1.3 变频器的电路结构
1.3.1 通用变频器电路概述
变频器应用了强弱电混合技术，一边要处理巨大电能的转换，一边要处理信息的收集、变换和传输，因此通用变频器分成功率转换和弱电控制两大部分，即俗称的主电路部分与控制电路部分。
如图1-27所示，变频器的主电路部分要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，这里采用整流、逆变控制方式；变频器的控制电路部分要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬、软件开发问题，这里采用DSP全数字控制技术。
1.3.2 通用变频器主电路
1. 主电路构造
通用变频器一般都是采用交直交的方式组成，其主回路包括整流、制动及逆变等部分。在图1-28中，T1～T6是主开关元件，VD1～VD6是全桥整流电路中的二极管；VD7～VD12这6个二极管为续流二极管，作用是消除晶体管开关过程中出现的尖峰电压，并将能量反馈给电源；L为平波电抗器，作用是抑制整流桥输出侧输出的直流电流的脉动，使之平滑。晶体管T1～T6的开关状态由基极注入的电流控制信号来确定。
（1）整流部分
通常又被称为电网侧变流部分，是把三相或单相交流电整流成直流电。常见的低压整流部分是由二极管构成的不可控三相桥式电路，或由晶闸管构成的三相可控桥式电路。
（2）直流环节
由于逆变器的负载是异步电动机，属于感性负载，因此在中间直流部分与电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量的交换一般都需要中间直流环节的储能元件（如电容或电感）来缓冲。
（3）逆变部分
通常又被称为负载侧变流部分，它通过不同的拓扑结构实现逆变元件的规律性关断和导通，从而得到任意频率的三相交流电输出。常见的逆变部分是由6个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。
（4）制动或回馈环节
由于制动形成的再生能量在电动机侧容易聚集到变频器的直流环节形成直流母线电压的泵升，需及时通过制动环节将能量以热能形式释放，或者通过回馈环节转换到交流电网中去。
2. 全控型电力电子器件
（1）门极关断（GTO）晶闸管
1964年，美国第一次试制成功了500V/10A的门极关断（GTO）晶闸管。自20世纪70年代中期开始，门极关断（GTO）晶闸管的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A规格的产品，目前已达9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。图1-29所示为三菱FGR3000FX-90DA系列GTO的外观与符号，其通态平均电流为780A，同时能承受4500V电压。
图1-27 通用变频器电路结构
图1-28 通用变频器的主电路构造
图1-29 三菱FGR3000FX-90DA系列GTO的外观与符号
a）外观 b）符号
在当前各种自关断器件中，门极关断（GTO）晶闸管容量最大、工作频率最低（1～2kHz）。GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流；GTO通态压降大、dU/dt及di/dt耐量低，需要庞大的吸收电路。目前，GTO虽然在低于2000V的某些领域内已被GTR和IGRT等替代，但它在大功率电力牵引中有明显的优势。
（2）大功率晶体管（GTR）
GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于20世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400V/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管的固有特性，又增大了功率容量，因此由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电动机控制及通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。图1-30所示为富士1D600A-030GTR模块的外观。
图1-30 富士1D600A-030 GTR模块的外观
（3）功率MOSFET
功率MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小。功率MOSFET的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。图1-31所示为三菱FM200TU-07A系列功率MOSFET外观和工作原理。
图1-31 三菱FM200TU-07A系列功率MOSFET外观和工作原理
a）外观 b）工作原理
3. 复合型电力电子器件
（1）绝缘门极双极型晶体管（IGBT）
