工业控制领域，变频器与交流电动机是一对拍档，变频器主要功能是节能和调速。变频器(Variable-frequency Drive，VFD)是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器集成有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

　　图1、变频器电路组成(图源：智玩无疆)

　　变频器的主控芯片可选德州仪器的F28M36x、意法半导体的ST10F269Z2、英飞凌的XMC4800-F144F2048、兆易创新的GD32F303RCT6等，核心电路有：

　　1、整流电路：主要由整流桥组成;将交流电(市电)经过全桥整流后成直流电。对于三相380V的交流电，经整流后，直流电压理论值为380X1.414≈537V;而单相220V的交流电，经整流后，直流电压理论值为220X1.414≈310V。整流桥品牌有英飞凌/国际整流器、亚德诺/凌力尔特、赛米控、意法半导体、长虹、固锝、辰达行、平尚科技、萨科微、沃尔德、德尔诚、成利泰、常州瑞华、柳晶等。

　　2、缓冲电路：抑制在上电瞬间的冲击电流。由电解电容的工作原理可知，变频器在上电瞬间，电容的两端电压不会突变，而电容两端的电流会突变，此时电容两端相当于短路。若没有缓冲电路(充电电阻)，整流桥会因为电流过大而损坏。缓冲电路起到了保护整流桥的作用。

　　3、滤波电路：一般电解电容的耐压值为400V;而三相380V的交流电，经整流后，直流电压理论值约为537V。因此滤波电容器，只能由两级电解电容串联而成。由于电解电容的容量不可能绝对相同，串联之后两级电解电容上的电压分配是不均衡的，会导致两个电解电容的使用寿命不一样。为了解决电压不均衡的问题，需在两个电解电容两端分别并联阻值相同的均压电阻。缓冲和滤波电路用到的电解电容品牌有尼吉康、松下、红宝石、贵弥功、三莹、提迪凯/爱普科斯、凯琦佳、立隆、万裕、智旭、蓝宝石、江海、艾华、华威、凯普松、江浩等。

　　4、逆变电路：将直流电(直流母线)转换成交流电的电力电子电路。在逆变桥里的多个IGBT组成。每个IGBT里都集成一个续流二极管，其作用是为电机的定子绕组反馈能量(电机发电)提供回路。当电机处于发电状态时，其电能可通过续流二极管流向直流回路，电解电容充电。IGBT品牌有英飞凌、三菱、富士通、东芝、日立、安森美、士兰、陆芯、芯派、森未科技、新佳、斯达等。

　　变频器按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器。电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

　　变频器按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器。

　　变频器按照供电电压可以分为低压变频器、中压变频器和高压变频器。低压变频器国内常见的有单相220V变频器、三相220V变频器、三相380V变频器，中压变频器常见有500V、660V和1140V变频器，高压变频器常见有3kV、6kV、10kV变频器，控制方式一般是按高低——高变频器或高——高变频器方式进行变换的。

　　按供电电源的相数分为：单相输入变频器和三相输入变频器。

　　按照其控制方式分为V/f控制变频器(VVVF控制)、VC控制变频器、直接转矩控制、SF控制变频器。其中V/f控制就是保证输出电压跟频率成正比的控制。低端变频器都采用这种控制原理;VC控制是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。一般用在高精度要求的场合;直接转矩控制就是将交流电动机等效为直流电动机进行控制;SF控制(转差频率控制)就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。是高精度的闭环控制，但通用性差，一般用于车辆控制。

　　变频器广泛应用于发电、石油钻探、建材、钢铁等社会工业领域，被称为现代工业的基石。目前国内带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8亿千瓦，由此为变频器的应用提供了极为巨大的市场。工程师如何设计一款变频器呢?我们分析两款变频器以便选型参考。

　　1、施耐德 ATV630U15M3 1.5kW/2HP变频器(标准版)。

　　图2、施耐德变频器主控板(图源：变频器世界)

　　主控芯片：德州仪器的F28M36x Concerto，一颗工业级32位ARM Cortex-M3 MCU，集成有种类广泛的通信外设，包括以太网1588、带PHY的USB OTG、控制器局域网(CAN)、UART、SSI、I2C和一个外部接口。实现精密PWM电机控制、通信和片上过流/过压保护。

　　FPGA芯片：莱迪思的MachX02 4000HC，一颗桥接和扩展FPGA芯片。实现逻辑性信号滤波功能。

　　电路板上还有纽扣电池、接口、网口、阻容感和接口等配套器件。

　　图3、施耐德变频器功率板(图源：变频器世界)隔离：博通/安华高的ACPL-332J(5颗)。这是一款2.5A的IGBT栅极驱动光耦，集成有(VCE)去饱和检测、故障状态反馈和有源米勒钳位功能。

