1、直流母电路工作原理
图1
变频器工作原理
10KVA的小型变频器机型，采用了集成化功率模块作为主电路，模块将三相整流电路
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与三相逆变输出电路集成在一起，从而提升整机性能和安装面积，机型做得紧凑。三相380V电源输入端子标有L1、L2、L3，三相输入端线-线之间并接有压敏电阻和与机器外壳相连的电容器件，经二极管全桥整流后经充电电阻，给直流电路的储能电容充电，至充电接触器KM闭合后给变压气的初级线圈供电。压敏电阻用以吸收电网侧的尖峰电压，保障输入整模块的安全。三只电容形成自然星点，使得外壳与输入电源之间不会积累过多电荷形成太高的电场强度。380V50Hz电压经过不控全桥整流后变成540V300Hz的脉动直流，并不是直接滤波电容上，而是先经过充电电阻对模块的外接电容进行充电，等电容上充到一定的幅值时，DSP控制继电器闭合，继电器接通将电阻短路，变频器进入待机状态。直流储能电容上并联电阻提供了在变频器停电后，对电容上所储存电荷的释放回路。直流储能电容一般容值比较大，而三相输入电压的幅值又比较高，机器上电瞬间储能电容形同短路，瞬时的电流是很大的浪涌电流，不但有可能使三相整流电路严重过载而损坏，也因浪涌充电对电容的电极形成冲击而造成电容的损坏，还有可能使变频器外接三相电源开关因过载而跳脱而无法投入电源，故接入充电电阻以在上电的瞬时对储能电容充电缓冲。
D13和Q10构成直流制动的模块，在D13的阴极和Q10的射极即外接制动电阻的端子，当电压检测电路检测到异常高的电压时，开关管的基极就会受到制动控制信号，开关关接通，将外界制动电阻接到直流回路中，对电动机的反电再生能量进行消耗，以维持直流电流的电压值在允许值以内。三项逆变桥电路由六只IGBT构成，六个管子受到脉冲驱动电路来的六路PWM脉冲信号控制，有序地开通和关断，从而将直流电源逆变为频率可变的交流电源，上三臂IGBT的射极不是同电位点，故有六线的脉冲信号输入端子，下三臂IGBT的射极同电位，故三路脉冲有四线的脉冲输入端子就可以了。2、4、6引脚引出对桥臂之间的电压信号进行采样，防止逆变电路逆变管中出现损坏而是电路短路。三相变频电源逆变的输出端子标注U、V、W接电动机的三相电枢绕组，加电形成旋转磁场带动电机的转子进行旋转，输出机械功率。
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2、开关电源工作原理
图2
开关变压器的初级震荡开关电路，主要由震荡芯片UC2844，开关管（场效应晶体管）及附属的元件构成，直流母电路的电压经变压器的初级绕组接入开关管的Q6的漏极经过电阻接地以形成工作电流的通路，同时经过电阻R34~R41等将电流信号引到UC3844的电流反馈引脚，电路起振后，开关管流过初级绕组的电流在变压器铁芯中产生感生磁场，在变压器电源的次级感应出电压，变压器7中产生的感应电压经过二极管半波整流以后连接到UC2844，给其电源VCC供电，提供UC2844电路的起振电流和电压，变压器6的输出电压通过光耦电路进行信号放大连接到UC2844的电压反馈端，UC2844的输出引脚输出PWM波来驱动原边的MOSFET工作，形成单端正激电路的原边回路。在MOSFET的栅极和源记之间并联电阻和稳压管，防止在开关管截止时由于静电感应现象使开关管误导通。电阻、电容并联后和二极管串联反并于初级变压器的两端不仅构成了MOSFET关断时的磁复位通路，而且具有缓冲作用，软化了开关过程，降低了加在MOS管的浪涌电压，
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还减小了开关的损耗，在MOS管的GS极并联稳压管防止MOS管进入深度饱和，减小延迟，加速关断过程。