IGBT是由美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，当时容量仅500V/20A。IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合体。通过施加正向门极电压形成沟道，提供晶体管基极电流使IGBT导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道，使IGBT因流过反向门极电流而关断。IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受青睐。
如图1-32所示，IGBT是GTR与功率MOSFET组成的达林顿结构，即由功率MOSFET驱动PNP晶体管，其中RN为晶体管基区内的调制电阻。
图1-32 IGBT原理
IGBT的驱动原理与功率MOSFET基本相同，它是一个场控器件，通断由栅射极电压UGE决定。具体特性如下。
导通：当UGE大于开启电压时，功率MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。
导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。
关断：栅射极间施加反压或不加信号时，功率MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
图1-33所示为三菱其中一种IGBT模块CM150E3Y2-24NF的外观，它具有高输入阻抗、电压控制、驱动功率小、开关频率高、饱和压降低、电压和电流容量较大以及安全工作频率宽等优点。
图1-33 三菱IGBT模块CM150E3Y2-24NF的外观
（2）MOS控制晶闸管（MCT）
MCT最早由美国GE公司研制，是由功率MOSFET与晶闸管复合而成的新型器件。每个MCT器件由成千上万的MCT元组成，而每个MCT元又是由一个PNPN晶闸管、一个控制MCT导通的功率MOSFET和一个控制MCT关断的功率MOSFET组成。MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。图1-34所示为HARRIS公司的MCT3D65P100F2系列MCT的外观与工作原理。
图1-34 HARRIS公司的MCT3D65P100F2系列MCT的外观与工作原理
a）外观 b）原理
（3）功率集成电路（PIC）
将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，就制成了PIC。一般认为，PIC的额定功率应大于1W。功率集成电路还可以分为高压功率集成电路（HVIC）、智能功率集成电路（SPIC）和智能功率模块（IPM）。这里以最常用的IPM为例进行介绍。
IPM除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过电压、过电流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至CPU，以保证IPM自身在任何情况下不受损坏。当前，IPM中的功率器件一般选用IGBT。由于IPM体积小，可靠性高，使用方便，故深受用户喜爱。IPM主要用于交流电动机控制、家用电器等。图1-35所示为富士6MBP15RH060系列IPM的外观与原理。
图1-35 富士6MBP15RH060系列IPM的外观与原理
a）外观 b）原理
1.3.3 控制回路结构
控制回路包括变频器的核心软件算法电路、检测传感电路、控制信号的输入/输出电路、驱动电路和保护电路。
现在以通用变频器为例来介绍控制回路，如图1-27所示，它包括以下几个部分。
（1）开关电源
变频器的辅助电源采用开关电源，具有体积小、效率高等优点。电源输入为变频器主回路直流母线电压或将交流380V整流。通过脉冲变压器的隔离变换和变压器二次侧的整流滤波可得到多路输出直流电压。其中+15V、-15V、+5V共地，±15V给电流传感器、运放等模拟电路供电，+5V给DSP及外围数字电路供电。相互隔离的四组或六组+15V电源给IPM驱动电路供电。+24V为继电器、直流风机供电。
（2）DSP（数字信号处理器）
变频器采用的DSP通常为TI公司的产品，如TMS320F240系列等。它主要完成电流、电压、温度采样，六路PWM输出，各种故障报警输入，电流、电压频率设定信号输入，还完成电动机控制算法的运算等功能。
（3）输入/输出端子
变频器控制电路输入/输出端子包括以下内容。
1）输入多功能选择端子、正反转端子及复位端子等。
2）继电器输出端子、开路集电极输出多功能端子等。
3）模拟量输入端子，包括外接模拟量信号用的电源（12V、10V或5V）及模拟电压量频率设定输入和模拟电流量频率设定输入。
4）模拟量输出端子，包括输出频率模拟量和输出电流模拟量等，用户可以选择0/4～20mA直流电流表或0～10V的直流电压表，显示输出频率和输出电流，当然也可以通过功能码参数选择输出信号。
（4）SCI口
TMS320F240支持标准的异步串口通信，通信波特率可达625kbit/s。具有多机通信功能，通过一台上位机可实现多台变频器的远程控制和运行状态监视功能。
（5）操作面板部分
