PM25RLA120外围接口线路设计

严海龙

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350116)

PM25RLA120外围接口线路设计

严海龙

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350116)

简单研究了电机变频调速用IPM的选型方法，介绍了三菱L系列智能功率模块PM25RLA120的内部结构与外围接口框架。设计了一套以DSP作为主控芯片的PM25RLA120外围接口线路，该线路含盖驱动电路、保护电路、吸收电容、电源模块等，能够适用于额定功率为3.7kW及以下的三相异步电动机的调速系统。

变频调速；IPM选型；PM25RLA120；驱动电路；保护电路

1 引言

交流变频调速技术的发展及实现得利于电力电子器件的向前发展，每一时代的主流逆变器件都促成了以其为代表的变频器的出现[1]。目前，交流变频调速系统中应用最多的是IGBT和IPM，与单个IGBT开关管相比，IPM有着众多的优越性，其主要以IGBT为基本功率器件，包含多个IGBT芯片的同时也集成了IGBT保护电路和驱动电路。模块化的操作降低了元器件所需数量，减小了系统体积；集成化也提高了系统可靠性，减少了故障发生率，另外也减少了客户的开发时间，因此综合性价比已赶上IGBT，有着很好的经济性。

本文采用三菱L系列智能功率模块PM25RLA-120作为逆变器件，设计了一套完整的IPM外围接口线路，能够适用于额定功率为3.7kW及以下的三相异步电动机的调速系统。

2 交直交变频调速主电路

典型的电压型交直交变频器方案见图1所示，即主电路由整流电路、直流滤波电路、逆变电路，以及限流单元、制动单元、吸收电容等组成。

图1 交流变频调速系统主电路

3 IPM及其吸收电容的选型计算

逆变电路的作用是将直流侧电压变成三相交流电带动电机，逆变电路是整个电路的核心，通过控制开关管(图1中T1～T6)的适式导通与关断来达到变压变频的目的，从而实现电机的变频调速。为了节约成本以及提高系统可靠性，本设计采用功能强大的智能功率模块(IPM)，IPM不仅集成了逆变桥本身电路，还包含了开关管的驱动电路和保护电路。

IPM内单个IGBT承受的最大电压为：

(1)

式中，UDC为主电路直流侧母线电压。

考虑一定的安全裕量，则IPM额定电压选择：

UIPMN≥(2～2.5)UM=1074～1342V

(2)

IPM额定电流选择：

(3)

式中，IN为电机额定电流，3.7kW异步电机可约取6A；δ为电流脉动系数，可取1.2；λ为变频器最大过载系数，可取2。

则：

(4)

因此，可选三菱公司的第五代智能功率模块PM25RLA120型号(额定电流为25A，额定电压为1200V)。

吸收电容(图1中C5)的作用是为了控制IGBT关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压。实际电路中因为具有一定的寄生电感，当逆变桥的某个IGBT关断时，该寄生电感产生的电压Ldi/dt与母线电压叠加后以浪涌的形式加到这个IGBT两端，严重的话可能会超过IGBT的反向峰值电压VCES，导致IPM损坏。而当续流二极管恢复时同样也会产生类似的浪涌电压，为了解决这一问题，一方面需要在设计电路及PCB板时尽量减少回路的寄生电感，减小Ldi/dt；另一方面则需要采取浪涌电压吸收电路。根据三菱电机IPM应用手册，可以总结出三菱第五代IPM的吸收电容大致选型方案，见表1。本文吸收电容选用美国CDE无感电容，型号为941C12P22K(0.22μF/1200V)，并且将吸收电容直接安装在IPM的P-N接线端子上，而不布置在PCB板上，以更好得控制浪涌电压。

