基于DSP控制的數(shù)字移相器—變壓變頻器模塊的設(shè)計
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2 三相橋式逆變的設(shè)計
圖5給出了一個典型的三相逆變器的結(jié)構(gòu)。其中，Va、Vb、Vc是逆變輸出三相電壓，分別接三相負載，D1～D6為續(xù)流二極管。PWMx和PWMx_（x=A、B、C）控制逆變器的6個電壓功率管，當一個功率管的上臂導通時（PWMx=1），同一個功率的下臂關(guān)斷（PWMx_=0）。
圖5 三相逆變橋
?、俟β使躀GBT的選取
系統(tǒng)要求直流輸入Vdc最大60V，電流最大10A，輸出頻率最高100Hz，IGBT開關(guān)頻率最高3.3kHz（載波比N=33）。根據(jù)系統(tǒng)要求，本設(shè)計選用FairChild公司FGA25N120AND型IGBT，參數(shù)為VCES=1200V，IC=20A，trr=235ns。
?、跓o感阻容吸收RC的選取
RC選取如下：無感電阻R1～R6= 100Ω/5WΩ，無感電容C1～C6=1μF/630V。
?、跮C濾波的設(shè)計（無源濾波）
逆變輸出三相電壓Va、Vb、Vc經(jīng)LC濾波后，以得到平滑的正弦波，分別接三相阻性負載（7Ω），負載連接方式為星形連接。LC原則上只允許基波（中心頻率）通過。
本設(shè)計要求輸出頻率為50～100Hz，可計算得LC=1.01×10-5～2.53×10-6。
圖6中，濾波LC的值由經(jīng)驗值和實際實驗中比較確定，權(quán)衡最小值和最大值，最終選取LA～LC=0.98mH，CA～CC=2μF/500V±5%。
圖6 LC濾波
本設(shè)計中，LC濾波為無源濾波，雖然結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是有一個缺點：只能有一個中心頻率，當輸出頻率改變時，中心頻率不能跟隨變化，使輸出波形稍有畸變。若采用有源濾波器，滿足不同頻率范圍的輸出，而波形畸變可以減小到最小，但是相應的成本則會增加。
本設(shè)計中無源濾波雖然在不同頻率時使波形有些畸變，但是可以滿足系統(tǒng)輸出的要求。
系統(tǒng)控制模塊的設(shè)計
1 驅(qū)動電路的設(shè)計
在本設(shè)計中Buck電路和三相逆變橋的驅(qū)動開關(guān)頻率分別為10kHz，和3.3 kHz（最大），中小功率IGBT，采用此芯片作為驅(qū)動芯片滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。
?、貰uck電路驅(qū)動的設(shè)計
圖7為TLP250光耦驅(qū)動電路。圖中,光耦芯片TLP250供電電壓+15V，輸出IO=+1.5A，在中功率電路中可以直接驅(qū)動IGBT，使用TLP250時應在管腳8和5間連接一個0.1μF的陶瓷電容來穩(wěn)定高增益線性放大器的工作，提供的旁路作用失效會損壞開關(guān)性能，電容和光耦之間的引線長度不應超過1cm。
圖7 TLP250驅(qū)動IGBT
保護端為過壓、過流保護輸出端口，一旦過壓、過流，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(shè)計開關(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。
?、谌嗄孀儤騍PWM驅(qū)動的設(shè)計
TLP250光耦驅(qū)動能力比較大（Io=±1.5A）可以直接驅(qū)動中功率IGBT，本文已在上節(jié)作了詳細說明，在此不再贅述，具體驅(qū)動電路如圖9所示。
圖9 TLP250光耦直接驅(qū)動IGBT
系統(tǒng)啟動后，設(shè)置輸出調(diào)制正弦波頻率為50Hz（±0.01Hz），死區(qū)時間4.0μs時的SPWM經(jīng)過74HC244N緩沖驅(qū)動后波形如圖10所示，死區(qū)時間如圖11所示，以上橋臂1（PWM1）和下橋臂4（PWM2）為例，上下對稱，其中CH1通道觀測PWM1，CH2通道觀測PWM2。
圖10 EVA事件管理器輸出的SPWM波經(jīng)過光耦驅(qū)動后的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)動后死區(qū)時間情況如圖11所示。
圖11 EVA事件管理器輸出的SPWM波經(jīng)過光耦驅(qū)動后死區(qū)時間情況
2 A/D轉(zhuǎn)換采樣電路的設(shè)計
本設(shè)計選用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 線性光耦隔離電路
由于光耦會產(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Vout經(jīng)過一級電壓跟隨器后，輸入ADC，經(jīng)ADC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進行PID運算處理后，輸出給調(diào)節(jié)量。
3 過流、過壓保護單元設(shè)計
?、?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/過流保護">過流保護單元設(shè)計
過流保護電路如圖13所示。
圖13 過流保護電路圖
過流保護的整定值可以通過改變R8來調(diào)節(jié)，當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高電平信號（+5V），最終由控制回路調(diào)整主回路設(shè)置(如斷電)，從而實現(xiàn)過流保護。
②過壓保護單元設(shè)計
過壓保護電路的基本原理和過流保護基本想同，唯一不同的是過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。
實驗及結(jié)果分析
頻率輸出設(shè)定為50～100Hz時的測試結(jié)果如表1所示。
逆變輸出接三相阻性負載。
過流保護測試：
設(shè)定輸出門限直流電流為7.00A。保護電壓電流分別如表2所示。
部分實驗波形見圖14和圖15。
圖14頻率設(shè)定為50Hz時的逆變輸出三相負載線電壓波形
圖15 頻率設(shè)定為60Hz時的逆變輸出三相負載線電壓波形
?、賹嶒灲Y(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在進行浮點運算時，浮點比較沒有絕對相等，只能無限逼近。
?、跓o源LC濾波只有一個中心頻率，當輸出頻率改變時，中心頻率不能跟隨變化，使輸出波形稍有畸變。
?、墼谶M行輸出頻率(60Hz)或者直流電壓設(shè)定后運行時，可以看到，輸出頻率或者輸出直流電壓逐漸上升達到設(shè)定值，以減小啟動時的沖擊電流；當系統(tǒng)停止時，輸出頻率或者輸出直流電壓逐漸下降為0。
實驗證明，設(shè)計方案可行，系統(tǒng)性能和各項指標基本滿足設(shè)計要求。
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