在开关变压器的次级共形成了五路供电电源，次级变压器的8和9由同一个变压器经中心抽头，C37和C38为滤波的电解电容，其中电源V1的输出经过二极管整流后给上三臂驱动光耦的电源提供变压的原级电压以产生三路隔离的电源为上三管的触发信号的放大电路提供电压，电源V2经过稳压管输出给下三桥臂不需要隔离的三个开关管的光耦驱动电路以及逆变桥前一级的制动回路的Q12管的驱动电路的光耦供电还给UC2844供电，次级变压器的8、9也经过中心抽头为风扇驱动电路和霍尔元件供电，还有一路变压器独立供电给DSP模块的开关电源中的原级变压器提供电压，在变压器的输出端都并上了一个电解电容进行滤波，以减小输出电压的脉动量。
3、开关管驱动电路（UC2844控制电路）
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UC2844产生PWM波来控制开关电源中MOSFET的导通和截止，各引脚的功能为：11、12脚为电源的供电引脚，1为误差放大器的输出端，1、3之间为阻容反馈网络，与内部电路构成闭环调节器，3为误差放大器的反向输入引脚，该端接有输出电压回路来的反馈信号，5脚为电流检测比较器输入端，该端接电流或电压检测信号，以实现过流或过压保护，7脚为振荡定时元件接入端，14脚为基准电压输出端子，能够提供标准5V电压供振荡定时电路使用，10引脚为振荡定时电压输出端，经一外接电阻直接驱动电源开关管。
变压器次级产生的感应电压经过二极管半波整流以后连接到UC2844的11、12脚为本电路提供起振电压和电流，变压器原边五个采样电阻将电流信号转化为电压信号输入UC2844的电流反馈引脚，反馈电压的输入信号是来自变压器的一个绕组，经电阻接至3引脚，当驱动电压升高到一定值的时候会导致稳压管D35击穿，此信号会叠加在电流采样信号上，电路将实施限流与保护动作，UC2844的输出引脚的开关脉冲经电阻加到MOSFET的栅极，提高了开关管的截至速度，电阻R100和R101为输出限压电路，以控制内部放大器的增益。
1脚与14脚之间有一个输出电压过冲抑制电路，即可以限制输出电压的幅值，由电阻R100、R101、R102、R104构成，工作期间若某种原因使工作电压过低时，经1、3内部放大器处理，1脚将输出过高的误差电压，由后级控制开关管的导通时间变长，输出电压幅值上升。当反馈电压升到一定幅值时，三极管导通，将使UC2844内部输出放大器的输出限幅，从而避免电压过冲。当3引脚输出电压过高双极性晶体管的射极电压高于14脚的基准电压时，晶体管导通，将3脚电压拉低，限制了开关管触发脉冲的占空比，从而将该输出电压限制在一定的幅值范围内。
UC2844输出PWM波控制单端正激电路中MOS管的开通和关断，副边变压器驱动光耦经三极管放大引入电压负反馈，由五个并联的贴片电阻引入开关管工作电流的反馈信
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号，两个信号的引入供内部电路控制输出激励脉冲的占空比，以适应负载变化造成的输出电压变化，负载调整率好，又由于贴片电阻上测得的电流峰值信号能够快速参与输出控制，所以能较灵敏地限制输出电流，对开关管的过流实施过流保护。
6.IGBT上三桥臂驱动电路电源
图6
IGBT由于上三个管子需要隔离的触发脉冲驱动才能工作，为此原边变压器与次级的三个变压器构成反激变换器，三个变压器互相隔离分别为不同的管子的光耦驱动电路进行供电，如图所示芯片HCF4047的各个管脚的功能如下：14、7管脚有电源提供电压为芯片工作电压，1和2管脚分别连接电阻电容通过3引脚连接在一起形成振荡电路，4、5、脚可输出相位相反的两个稳定的脉冲信号，6、8管脚可输出正负两个触发脉冲，13管脚可输出频率一定的振荡信号，11和10管脚分别输出反响的PWM 形用以控制四只互补的三
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极管工作，相当于反激变换器的开关管，通过调节电阻和电容的阻值和容值可以改变输出的PWM波形控制原边的占空比。当11管脚输出为高电平的时候，10管脚输出的为低电平此时，Q4和Q6管子导通变压器电压下正上负，当11管脚输出为低电平的时候10管脚输出的则为高电平，此时Q2和Q4管子导通，此时变压器输出电压为下正上负，在铁芯中就会感生形成磁场，就会在副边的三个绕组中形成感应电压，经过整流后给上三臂需要隔离的光耦驱动电路提供驱动电压。
