基于芯片MC3PHAC的三相工频逆变器的研制

闫鸿魁，王 超，林 莘，冯 骥

(1.沈阳工业大学 辽宁省电网安全运行与监测重点实验室，沈阳 110870； 2.沈阳工程学院 自动化学院，沈阳 110036；3.沈阳变压器研究院股份有限公司，沈阳 110122)

0 引 言

新型控制电动机变频芯片MC3PHAC，具有单片智能化结构，把编写好的电机变速控制程序编译到电动机中，可实现复杂的电动机调速功能，投资费用低。本文通过对芯片相应引脚的设置，让其输出工频50 Hz的SPWM波，性能稳定可靠，同时提供了相应的通讯标准与主机控制软件PC Master，该模式要求PC或微处理器的配合才能执行，所有系统参数都由PC输入。

1 MC3PHAC的结构及参数设定

1.1 组成和引脚的功能特点

MC3PHAC是一种新型控制电动机变频芯片，该芯片产生频率可变、电压可调的三相六路输出波形，在基波频率中叠加了一个三次谐波，目的是提高直流电压的使用率[1-3]。为了使输出的PWM波更加稳定，在MC3PHAC读取直流电压时，将补偿电路设计在该芯片里。在孤立模式下MC3PHAC配置如图1所示。该芯片用于逆变负载控制时的原理如图2所示[4]。

图1 孤立模式下的MC3PHAC配置电路

图2 MC3PHAC用于逆变控制原理示意图

图1中，引脚ACCEL控制电动机的加减速度，本文通过滑动变阻器W1调节相应的加减速；引脚SPEED控制电动机速度，频率是1 Hz～128 Hz之间的任意值，定标系数为25.6 Hz/V ，因此，本文通过滑动变阻器W2将电压调节到1.95 V，使其输出工频50 Hz的SPWM波；引脚START是决定电机是否运行，低电平有效；引脚PWMPOL_BASEFREQ(引脚8)确定PWM极性和基频50 Hz或60 Hz，对应4种PWM调制频率，通过跳线J1-J4进行选取。将引脚PWMFREQ_RxD(引脚16)设为低电平有效，并且在引脚MUX_IN上取相应的电压；将引脚 DT_FAULTOUT(引脚19)设为低电平有效，并且在引脚MUX_IN上取相应的电压。

1.2 运行模式的选择

芯片MC3PHAC控制交流负载工作时有两种控制方式：一种是微机软件主控方式，另一种是独立控制方式。芯片处于哪种模式下，由控制引脚BOOST_MODE 的电平决定。当引脚BOOST_MODE为高电平有效时，芯片MC3PHAC的独立控制方式启动。在整个运行过程中，芯片实时采集电子器件的参数，芯片MC3PHAC周围的元器件参数在孤立模式下系统运行。当引脚VBOOST_MODE复位或设为低电平时，微机软件主控方式启动，PC机或微处理器输入所有系统的参数，它们之间的运行需要配合[5-7]。

2 三相工频逆变器的软、硬件设计

本文研制的工频逆变器由芯片MC3PHAC及相关电路模块、IGBT开关量输出模块、信号处理模块、电源模块、时钟模块等组成，结构如图3所示[8-9]。

图3 工频逆变器硬件框图

本文研制的的三相工频逆变器是基于芯片MC3PHAC，通过控制芯片各个引脚的参数使其输出三相PWM波[10]，IGBT开关量输出模块通过控制PWM波控制IGBT的通断，并进行相应的设置，使其输出工频的三相交流电源。

2.1 触发IGBT产生PWM波硬件电路

触发IGBT产生PWM波硬件电路如图4所示。本文设计的逆变器需要通过芯片MC3PHAC产生三相PWM波来触发IGBT导通、关断，分为每相正、负各6个输出信号组成。图4中，U+端子排输出端触发IGBT的三个电极，CU1、CU2、CU3、CU4为电解电容，提供稳压、滤波的作用，电阻提供分压的作用，通过PU+端子连接到一起[11-13]。

