可以改變電流保護(hù)限值。模塊采用DBC技術(shù)，漏電流很小；典型開關(guān)頻率5KHz[2]。

熱敏電阻的集成使保護(hù)電路更加完善，運(yùn)行更加可靠 。
　　
系統(tǒng)設(shè)計(jì)

短路保護(hù)電路

SPM提供了兩種主要的保護(hù)功能，即控制電壓欠壓保護(hù)和短路電流保護(hù)。當(dāng)控制電壓低于欠壓檢測電平時(shí)，內(nèi)部柵極驅(qū)動信號被阻斷，并產(chǎn)生故障輸出信號。當(dāng)控制電壓高于欠壓復(fù)位電平時(shí)，故障輸出信號變?yōu)楦唠娖?，故障消除，模塊又可以按照系統(tǒng)設(shè)定的指令運(yùn)轉(zhuǎn)。模塊的LVIC通過監(jiān)視檢測電壓來監(jiān)測下橋臂的集電極電流。一旦發(fā)生短路，模塊關(guān)斷內(nèi)部的柵極驅(qū)動信號并送出故障信號。這種電流監(jiān)測方法不僅簡單，而且成本低廉。在高于額定電流的15%的范圍內(nèi)，Sense —IGBT具有很好的線性特性。

模塊內(nèi)部設(shè)有短路保護(hù)電路，觸發(fā)電壓VSC(ref)=0.51V，當(dāng)VSC引腳的電壓達(dá)到0.51V，內(nèi)部保護(hù)電路觸發(fā)，自動關(guān)斷六路波，同時(shí)VFO向單片機(jī)輸出故障信號。根據(jù)保護(hù)電流的不同，R3可以選擇不同的值，但是R3的選取和R4有關(guān)，在同一保護(hù)電流下，當(dāng)R4大時(shí)，R3小，但是二者不具有線性關(guān)系[2]。

圖2為系統(tǒng)瞬時(shí)短路保護(hù)電路。虛線內(nèi)部是模塊內(nèi)部的一部分，只給出U相下橋臂的驅(qū)動和保護(hù)原理。實(shí)際情況是U，V，W相的下橋臂在G點(diǎn)會合，通過R4流入電源地線。瞬時(shí)短路保護(hù)的外電路由R1，R2，R3，C1，C2 組成。

圖2  短路保護(hù)電路 

R2，C2決定短路電流故障在引腳持續(xù)的時(shí)間，一般要求R2