基于DSP控制的數字移相器―變壓變頻器模塊的設計

圖7 TLP250驅動(dòng)IGBT

保護端為過(guò)壓、過(guò)流保護輸出端口，一旦過(guò)壓、過(guò)流，保護模塊將輸出高電平并且保持，禁止TLP250輸出脈沖，直到故障解除后復位。

本設計開(kāi)關(guān)頻率為10kHz，三極管BD237/238（NPN/PNP），VCBO=100V，集電極峰值電流Icm=6A（tP5ms）,完全可以達到要求。

R3、IGBT的門(mén)極之前，加一小電阻（一般為10～20Ω），用以改善IGBT的開(kāi)關(guān)波形，降低高頻噪聲。DSP的PWM輸出經(jīng)過(guò)上述TLP250光耦電路后的波形輸出見(jiàn)圖8。

圖8 Buck單元PWM經(jīng)過(guò)光耦后的波形輸出(×10)

可以看出，推挽后的電容C2為加速開(kāi)通和關(guān)斷作用；與C3并聯(lián)穩壓二極管產(chǎn)生恒定的5.1V反壓，當PWM輸出高電平，IGBT的CE兩端電壓差為8～9V，使IGBT導通；當PWM輸出低電平，IGBT的E極的5.1V反壓可以保證IGBT可靠關(guān)斷。

② 三相逆變橋SPWM驅動(dòng)的設計
TLP250光耦驅動(dòng)能力比較大（Io=±1.5A）可以直接驅動(dòng)中功率IGBT，本文已在上節作了詳細說(shuō)明，在此不再贅述，具體驅動(dòng)電路如圖9所示。

圖9 TLP250光耦直接驅動(dòng)IGBT

系統啟動(dòng)后，設置輸出調制正弦波頻率為50Hz（±0.01Hz），死區時(shí)間4.0μs時(shí)的SPWM經(jīng)過(guò)74HC244N緩沖驅動(dòng)后波形如圖10所示，死區時(shí)間如圖11所示，以上橋臂1（PWM1）和下橋臂4（PWM2）為例，上下對稱(chēng)，其中CH1通道觀(guān)測PWM1，CH2通道觀(guān)測PWM2。

圖10 EVA事件管理器輸出的SPWM波經(jīng)過(guò)光耦驅動(dòng)后的SPWM波形

由DSP的EVA事件管理器輸出的SPWM波經(jīng)過(guò)光耦驅動(dòng)后的SPWM波形見(jiàn)圖10。

IGBT逆變橋上下橋臂波經(jīng)過(guò)光耦驅動(dòng)后死區時(shí)間情況如圖11所示。

圖11 EVA事件管理器輸出的SPWM波經(jīng)過(guò)光耦驅動(dòng)后死區時(shí)間情況

2 A/D轉換采樣電路的設計
本設計選用Agilent公司的HCNR200/201。線(xiàn)性光耦真正隔離的是電流，要想真正隔離電壓，需要在輸出和輸出處增加運算放大器等輔助電路。

如圖12所示，輸入端電壓為Vin，輸出端電壓為Vout，有：VOUT=K3（R2/R1）VIN，其中，K3=1+0.05。一般取R2=R1，達到只隔離，不放大的目的。

輸入VIN=0～12V，輸出等于輸入，采用LM324運放集成芯片，電路如圖12所示。

圖12 線(xiàn)性光耦隔離電路

由于光耦會(huì )產(chǎn)生一些高頻的噪聲，通常在R2處并聯(lián)電容，構成低通濾波器，取C=10pF，有微小相移，約1.5kHz—0.2°，可以忽略。電阻R1和R2采用精密電阻，以達到最好的線(xiàn)性關(guān)系1:1。

采樣電阻分壓后，通過(guò)高精度線(xiàn)性光耦隔離，采樣信號Vout經(jīng)過(guò)一級電壓跟隨器后，輸入ADC，經(jīng)ADC模塊轉換為數字量，進(jìn)行PID運算處理后，輸出給調節量。

3 過(guò)流、過(guò)壓保護單元設計
① 過(guò)流保護單元設計
過(guò)流保護電路如圖13所示。

圖13 過(guò)流保護電路圖

過(guò)流保護的整定值可以通過(guò)改變R8來(lái)調節，當IIN—IOUT的電流超過(guò)整定值，電路輸出端送給處理器(DSP)或邏輯控制電路一個(gè)高電平信號（+5V），最終由控制回路調整主回路設置(如斷電)，從而實(shí)現過(guò)流保護。

② 過(guò)壓保護單元設計
過(guò)壓保護電路的基本原理和過(guò)流保護基本想同，唯一不同的是過(guò)壓保護電路不需要電流互感器，將LM393第二引腳直接與分壓采樣電阻想連。這里不再贅述。

實(shí)驗及結果分析
頻率輸出設定為50～100Hz時(shí)的測試結果如表1所示。

逆變輸出接三相阻性負載。

過(guò)流保護測試：
設定輸出門(mén)限直流電流為7.00A。保護電壓電流分別如表2所示。

部分實(shí)驗波形見(jiàn)圖14和圖15。

圖14頻率設定為50Hz時(shí)的逆變輸出三相負載線(xiàn)電壓波形

圖15 頻率設定為60Hz時(shí)的逆變輸出三相負載線(xiàn)電壓波形

① 實(shí)驗結果表明，頻率輸出略有誤差(+0.01Hz)，但基本滿(mǎn)足要求。輸出頻率的誤差可能是由于DSP在進(jìn)行浮點(diǎn)運算時(shí)，浮點(diǎn)比較沒(méi)有絕對相等，只能無(wú)限逼近。

② 無(wú)源LC濾波只有一個(gè)中心頻率，當輸出頻率改變時(shí)，中心頻率不能跟隨變化，使輸出波形稍有畸變。

③ 在進(jìn)行輸出頻率(60Hz)或者直流電壓設定后運行時(shí)，可以看到，輸出頻率或者輸出直流電壓逐漸上升達到設定值，以減小啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流；當系統停止時(shí)，輸出頻率或者輸出直流電壓逐漸下降為0。

實(shí)驗證明，設計方案可行，系統性能和各項指標基本滿(mǎn)足設計要求。