DSP通过SPI口，与操作面板相连，完成按键信号的输入、显示数据的输出等功能。
1.3.4 PWM控制输出
1. 交流输出的原理
变频器经整流回路后就形成了直流电源，再通过IGBT，最后输出交流电。其中IGBT的6个开关S1～S6像图1-36那样导通、关断，那么负载电压就成为矩形波交流电压（如图1-37所示），其大小等同于直流电压源电压。
需要注意的是，在IGBT导通过程中，上下桥不能同时导通，如S1和S4刚好隔半个周期出现，否则就会形成桥臂直通短路。
2. 变频器输出波形的调制
变频器输出电压的控制主要有PAM、PWM和SPWM三种方式。
图1-36 逆变的原理
图1-37 输出三相交流波形
（1）PAM（Pulse Amplitude Modulation）
PAM即脉幅调制，是一种改变电压源电压的幅值进行输出控制的方式。采用PAM调节电压时，高电压及低电压时的输出电压波形如图1-22所示。
（2）PWM（Pulse Width Modulation）
PWM即脉宽调制，是通过改变调制周期来控制其输出频率的控制方式。以单极性调制为例，其输出波形正负半周对称，主电路中的6个IGBT开关器件以S1-S2-S3-S4-S5-S6-S1顺序轮流工作，每个开关器件都是半周工作，通、断6次输出6个等幅、等宽、等距脉冲列，另半周总处于阻断状态。
（3）SPWM（Sine Pulse Width Modulation）
SPWM即正弦波形脉宽调制。调制的基本特点是在半个周期内，中间的脉冲宽，两边的脉冲窄，各脉冲之间等距而脉宽和正弦曲线下的积分面积成正比，脉宽基本上成正弦分布，见表1-2。经倒相后正半周输出正脉冲列，负半周输出负脉冲列。由波形可见，SPWM比PWM的调制波形更接近于正弦波。
表1-2 逆变器的调制方式
1.3.5 变频器驱动电路
如图1-38所示，变频器驱动电路用于将主控电路中DSP所产生的6个PWM信号经光耦隔离和放大后，作为逆变模块的驱动信号。
图1-39所示为典型的IGBT驱动结构，它包括隔离放大电路、驱动放大电路和驱动电路电源。
1. 分立式元件驱动电路原理
变频器中对驱动电路的各种要求因换流器件的不同而有所变化。图1-40所示为一典型的变频器驱动电路，它包括隔离放大、驱动放大和驱动电源三部分。
（1）隔离放大电路
驱动电路中的隔离放大电路对PWM信号起隔离与放大的作用，为了保护变频器主控电路中的CPU，当CPU送出PWM信号后，首先应通过光耦隔离集成电路将驱动电路和CPU隔离，这样当驱动电路发生故障和损坏时，不至于将CPU也损坏。
隔离电路可根据信号相位的需要分为反相隔离电路和同相隔离电路两种，具体如图1-41所示。隔离电路中的光耦容易损坏，它损坏后，主控CPU所产生的PWM信号就给隔断，自然这一路驱动电路中就没有驱动信号输出了。
（2）驱动放大电路
驱动放大电路是将光耦隔离后的信号进行功率放大，使之具有一定的驱动能力，这种电路一般都采用双管互补放大的电路形式，驱动功率要求大的变频器，驱动放大电路采用二级驱动放大。同时，为了保证IGBT所获得的驱动信号幅值控制在安全范围内，驱动电路的输出端串联两个极性相反连接的稳压二极管。
驱动放大电路中容易损坏的器件是晶体管，这部分电路损坏后，若输出信号保持低电平，相对应的换流元件处于截止状态，不能起到换流作用。
图1-38 驱动电路示意
图1-39 IGBT驱动结构
如果输出信号保持高电平，相对应的换流元件就处于导通状态，当同桥臂的另外一个换流元件也处于导通状态时，这一桥臂就处于短路状态，会烧毁这一桥臂的逆变模块。
（3）驱动电路电源
图1-42所示为典型的驱动电路电源，它的作用是给光耦隔离集成电路的输出部分和驱动放大电路提供电源。注意一点，驱动电路的输出不在Up 与0V之间，而是在Up与Uw之间。当驱动信号为低电平时，驱动输出电压为负值（约-Uw），保证可靠截止，这提高了驱动电路的抗干扰能力。
图1-40 变频器驱动电路
图1-41 隔离电路的原理图
a）反相隔离电路 b）同相隔离电路
图1-42 典型的驱动电路电源
2. 集成芯片式驱动电路原理
在驱动电路中，集成芯片（IC）驱动是比较常见的一种，比如图1-43所示的PC929就是驱动IC。驱动IC的供电是由开关变压器一次绕组来的整流滤波后的电压，又经R、WDCDR23、DD31稳压电路分为正负供电，+15V为驱动电路的正供电或激励电压。-9V为驱动电路的负供电或截止电压。正负电压的公共点0V称为零电位点，与IGBT的射极相连。
图1-43 PC929驱动原理图
小功率变频器是由驱动IC直接驱动IGBT的，对大中功率变频器来说，驱动脉冲的引出电阻DR67为栅极电阻，驱动脉冲即是由此电阻引入到IGBT栅极的。PC929的外观结构与原理如图1-44所示。
图1-44 PC929的外观结构与原理
a）外观结构 b）原理
PC929的1、2、3引脚为信号输入端，内接光电耦合器的输入发光二极管；4、5、6、7引脚为空脚（NC）；8引脚为OC信号输出端；9引脚为过电流检测输入端；10、14引脚为输出侧负电源端；11引脚为驱动信号输出端。PC929的最高供电电压为35V，峰值驱动电流输出为400mA，隔离电压为4000V。