图4 触发IGBT产生PWM波硬件电路

2.2 IGBT驱动电路

IGBT驱动电路如图5所示。IGBT驱动电路是一种保护电路，同时通过驱动IGBT模块的开断使其正常工作。D1为瞬态抑制二极管，抑制浪涌电流，将低电阻值的状态呈现在正负极间，为了防止电子器件的损坏，预先设置一个电压数值置于正负极间[14]。具体参数设置如图5所示。

图5 IGBT驱动电路

2.3 三相工频逆变器的软件设计

本文研制的工频逆变器是基于芯片MC3PHAC的孤立模式下，通过各个引脚的参数设置来产生PWM波，进而触发IGBT开通、关断，整个控制过程如图6所示。

图6 逆变器控制流程图

同时，孤立模式下各个引脚的参数需要设定，这里包括电网频率的选择即通过引脚PWMPOL_BASEFREQ来设定；启动停止通过START来设定[15]；引脚SPEED规定了输出频率，范围是1 Hz～128 Hz对应电压是0～5 V，即25.6 Hz/V，当引脚SPEED输入1.95 V时，该芯片输出工频50 Hz的PWM波。

3 两种运行模式下的功能验证实验

3.1 PC主控软件模式下的功能性验证

微机软件主控方式下为其提供了更完善的功能操作模式、本地控制和在线监测控制的功能，实现数据的记录，显示波形与变量的观察等三种功能，同时发送数据和命令给从机。支持相关的通讯协议，用户利用PC主机可以进行相应的操作。PC主界面图如图7所示。

图7 PC主界面图

3.2 孤立模式下的功能性验证

首先，该逆变器接通15 V和5 V直流电源，给芯片MC3PHAC和其他器件供电，同时输入接单相220 V交流电，输出接电机，芯片MC3PHAC输出的6路信号分别对应接到IGBT的引脚上，具体实物接线图如图8所示。

图8 三相工频逆变器接线实物图

当该逆变器通电工作后，通过两种模式下使得芯片MC3PHAC输出PWM波，控制IGBT开通、关断，电机起动并按相应的频率转动，由于预先将引脚SPEED设定为1.95 V，因此，电机按工频50 Hz旋转。这里也可以改变引脚SPEED的数值实现变频调速，同时通过引脚ACCEL改变电机的加减速度。

3.3 实验结果

在驱动IGBT模块的电路中，其驱动信号是通过外接电位器调节占空比大小来获得的，死区时间为20 μs，波形的频率分别设置为520 Hz和420 Hz。图9为两组PWM在占空比为3%时的波形图，其频率为 522.539 Hz；图10为两组PWM在占空比为49%时的波形图，其频率为421.203 Hz。PWM波形的占空比随着电位器的调节而改变，在3%～49%范围内，此时负载上的等效占空比则为6%～98%。

图9 输出占空比为3%的PWM波

图10 输出占空比为49%的PWM波

IGBT无吸收电容电路的负载侧波形如图11所示。RC型的吸收电路如图12所示，电阻R取为220 kΩ，电解电容C取为0.47 μF。由图12可知，吸收电路抑制了浪涌电压，并且抖动现象有所减弱。

图11 IGBT无吸收电容电路的负载侧波形

图12 吸收电路RC型的负载波形

采用SPWM的开环调速设置，将MC3PHAC的参数设置为50 Hz，电机运行时线电压波形和相电流波形如图13、图14所示。

图13 电机线电压波形

图14 电机相电流波形

4 结 语

本文设计的三相工频逆变器采用芯片MC3PHAC为核心，系统的稳定性进一步提升，逆变器的硬件电路进一步得到优化，同时，不需要软件的介入，人工成本和开发周期得到进一步缩短[16]。通过两种不同的运行模式，应用场合更为广泛，特别是与PC主机联机使用的功能，使其能够方便地组成多种智能化的应用系统。