工業(yè)控制領域，變頻器與交流電動機是一對拍檔，變頻器主要功能是節(jié)能和調(diào)速。變頻器(Variable-frequency Drive，VFD)是應用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元、微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器集成有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。

　　圖1、變頻器電路組成(圖源：智玩無疆)

　　變頻器的主控芯片可選德州儀器的F28M36x、意法半導體的ST10F269Z2、英飛凌的XMC4800-F144F2048、兆易創(chuàng)新的GD32F303RCT6等，核心電路有：

　　1、整流電路：主要由整流橋組成;將交流電(市電)經(jīng)過全橋整流后成直流電。對于三相380V的交流電，經(jīng)整流后，直流電壓理論值為380X1.414≈537V;而單相220V的交流電，經(jīng)整流后，直流電壓理論值為220X1.414≈310V。整流橋品牌有英飛凌/國際整流器、亞德諾/凌力爾特、賽米控、意法半導體、長虹、固锝、辰達行、平尚科技、薩科微、沃爾德、德爾誠、成利泰、常州瑞華、柳晶等。

　　2、緩沖電路：抑制在上電瞬間的沖擊電流。由電解電容的工作原理可知，變頻器在上電瞬間，電容的兩端電壓不會突變，而電容兩端的電流會突變，此時電容兩端相當于短路。若沒有緩沖電路(充電電阻)，整流橋會因為電流過大而損壞。緩沖電路起到了保護整流橋的作用。

　　3、濾波電路：一般電解電容的耐壓值為400V;而三相380V的交流電，經(jīng)整流后，直流電壓理論值約為537V。因此濾波電容器，只能由兩級電解電容串聯(lián)而成。由于電解電容的容量不可能絕對相同，串聯(lián)之后兩級電解電容上的電壓分配是不均衡的，會導致兩個電解電容的使用壽命不一樣。為了解決電壓不均衡的問題，需在兩個電解電容兩端分別并聯(lián)阻值相同的均壓電阻。緩沖和濾波電路用到的電解電容品牌有尼吉康、松下、紅寶石、貴彌功、三瑩、提迪凱/愛普科斯、凱琦佳、立隆、萬裕、智旭、藍寶石、江海、艾華、華威、凱普松、江浩等。

　　4、逆變電路：將直流電(直流母線)轉(zhuǎn)換成交流電的電力電子電路。在逆變橋里的多個IGBT組成。每個IGBT里都集成一個續(xù)流二極管，其作用是為電機的定子繞組反饋能量(電機發(fā)電)提供回路。當電機處于發(fā)電狀態(tài)時，其電能可通過續(xù)流二極管流向直流回路，電解電容充電。IGBT品牌有英飛凌、三菱、富士通、東芝、日立、安森美、士蘭、陸芯、芯派、森未科技、新佳、斯達等。

　　變頻器按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器。電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容;電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。

　　變頻器按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器。

　　變頻器按照供電電壓可以分為低壓變頻器、中壓變頻器和高壓變頻器。低壓變頻器國內(nèi)常見的有單相220V變頻器、三相220V變頻器、三相380V變頻器，中壓變頻器常見有500V、660V和1140V變頻器，高壓變頻器常見有3kV、6kV、10kV變頻器，控制方式一般是按高低——高變頻器或高——高變頻器方式進行變換的。

　　按供電電源的相數(shù)分為：單相輸入變頻器和三相輸入變頻器。

　　按照其控制方式分為V/f控制變頻器(VVVF控制)、VC控制變頻器、直接轉(zhuǎn)矩控制、SF控制變頻器。其中V/f控制就是保證輸出電壓跟頻率成正比的控制。低端變頻器都采用這種控制原理;VC控制是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。一般用在高精度要求的場合;直接轉(zhuǎn)矩控制就是將交流電動機等效為直流電動機進行控制;SF控制(轉(zhuǎn)差頻率控制)就是通過控制轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩和電流。是高精度的閉環(huán)控制，但通用性差，一般用于車輛控制。

　　變頻器廣泛應用于發(fā)電、石油鉆探、建材、鋼鐵等社會工業(yè)領域，被稱為現(xiàn)代工業(yè)的基石。目前國內(nèi)帶變動負載、具有節(jié)能潛力的電機至少有1.8億千瓦，由此為變頻器的應用提供了極為巨大的市場。工程師如何設計一款變頻器呢?我們分析兩款變頻器以便選型參考。

　　1、施耐德 ATV630U15M3 1.5kW/2HP變頻器(標準版)。

　　圖2、施耐德變頻器主控板(圖源：變頻器世界)

　　主控芯片：德州儀器的F28M36x Concerto，一顆工業(yè)級32位ARM Cortex-M3 MCU，集成有種類廣泛的通信外設，包括以太網(wǎng)1588、帶PHY的USB OTG、控制器局域網(wǎng)(CAN)、UART、SSI、I2C和一個外部接口。實現(xiàn)精密PWM電機控制、通信和片上過流/過壓保護。

　　FPGA芯片：萊迪思的MachX02 4000HC，一顆橋接和擴展FPGA芯片。實現(xiàn)邏輯性信號濾波功能。

　　電路板上還有紐扣電池、接口、網(wǎng)口、阻容感和接口等配套器件。

　　圖3、施耐德變頻器功率板(圖源：變頻器世界)隔離：博通/安華高的ACPL-332J(5顆)。這是一款2.5A的IGBT柵極驅(qū)動光耦，集成有(VCE)去飽和檢測、故障狀態(tài)反饋和有源米勒鉗位功能。

