摘 要 ：本文阐述了U/F控制变频调速的基本原理，分析了变频调速控制器的典型拓扑，进而对采用隔离方案和共地方案设计的变频调速控制器系统进行了介绍，尤其对采用单电源智能功率模块实现共地系统设计进行了详细的阐述，并给出了两者之间设计上的差异和共地系统具有的成本优势，最后对采用单电源智能功率模块实现共地系统的应用给予了展望。
1 引言
随着计算机技术、微电子技术和电力电子技术的发展，变频调速技术的应用得到飞速发展。变频调速控制技术的应用领域也越来越广泛，如纺织机械、矿山机械和工业控制、变频家电等领域都得到广泛应用。变频调速技术作为节能降耗、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段已经深入人心，变频调速技术在家电产品中的成功应用，大大提高了人们的生活质量。变频调速产品的巨大市场潜力日渐明显，但是，由于我国的变频调速技术的研究和应用起步较晚，尤其是变频技术产品化更为滞后，高端的变频产品基本上都被国外品牌垄断。因此，国内的变频产品一方面有着巨大的国内市场需求，另一方面又面临着国外和国内的双重竞争，尤其是在价格、性能方面的竞争更为明显。因此，低成本、高性能成为变频产品追求的目标。本文将对变频调速控制器系统设计进行阐述，分析传统的隔离方案变频调速控制器系统和采用单电源智能功率模块实现共地系统设计的变频调速控制器系统，进而可以看出采用单电源智能功率模块设计的共地系统变频调速控制器系统能够大大简化硬件电路的设计和降低系统的硬件成本。
2 变频调速原理
在诸多交流异步电动机调速技术中，如调压调速、变极调速、串级调速、滑差调速、变频调速等，其中由于变频调速具有的优点：
（1）调速时平滑性好，效率高；
（2）调速范围较大，精度高；
（3）起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；
（4）易于实现过程自动化。
因此，变频调速技术是当前应用最广泛的一种调速技术。在中小功率的变频调速系统中使用最多的变压变频调速，简称U/F控制，相应的变频调速控制器为电压源型变频调速器（VSI）。由电机学知识可知异步电动机的转速与电源频率有以下关系：
式中：n—电机的转速（r/min）；
p—磁极对数；
s—转差率（％）；
f—电源频率（Hz）。
从式（1）可以看出，改变电源频率就可以改变电机转速。另外，根据异步电机的电势公式知道，外加电压近似地与频率和磁通的乘积成正比。即
U∝E≈C1fφ （2）
式中C1为常数。
因此有:
φ∝E/f≈U/f （3）
若外加电压不变，则磁通φ随频率而改变，如频率f下降，磁通φ会增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制。此外，在很多场合，为了保持在调速时，电动机产生最大转矩不变，也需要维持磁通不变，这亦由频率和电压协调控制来实现。通过改变异步电动机的供电频率，从而可以任意调节电机转速,实现平滑的无级调速。
3 变频调速控制系统的构成
变频调速控制系统一般由三部分构成：驱动控制部分、反馈部分和驱动对象。驱动控制部分是整个调速系统的核心，一般也称之为变频调速控制器。反馈部分是将驱动对象的相关量如速度、电流等回馈给控制部分，以实现闭环控制。驱动对象主要部分为电动机，包括步电动机、无刷直流电动机等。变频调速系统结构示意图如图1所示，如果对控制精度要求不是很高的情况下，图1中反馈部分可以省去。由于系统中具体的驱动对象各不相同，反馈部分在应用设计中也不尽相同，在此不进行详细讨论，这里主要讨论变频调速系统中的核心部分即驱动控制部分。根据调速系统的不同，驱动控制部分可以设计成通用的调速器，如通用变频器，也可以设计成专用调速器，如纺织行业用的储纬器等，但其基本结构是相同或类似的。由于在具体的设计过程中可以采用不同的设计方法，导致其硬件电路的复杂程度存在较大差异，下面将对变频调速控制器的拓扑结构和设计方法进行阐述。
4 变频调速控制器设计
4.1 典型拓扑结构