表1 吸收电容的选择

4 PM25RLA120外围接口电路设计

PM25RLA120隶属三菱L系列智能功率模块，“PM”代表智能功率模块(IPM)，“R”代表内部包含7个IGBT开关管(逆变器部分有6个，制动单元有1个)，“L”代表系列号，“A”代表主电极是螺栓式(区别：“B”代表主电极是针式)，“25”代表内部逆变器部分的IGBT集电极电流额定值为25A，“120”代表内部逆变器部分的IGBT集电极与发射极间电压的额定值为1200V。它不仅集成了功率开关器件，还将驱动电路及保护电路也集成在内。作为功率变换的应用，开关频率可以达到20kHz，广泛应用于通用变频器、伺服驱动器及其他电机控制领域。其输入/输出端子列表见表2。其中，UP、VP、WP、UN、VN、WN、UFO、VFO、WFO、FO、Br都是低电平有效。

表2 PM25RLA120输入/输出端子列表

图2所示的是PM25RLA120的外围接口电路框架图，由于PM25RLA120内部已经集成了IGBT驱动电路，所以外围接口电路只需提供相应的控制电源、PWM控制信号、电气隔离装置以及电气保护环节等。

4.1 PM25RLA120隔离电源设计

控制电源总共需要四组且必须互相隔离，其中三组分别供给U、V、W相上桥臂器件，另一组则供给U、V、W相下桥臂器件和制动单元开关管。PM25RLA120对控制电源的要求较高，推荐四组控制电源电压为15V，且变化幅度在±1.5V之间。因为当控制电源电压低于13.5V时，PM25RLA120会作低压处理，发出欠压保护故障信号，使得DSP封锁PWM信号输出；而当控制电源电压高于16.5V时，则会有损坏PM25RLA120内部器件的危险。

图2 PM25RLA120外围接口电路框架

四路15V隔离电源可通过三菱公司为IPM系列提供的专用电源转换模块JS159。本文采用另一种简单方案，即通过变压器—整流—稳压的思路获得各路电源，见图3图。虽然这样获得的性能比专用电源转换模块稍差，但能较大幅度地减小成本。图3给出的是其中一路15V电源的设计电路，其他各路电源与此相同。四路15V电源必须采用各自的输入端变压器，以实现电气隔离的作用。

图3 控制电源电路

4.2 PWM驱动信号输入电路设计

图2中，六个桥臂所对应的光耦器件起着隔离主电路与控制电路的作用，防止电气干扰。这六个光耦器件必须采用高速光耦，以保证较小的信号延迟，可以采用HCPL4506、HCPL4504等，本文中采用的是HCPL4504，如图4所示。应当注意的是，为了防止干扰，HCPL4504输入端NC引脚最好都接地，不应悬空，而输出端NC引脚最好都接电源正端。

与四个故障信号输出端对应的光耦器件可以选用高速光耦，也可以选用低速光耦。为了节约成本以及减小系统复杂性，选用低速光耦即可，如本文中采用的是PC817低速光耦。制动控制信号输入端Br对应的光耦器件也是类似。

控制电源和IPM之间必须接入旁路电容和滤波电容(见图4)，前者是为了防止高频干扰，后者是起着平稳电压的作用。本文中，旁路电容选用0.22μF陶瓷电容，滤波电容选用22μF/50V电解电容。

图4 隔离电路

PWM控制信号可以由DSP的PWM输出信号直接供给HCPL4504输入端所得，见图5(a)所示，此时DSP的PWM输出引脚处于拉电流状态。而图5 (b)所示的则是PWM控制信号的另一种获得方法，此时DSP的PWM输出引脚处于灌电流状态。由于拉电流状态时DSP引脚的输出电流幅值有限，带负载能力较弱，因此采用灌电流方式比较理想。