　　隔離：博通/安華高的ACPL-798J(5顆)。這是一款采用光學隔離技術(shù)的Sigma-Delta調(diào)制器，采用LVDS接口和外部時鐘。

　　隔離：博通/安華高ACPL-W611(2顆)。這是一款速度為10MBd的高速高共模抑制比的TTL兼容光耦。

　　分流電阻：TT Electronics的R305F(6顆)，是阻值為35m?的分流電阻。

　　隔離型開關(guān)電源：意法半導體的ST6N95K5，這是一款950V/9A的N溝道功率MOSFET管。

　　浪涌電流抑制器：松下的AJQ8341F，這是一款12V/10A的小型功率繼電器;

　　限流電阻：美光(2顆)39?/7W的大功率電阻。

　　圖4、施耐德變頻器功率板(圖源：變頻器世界)

　　整流器和逆變器：英飛凌的FP50R06W2E3。這是一款帶Trench/Fieldstop IGBT3的600V/50A Easy PIMTM模塊，采用PIM 3相位輸入整流器配置。

　　隔離：博通/安華高的ACPL-332J(3顆)。這是一款2.5A的IGBT柵極驅(qū)動光耦，集成有(VCE)去飽和檢測、故障狀態(tài)反饋和有源米勒鉗位功能。

　　圖5、施耐德變頻器通訊板(圖源：變頻器世界)

　　以太網(wǎng)接口控制器：德州儀器的AM3352 Sitara MCU。這是一顆ARM Cortex-A8處理器，集成有包括EtherCAT和PROFIBUS在內(nèi)的工業(yè)接口選件。

　　以太網(wǎng)磁性變壓器：Halo Electronics的TG110。這是一顆SMD單端口10/100Base發(fā)送變壓器。

　　其他電源芯片、阻容感和接口器件等。

　　2、SEW MOVIDRIVE?B變頻器型號：MDX61B0015-2A3-4-OT?；緟?shù)：3相200至240V電源電壓，2.2kW(3HP)，AC 7.3A輸出。

　　圖6、SEW變頻器主控板(圖源：金銳芯)

　　主控芯片：意法半導體的ST10F269Z2。一顆集成MAC單元的16位MCU，帶40位累加器、128至256KB閃存和12KB RAM;在40MHz最大CPU時鐘下50ns指令周期時間。負責PWM電機控制和通訊。

　　靜態(tài)RAM：英飛凌/賽普拉斯的CY7C1041D，一顆異步4Mbit(256K×16)容量RAM。主要參數(shù)：并行10ns;高速tAA = 10ns/15ns;用于單比特糾錯的嵌入式ECC;低有效(典型ICC = 38mA)和待機(典型值為6mA)電流;1.0V數(shù)據(jù)保持。

　　FPGA芯片：英特爾/阿爾特拉的EPM3128ATC100-10N，基于CMOS的可編程邏輯器件(PLD)。128個宏單元和8個邏輯陣列塊(LAB);192.3MHZ最高工作頻率和5ns最大傳播延遲。

　　隔離：安森美/飛兆的MOCD213M。雙通道光電晶體管輸出光耦(4顆)。主要參數(shù)：輸入電流為10mA時，最小電流傳輸率為100%;最低70V的BVCEO;2500VAC (rms)的高輸入輸出隔離。

　　隔離：博通/安華高的HCPL-061N。HCMOS兼容、高共模抑制CMR、10MBd速率的光電耦合器。輸出類型：集電極開路。隔離電壓：3750Vrms。

　　插拔式連接器：菲尼克斯的MSTB2.5，可插拔接線端子(4顆)。主要參數(shù)：12A，額定電壓(III / 2)：320V。

　　圖7、SEW變頻器控制板(圖源：金銳芯)

　　變壓器：Egston(Pulse Electronics)定制變壓器(2顆)。

　　降壓轉(zhuǎn)換器：德州儀器的UC2827-1。電流/電壓饋送推挽PWM控制器。主要參數(shù)：最低輸入(Vin Min)：8.4V;控制器最高輸入(Vin Max)：20V;最高頻率500kHz。

　　肖特基整流器：意法半導體的STPS3045。雙中心抽頭肖特基整流器適用于開關(guān)電源和高頻DC-DC轉(zhuǎn)換器。主要參數(shù)：工作電壓：45V;IF(AV)：2 x 15A;VRRM：45V。

　　綜上所述，我們所見的芯片品牌幾乎源自歐美和日本，國產(chǎn)芯片Design In到工控變頻器里任重而道遠。碎片化的工控芯片市場，以終端產(chǎn)品會長期運行在極高/低溫、高濕、強鹽霧和電磁輻射的惡劣環(huán)境中為前提，所以在穩(wěn)定性、可靠性和安全性方面要求會比商業(yè)級高。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺，過去數(shù)年已積累了豐富的工業(yè)芯片的優(yōu)勢貨源。我們聚焦服務元器件長尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購，為電子產(chǎn)業(yè)供需略盡綿薄之力。

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