基于DSP控制的數(shù)字移相器―變壓變頻器模塊的設(shè)計(jì)

圖7 TLP250驅(qū)動(dòng)IGBT

保護(hù)端為過壓、過流保護(hù)輸出端口，一旦過壓、過流，保護(hù)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(fù)位。

本設(shè)計(jì)開關(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(dá)到要求。

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

圖8 Buck單元PWM經(jīng)過光耦后的波形輸出(×10)

可以看出，推挽后的電容C2為加速開通和關(guān)斷作用；與C3并聯(lián)穩(wěn)壓二極管產(chǎn)生恒定的5.1V反壓，當(dāng)PWM輸出高電平，IGBT的CE兩端電壓差為8～9V，使IGBT導(dǎo)通；當(dāng)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(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)
TLP250光耦驅(qū)動(dòng)能力比較大（Io=±1.5A）可以直接驅(qū)動(dòng)中功率IGBT，本文已在上節(jié)作了詳細(xì)說明，在此不再贅述，具體驅(qū)動(dòng)電路如圖9所示。

圖9 TLP250光耦直接驅(qū)動(dòng)IGBT

系統(tǒng)啟動(dòng)后，設(shè)置輸出調(diào)制正弦波頻率為50Hz（±0.01Hz），死區(qū)時(shí)間4.0μs時(shí)的SPWM經(jīng)過74HC244N緩沖驅(qū)動(dòng)后波形如圖10所示，死區(qū)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(duì)稱，其中CH1通道觀測(cè)PWM1，CH2通道觀測(cè)PWM2。

圖10 EVA事件管理器輸出的SPWM波經(jīng)過光耦驅(qū)動(dòng)后的SPWM波形

由DSP的EVA事件管理器輸出的SPWM波經(jīng)過光耦驅(qū)動(dòng)后的SPWM波形見圖10。

IGBT逆變橋上下橋臂波經(jīng)過光耦驅(qū)動(dòng)后死區(qū)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)過光耦驅(qū)動(dòng)后死區(qū)時(shí)間情況

2 A/D轉(zhuǎn)換采樣電路的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)選用Agilent公司的HCNR200/201。線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(yùn)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(dá)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(yùn)放集成芯片，電路如圖12所示。

圖12 線性光耦隔離電路

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(gòu)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(dá)到最好的線性關(guān)系1:1。

采樣電阻分壓后，通過高精度線性光耦隔離，采樣信號(hào)Vout經(jīng)過一級(jí)電壓跟隨器后，輸入ADC，經(jīng)ADC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進(jìn)行PID運(yùn)算處理后，輸出給調(diào)節(jié)量。

3 過流、過壓保護(hù)單元設(shè)計(jì)
① 過流保護(hù)單元設(shè)計(jì)
過流保護(hù)電路如圖13所示。

圖13 過流保護(hù)電路圖

過流保護(hù)的整定值可以通過改變R8來調(diào)節(jié)，當(dāng)IIN—IOUT的電流超過整定值，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(hào)（+5V），最終由控制回路調(diào)整主回路設(shè)置(如斷電)，從而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。

② 過壓保護(hù)單元設(shè)計(jì)
過壓保護(hù)電路的基本原理和過流保護(hù)基本想同，唯一不同的是過壓保護(hù)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(yàn)及結(jié)果分析
頻率輸出設(shè)定為50～100Hz時(shí)的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

逆變輸出接三相阻性負(fù)載。

過流保護(hù)測(cè)試：
設(shè)定輸出門限直流電流為7.00A。保護(hù)電壓電流分別如表2所示。

部分實(shí)驗(yàn)波形見圖14和圖15。

圖14頻率設(shè)定為50Hz時(shí)的逆變輸出三相負(fù)載線電壓波形

圖15 頻率設(shè)定為60Hz時(shí)的逆變輸出三相負(fù)載線電壓波形

① 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，頻率輸出略有誤差(+0.01Hz)，但基本滿足要求。輸出頻率的誤差可能是由于DSP在進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，浮點(diǎn)比較沒有絕對(duì)相等，只能無限逼近。

② 無源LC濾波只有一個(gè)中心頻率，當(dāng)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(shè)定后運(yùn)行時(shí)，可以看到，輸出頻率或者輸出直流電壓逐漸上升達(dá)到設(shè)定值，以減小啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流；當(dāng)系統(tǒng)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(yàn)證明，設(shè)計(jì)方案可行，系統(tǒng)性能和各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足設(shè)計(jì)要求。