4、电流检测电路工作原理
图4.1
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图4.2
霍尔元件用来检测电枢绕组各相电流的大小，当电流过大或过小时DSP会产生故障信号，来控制主电路的工作。霍尔的5、6脚接在逆变桥的输出靠近电枢绕组侧，来检测电枢绕组中的电流，各个相线上的四管脚连接在一起作为电源的供电端，1管脚为接地或者是负电压端，5、6引脚的输入电流放大后经3管脚输出，在霍尔的管教上并联二极管，放置电路中出现反流，使电路工作异常。
在小型功率等级的机型在U、V相输出回路传入及毫欧姆的电阻，以取出两路的电流信号，对于本电路则由霍尔元件及前置电流检测放大电路构成的电流互感器，将三路U、V、W信号直接通过插针传到DSP主板上，用作输出电流显示及参与程序控制，三路电流信号经运算放大器1、2、3放大处理成三相电流的合成信号，此合成的电流信号不必区分分别是哪一路的相电流，只在有异常的大电流输出时，后级电路便报出故障信号，这一路处理为保护电路的形成，当电路中电路轻微过流时，变压器实施降速限流等措施，并不马上停机但是延时无效时将停机保护，当输出严重过流时变频器实施快速过流停机保护，并
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显示故障代码。电流互感器损坏以后，在静态时就输出一个较高的直流正电压，多为内部运算放大器损坏，变频器上电自检的时候，就会显示故障信息，变频器拒绝启动操作。
8、上三个桥臂的驱动电路
图8
开关电源的次级绕组的输出经过整流稳压以后给光耦A3120V的VCC引脚供电，该光耦的引脚功能为：1和4引脚为空引脚，2和3引脚为输入电流信号的引脚，由3引脚接受DSP产生的负相脉冲，2引脚连接DSP供电电源，当有电流信号流过的时候，二极管会发光，使内部的三极管导通并在6和7引脚输出电压信号，6和7引脚在内部是连接在一起的， 8引脚为外接直流电压供光耦内部的驱动和放大电路使用，5较为接地引脚。
DSP产生控制开关管出发导通的PWM波，但是由于输出的PWM波的功率比较低，经过光耦进行隔离驱动IGBT导通，但是由于光耦本身的驱动能力是有限的，驱动大功率IGBT时须外加功率驱动级，主要提供电流放大以直接驱动IGBT，当DSP的输出脉冲处于低电平期间的时候，光耦输出端的上面一个晶体管导通，此时输出引脚6和7通过电阻给
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三极管Q14提供基极电流，Q14正偏将放大后的电流送至芯片并经过芯片稳压后经过电阻引至逆变电路的上三管之一给IGBT提供驱动信号。当DSP向光耦的三引脚输入高电平的时候，光耦的输出端内部的下面一个开关管正偏导通，使得Q14管迅速反偏截止，提供给IGBT反偏截止电压，使管子迅速截止，由于IGBT栅极和射极间结电容的存在，对其开通和截止的控制过程，实质上是对IGBT栅极和射极间结电容进行充放电的过程，这个充放电过程形成了一定的峰值电流，故功率较大的IGBT模块须由功率放大电路来驱动。上三个桥臂的驱动电路分别由经过变压器隔离电源产生，并分别给三个光耦驱动电路供电，三个光耦的输入信号分别来自不同的脚以分别给三个光耦供电以隔离驱动三个IGBT。
9、下三个桥臂的驱动电路和保护电路
图9
上三臂的驱动电源是独立的，下三臂的供电是公用的，上图为驱动下三桥臂的IC为A3120V，内部电路为一只光耦合器，为互补电压跟随输出，具有400毫安的电流输出能力，在驱动大功率的IGBT模块需外置放大级。在变频器脉冲驱动电路中，由TLP621构成
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的对导通管压降检测的电路与A3120V配合使用。