图5 PWM控制信号的输入

4.3 PM25RLA120电气保护电路设计

PM25RLA120内部包含了过流保护(OC)、短路保护(SC)、过温保护(OT)和控制电压欠压保护(UV)等功能，当某一时刻发生其中的任何一种故障，PM25RLA120就会自动封锁门极驱动，关断IPM，并且将相应的故障信号输出端变成低电平。但是PM25RLA120内部的保护功能是非保持性的，即当有故障发生时，PM25RLA120会自动开启内部保护功能一定时间tFO，之后如果故障仍然没有消除，则PM25RLA120会再次进入内部保护功能，如此反复动作。然而即使是短时的故障都会使PM25RLA120处于严重的恶劣环境下，反复的内部保护功能不能完全保证PM25RLA120的安全运行。因此，需要增加外部的保护电路来提高系统的可靠性，如图6所示。

图6 PM25RLA120外围保护电路

系统正常运行时，UFO、VFO、WFO、FO都保持高电平，此时，PDPINTA(连接DSP的功率驱动保护引脚)也保持着高电平；当有故障发生时，IPM内部保护功能启动，且相应的故障信号输出端UFO/VFO/WFO/FO变成低电平，这样PDPINTA得到一个下降沿信号，使得DSP自动进入功率驱动保护状态，封锁所有PWM信号输出(软件上要开启功率驱动保护中断使能)。当时间tFO过后，虽然IPM会退出内部保护功能，相应的故障信号输出端也恢复高电平，但是DSP却会一直处于功率驱动保护状态，直到人为重启系统，这样即可避免故障排除之前IPM的不安全运行。

5 实验验证

图7所示是A相上桥臂DSP输出PWM信号(DSPPWM1)与PM25RLA120输入PWM信号(UP)的对比，亦即PM25RLA120外围接口线路的输入PWM信号与其输出PWM信号的对比。其他五个桥臂的波形情况均与此类似(为不赘述，未给出其他五个桥臂的波形情况)。由图7可知，若不考虑光耦器件等造成的信号延迟误差后，本文所设计的PM25RLA120外围接口线路可以很好地将DSP的信号进行准确无误地放大与隔离后送给PM25RLA120，即实现了电机调速用IPM外围驱动线路的设计。

图7 外围接口电路输入与输出PWM信号的对比

6 结论

本文研究了交流变频调速用IPM及其匹配吸收电容的选型方案，设计了PM25RLA120外围接口线路，包括四路隔离电源、PWM驱动隔离线路、IPM保护电路等，所设计的电路能够满足额定功率为3.7kW及以下的三相异步电动机的调速系统需要。DSP输出PWM信号与PM25RLA120的输入PWM信号的对比结果，验证了所设计线路的可行性。

[1] 赵泽生.基于DSP的通用变频器研究[D].山西：太原理工大学，2007.

[2] K L Shi,L Hui.Optimized PWM strategy based on genetic algorithms[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2005,52(5):1458-1461.

[3] Wu F,Duan J,Feng F.Modified single-carrier multilevel sinusoidal pulse width modulation for asymmetrical insulated gate bipolar transistor-clamped grid-connected inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,8(8):1531-1541.

[4] 严海龙，王榕生.新型线性组合采样法SPWM谐波数值分析[J].电气技术，2012，13(9)：61-64.

[5] 李广海，叶勇，蒋静坪.IPM驱动和保护电路的研究[J].自动化与仪器仪表，2003，3(12)：43-45.

Design of Peripheral Interface Circuit for PM25 RLA120

YANHai-long

(College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350116，China)

This article firstly studied the selection methods of IPM on the speed control of motor.Then it introduced the internal structure and peripheral interface framework of PM25RLA120.Lastly,a set of peripheral interface circuit for PM25RLA120 was designed in this paper,which is based on DSP as the main chip.The circuit contains the drive circuit,protection circuit,absorption capacitor,power supply module.It can be applied to the speed control system of three-phase induction motor,and the power of the motor can be a rating of 3.7kW and below.

frequency control system;IPM selection;PM25RLA120;drive circuit;protection circuit

1004-289X(2016)05-0030-04

国家自然科学基金(61304260)

TM921

B

2016-04-11

严海龙(1987-)，男，江西赣州人，福州大学助理实验师，硕士，主要从事电气传动技术的研究。