异步电动机的变频调速或无刷直流电机的调速控制器的功率电路一般都采用典型的交—直—交拓扑结构，如图2所示（图2中只给出单相交流的全桥整流电路）。其由整流部分、滤波部分和逆变部分组成，在其工作时首先将三相或单相交流电经桥式整流为频率为电网电压频率两倍的脉动的直流电压，脉动的直流电压经平滑滤波后得到波动较小的稳定的直流电压，然后在微控制器的控制下，用逆变器将直流电再逆变为电压和频率可调的三相交流电源，输出到需要调速的电动机上，从而实现对电动机的调速控制。
4.2 隔离方案设计
早期的变频调速控制器采用分立元器件设计，包括逆变电路部分的设计，使得硬件结构复杂，可靠性降低，相应的产品开发周期长。随着电力电子器件的发展，尤其是大功率开关器件的发展，如IGBT模块，使得逆变电路的设计得到一定程度的简化。但随着生产的需要，又推出了集成度更高、功能更强的IGBT模块，这就是智能功率模块IPM（Intelligent Power Module）。它具有体积小、功能多、使用方便等诸多优点，适用于不同功率的逆变器设计使用。应用智能功率模块设计变频调速控制器，可以大大简化硬件设计，缩短产品开发周期，提高系统的性能。不同阶段推出的IPM模块，其内部使用的设计技术存在差异，集成的各种保护功能也不尽相同。早期推出的6单元IPM模块内部的IGBT模块驱动需要4路独立的隔离电源，3个上桥臂各需要一路独立的电源，3个下桥臂共用一路电源，这导致系统开关电源的体积和设计难度加大。另外，系统控制部分即MCU或DSP控制电路和功率电路部分需要电气隔离，以保证控制电路的安全。需要隔离的信号主要有：实现逆变控制的6路PWM信号；IPM模块输出的故障保护信号；电压检测信号等。下面给出采用隔离方案设计的变频调速控制器的结构示意图，如图3所示。
由于系统功率部分和控制部分的电源的参考电源地不同，因此，有关电流检测和电压检测实现都较复杂，一般采用霍尔电流传感器和电压互感器来实现，硬件成本很难降低，导致产品市场竞争力下降。
4.3 共地方案的设计
由于功率器件集成技术发展，一些生产厂家，如日本三菱，日本东芝，美国仙童等，采用自举电源技术，推出单电源IPM，使得只需给IPM模块提供一路驱动电源，这为实现系统共地提供了可能。下面以日本三菱公司的单电源模块PS21255-E为例，介绍其新特点。PS21255-E是日本三菱公司的第四代IGBT功率模块，用于驱动小功率（1.5kW）电动机用DC-AC电力变换。它主要集成驱动、保护和系统控制等功能，具体包括以下这些特点：
（1） 三相IGBT逆变桥带有门极驱动电路和保护电路;
（2） 上桥臂驱动器电源使用自举电源技术；
（3） 全部驱动共用一个电源；
（4） 内含隔离高压的快速电平移位电路（level shifter）;
（5） 控制信号不需要光耦隔离等。
第四代IPM模块的最大的特点就是实现了单电源驱动，其核心技术就是驱动电源采用自举电源技术和电平移位电路，其原理示意图如图4所示。其中，自举电源由图4中的R1、D1、C1组成，IGBT1和IGBT2组成其中的一相桥臂。从图4中可以看出自举电源的充电回路为R1、D1、C1、IGBT2和N，这种单电源驱动技术为系统采用共地方案设计提供了条件。
采用共地方案的好处就是在很大程度上简化硬件电路的设计，图5给出了基于单电源IPM模块采用共地方案设计的变频调速控制器的结构示意图。
从图5可以看出，采用共地方案设计的变频调速控制器，减少了用于PWM信号隔离的光电耦合器和开关电源的电源路数；简化了电流检测和电压检测电路，整个系统硬件设计在成本和性能上都得到很大程度的优化，满足了低成本、高性能要求。
5 结束语
变频调速技术是当前应用非常成熟的一种调速技术，由于其在调速方面特有的优势，在诸多调速领域都得到广泛应用，变频调速控制器就是一个典型的应用。文中提到的两种设计方案都具有一定的代表性：隔离方案比较成熟，应用也较多，但硬件成本相对较高；基于单电源IPM模块的共地方案具有更大有吸引力，在满足性能的前提下，能够最大程度地降低硬件成本，极大地提高了产品的市场竞争力。而且，共地方案已经成功应用到的工业变频器产品开发中，并且已经实现了产品化，实践证明采用共地方案设计变频调速控制器是可行和可靠的，非常值得推广应用。