A3120V的引脚功能为：1、4为空引脚，2、3为信号输入引脚，2引脚接光耦合器发光二极管的阳极，3脚内接发光二极管的阴极，8、7脚为正负电源供电端，8脚和5脚短接以使内部输出和控制回路公用电源，6脚为输出端，内接互补电压跟随器的输出中点。
A3120V的供电电压来自于变压器的副边绕组经整流和稳压后取得。C62起滤波作用，从DSP来的激励脉冲，经过贴片电阻R65~R67输入到A3120V的2、3引脚之间，在争相脉冲来的时候，A3120V内部光耦合器开通，6引脚输出峰值为正的驱动电压，经过三极管Q20放大后从其射极输出，送至逆变模块中下臂IGBT的栅极，使其快速开通；在无脉冲或负相脉冲期间，6脚输出为负电压，使三极管迅速截止，从而使驱动的IGBT迅速截止和维持截止状态。
由于逆变器损坏后，驱动模块也会受到强烈的冲击而损坏，因为驱动模块的电源供电不足或者丢失的时候会出现输出不平衡、电机跳动等现象，甚至会引起IGBT不能截止而引起误导通，形成对直流供电的短路，已投入运行就会出现模块炸裂的故障，所以要对其进行保护。DSP在激励脉冲发送期间，TLP621的外围电路侦测A3120V所驱动IGBT的导通压降，若因管子损坏或负载电流过大时，IGBT的管压降大于阈值电压时，进过Q19放大后会高于A3120V的输入电压时，TLP621的输出就为低电平，DSP内部保护电路就会自动切断激励脉冲的输出，实施停机保护并显示代码。
7、故障保护电路
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如图所示的光耦构成稳压电路，变压器的输出经过整流后经过电阻作为光耦1管脚的输入，变压器的输入的另一路也经过整流还有电阻到A3流入Q25的基极，经过线性放大后从射极输出给DSP电源提供电压，集电极输出经过电阻送至TLP621的2脚电，D37、D38的作用是防止三极管进入深度饱和状态，影响三极管的开关速度。TLP621的3引脚输出经过电阻为Q26提供正偏电压，同时通过电阻接至反馈电压端，与内部误差放大器的基准电压进行比较，输出控制电压控制内部PWM波发生器，改变UC2844输出引脚PWM脉冲的占空比，从而控制MOSFET的开通与截止时间，维持二次绕组输出电压的稳定。
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该电路用于电路的故障保护兼有控制启动的作用，上电启动时继电器断开，使电阻接入电路以对电路电路进行保护，当启动完毕，变频器进行正常工作的时候光耦检测电路中的电压，然后经过隔离，送入DSP，与基准电压进行比较，当检测到电压为正常工作时候的电压时，则输出控制信号给光耦3，光耦三的输出经过三极管基级放大后，使得继电器的吸合磁铁中产生吸力，使得常闭触电闭合，使电阻短路，电路进入正常工作。当电路中电压升高时光耦3也会检测到高电压，DSP会对高电压进行处理，然后控制光耦3使得继电器的长闭触电断开，对电路进行限流保护，若高电压延时过长则DSP会控制电路切除。
5、风扇散热电路
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图5
散热风扇的状态与模块温度升高的情况密切相关，经常将温度检测和风扇检测的信号两路并一路，无论是温度传感器还是散热风扇损坏，都会发出过热保护的故障，而风扇可根据模块温度升高的情况，有必要地运转或者停机，避免变频器上电后风扇一直运转而使风扇寿命缩短的弊端，风扇经两个端子接入线路，当温度升高的时候，DSP发出控制风扇驱动的光耦输入端的电流信号会变强，随着温度的越高，输入光耦的信号就会越强，当有信号输入光耦的时候，光耦的3、4引脚就会有输出电压信号，就会驱动MOSFET导通，就会有电流流过风扇是风扇工作，且输出电压越大，由于功率管的线性放大作用输出的驱动风扇的电信号就会越强，风扇的速度就会越快，散出的热量就会越多，随着温度的降低，光耦输入端的电流信号就会变弱，使得光耦的输出电压就会降低，MOSFET驱动风扇的电压就会下降使得，当MOSFET截止的时候风扇就会停止工作。
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