　　隔离：博通/安华高的ACPL-798J(5颗)。这是一款采用光学隔离技术的Sigma-Delta调制器，采用LVDS接口和外部时钟。

　　隔离：博通/安华高ACPL-W611(2颗)。这是一款速度为10MBd的高速高共模抑制比的TTL兼容光耦。

　　分流电阻：TT Electronics的R305F(6颗)，是阻值为35mΩ的分流电阻。

　　隔离型开关电源：意法半导体的ST6N95K5，这是一款950V/9A的N沟道功率MOSFET管。

　　浪涌电流抑制器：松下的AJQ8341F，这是一款12V/10A的小型功率继电器;

　　限流电阻：美光(2颗)39Ω/7W的大功率电阻。

　　图4、施耐德变频器功率板(图源：变频器世界)

　　整流器和逆变器：英飞凌的FP50R06W2E3。这是一款带Trench/Fieldstop IGBT3的600V/50A Easy PIMTM模块，采用PIM 3相位输入整流器配置。

　　隔离：博通/安华高的ACPL-332J(3颗)。这是一款2.5A的IGBT栅极驱动光耦，集成有(VCE)去饱和检测、故障状态反馈和有源米勒钳位功能。

　　图5、施耐德变频器通讯板(图源：变频器世界)

　　以太网接口控制器：德州仪器的AM3352 Sitara MCU。这是一颗ARM Cortex-A8处理器，集成有包括EtherCAT和PROFIBUS在内的工业接口选件。

　　以太网磁性变压器：Halo Electronics的TG110。这是一颗SMD单端口10/100Base发送变压器。

　　其他电源芯片、阻容感和接口器件等。

　　2、SEW MOVIDRIVE®B变频器型号：MDX61B0015-2A3-4-OT。基本参数：3相200至240V电源电压，2.2kW(3HP)，AC 7.3A输出。

　　图6、SEW变频器主控板(图源：金锐芯)

　　主控芯片：意法半导体的ST10F269Z2。一颗集成MAC单元的16位MCU，带40位累加器、128至256KB闪存和12KB RAM;在40MHz最大CPU时钟下50ns指令周期时间。负责PWM电机控制和通讯。

　　静态RAM：英飞凌/赛普拉斯的CY7C1041D，一颗异步4Mbit(256K×16)容量RAM。主要参数：并行10ns;高速tAA = 10ns/15ns;用于单比特纠错的嵌入式ECC;低有效(典型ICC = 38mA)和待机(典型值为6mA)电流;1.0V数据保持。

　　FPGA芯片：英特尔/阿尔特拉的EPM3128ATC100-10N，基于CMOS的可编程逻辑器件(PLD)。128个宏单元和8个逻辑阵列块(LAB);192.3MHZ最高工作频率和5ns最大传播延迟。

　　隔离：安森美/飞兆的MOCD213M。双通道光电晶体管输出光耦(4颗)。主要参数：输入电流为10mA时，最小电流传输率为100%;最低70V的BVCEO;2500VAC (rms)的高输入输出隔离。

　　隔离：博通/安华高的HCPL-061N。HCMOS兼容、高共模抑制CMR、10MBd速率的光电耦合器。输出类型：集电极开路。隔离电压：3750Vrms。

　　插拔式连接器：菲尼克斯的MSTB2.5，可插拔接线端子(4颗)。主要参数：12A，额定电压(III / 2)：320V。

　　图7、SEW变频器控制板(图源：金锐芯)

　　变压器：Egston(Pulse Electronics)定制变压器(2颗)。

　　降压转换器：德州仪器的UC2827-1。电流/电压馈送推挽PWM控制器。主要参数：最低输入(Vin Min)：8.4V;控制器最高输入(Vin Max)：20V;最高频率500kHz。

　　肖特基整流器：意法半导体的STPS3045。双中心抽头肖特基整流器适用于开关电源和高频DC-DC转换器。主要参数：工作电压：45V;IF(AV)：2 x 15A;VRRM：45V。

　　综上所述，我们所见的芯片品牌几乎源自欧美和日本，国产芯片Design In到工控变频器里任重而道远。碎片化的工控芯片市场，以终端产品会长期运行在极高/低温、高湿、强盐雾和电磁辐射的恶劣环境中为前提，所以在稳定性、可靠性和安全性方面要求会比商业级高。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平台，过去数年已积累了丰富的工业芯片的优势货源。我们聚焦服务元器件长尾客户群，让每一家芯片原厂或分销商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，帮助工程师的方案选型、试样及采购，为电子产业供需略尽绵薄之力。

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