基于DSP的IPM高頻環(huán)逆變電源設(shè)計(jì)?

張文彬（92815部隊(duì)寧波315000）

基于DSP的IPM高頻環(huán)逆變電源設(shè)計(jì)?

張文彬
（92815部隊(duì)寧波315000）

介紹了采用以IPM為開關(guān)器件的高頻逆變電源驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)，并介紹了基于DSP控制的硬件保護(hù)電路和電流、電壓采樣處理電路。最后給出了以該電路完成的逆變電源系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)波形和結(jié)論，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用IPM作為開關(guān)模塊與DSP芯片實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制，高頻逆變電源輸出電壓質(zhì)量好、可靠性高，極大地縮短了逆變電源設(shè)計(jì)周期，減小了裝置體積。

逆變電源；IPM；驅(qū)動(dòng)保護(hù)；DSP；PM 75DSA120

Class Num ber TN912

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，清潔高效的太陽能發(fā)電技術(shù)越來越受歡迎的同時(shí)，各行各業(yè)對電能質(zhì)量的要求也逐漸提高，許多供電場合對高頻逆變電源的高功率、高效率、高可靠性、小型輕量化的要求也越來越高。智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）是一種先進(jìn)的功率開關(guān)器件，兼有GTR（大功率晶體管）高電流、低飽和電壓和高耐壓的優(yōu)點(diǎn)，以及MOSTET（場效應(yīng)晶體管）高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。IPM由高速、低功率的IGBT芯片和優(yōu)選的門極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路構(gòu)成，內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測和保護(hù)電路，不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開發(fā)時(shí)間，也大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，是制作高頻逆變電源［1］的理想器件。本文采用IPM作為開關(guān)模塊與DSP芯片實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制，采用高頻鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款正弦波輸出逆變電源，該逆變電源采用數(shù)字PI控制，具有過壓、欠壓等監(jiān)控保護(hù)電路。

2 逆變電源系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

結(jié)合逆變電源要求（蓄電池直流80V~200V輸入，輸出50V，50Hz，單向功率流，正弦交流），采用圖1中高頻逆變電源系統(tǒng)電路，變電源的主電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)采用具有中間直流環(huán)節(jié)的高頻鏈逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)它可以分為三個(gè)功能模塊：前級DC-DC逆變電路、后級DC-AC逆變電路和基于DSP的控制電路。前級DC-DC逆變電路包括高頻逆變器、高頻變壓器隔離和整流濾波電路，功能是把輸入DC80-200V的蓄電池電壓進(jìn)行高頻逆變經(jīng)高頻變壓器電能傳遞和電器隔離后整流濾波轉(zhuǎn)換成直流電供給后級逆變電路，前級DC-DC逆變電路是減小逆變電源體積的重要環(huán)節(jié)；后級DC-AC逆變電路在DSP的控制下把直流電轉(zhuǎn)換成SPWM波形供給LC濾波電路，實(shí)現(xiàn)DC/AC的功率變換，輸出正弦波。

3 逆變電源電路硬件設(shè)計(jì)

3.1 主電路設(shè)計(jì)

高頻環(huán)逆變電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。整流為單相全橋不控整流，前級和后級逆變橋分別由四個(gè)IGBT開關(guān)元件組成。本文IGBT選用三菱公司生產(chǎn)的PM75DSA120模塊。

3.2 控制電路設(shè)計(jì)

3.2.1 IPM驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

PM75DSA120模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。PM75DSA120為D型（內(nèi)部封裝兩個(gè)IGBT）器件，額定工作電壓為1200V，額定工作電流為75A，開關(guān)頻率為5kHz～20kHz，控制電壓為15±1.5V。兩只IGBT串聯(lián)組成且各自反并聯(lián)一只續(xù)流二極管。在圖1中，每個(gè)開關(guān)器件的控制電路均有5根外接線，P為上橋臂，N為下橋臂。其中V1端接控制電源的Vcc；NC端接控制電源的零伏線GND，控制電源的典型值為15 V，允許波動(dòng)范圍13.5-16.5V；SR端為模塊自身輸出的基準(zhǔn)電源，為5 V，可用于脈沖輸入電路；C1端為脈沖輸入端，接控制電路的IN端，IN端與GND之間為脈沖輸入；FO端為故障輸出端，接控制電路的FO端［2］。

IPM內(nèi)置有IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，在使用時(shí)只需進(jìn)行驅(qū)動(dòng)隔離，將光耦TLP559的輸出連接到IPM的驅(qū)動(dòng)信號輸入端即可。為了避免噪聲干擾，提高系統(tǒng)可靠性，每一路驅(qū)動(dòng)電源之間應(yīng)相互隔離。

IPM自身擁有保護(hù)電路，可以實(shí)現(xiàn)控制電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)等故障保護(hù)，IPM模塊中任意一種保護(hù)電路動(dòng)作發(fā)生，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就會關(guān)斷門級電流并輸出一個(gè)故障信號，四種保護(hù)的故障信號均通過控制電路的FO端輸出。當(dāng)沒有發(fā)生上述的的任何故障時(shí)。FO端為高電平，接近電源電壓Vcc，外電路故障輸出電壓為低電平。當(dāng)發(fā)生上述任何一項(xiàng)故障時(shí)，F(xiàn)O端為低電平，外電路故障輸出電壓Fout為高電平。其中一個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路如圖4所示

IPM有故障時(shí)，F(xiàn)O輸出低電平，F(xiàn)O信號通過高速光耦TLP521-1輸出經(jīng)或非門CD4002，送到DSP控制的系統(tǒng)中，利用事件管理器中功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷輸入引腳（PDPINTA/PDPINTB）進(jìn)行處理，利用中斷或軟件關(guān)斷IPM的PWM控制信號，從而達(dá)到保護(hù)目的，如圖5所示。事件管理器EVA產(chǎn)生的1-4路PWM控制前級IPM工作，事件管理器EVB產(chǎn)生的7-10路PWM控制后級IPM工作，當(dāng)任一開關(guān)管有故障時(shí)輸出低電平，高速光耦輸出的高電平經(jīng)或非門輸出低電平，將該引腳連至PD?PINTA（PDPINTB），由于PDPINTA（PDPINTB）為低電平時(shí)DSP中斷，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設(shè)置為高阻態(tài)，從而達(dá)到保護(hù)目的［3~4］。

3.2.2 信號檢測與電路調(diào)理設(shè)計(jì)

為了保證整個(gè)逆變電源的正常工作，需要對電源系統(tǒng)的過流、過欠壓等故障進(jìn)行監(jiān)控，本文分別需用到直流電壓、交流電壓和電流采樣，由于TMS320F2407芯片中A/D采樣允許的電壓范圍是0V~3.3V，為便于檢測并且使得輸出隔離，采樣電壓需經(jīng)調(diào)理電路，文中應(yīng)用了霍爾傳感器和運(yùn)算放大電路器。下面就這些故障信號的處理進(jìn)行介紹［5］。

由于輸入蓄電池為80V~200V的直流電壓，直流過欠壓保護(hù)電路用于監(jiān)測蓄電池的電壓［6］，同時(shí)調(diào)節(jié)前級逆變器的輸出電壓，保證高頻變壓器工作在額定電壓下；交流過欠壓保護(hù)電路用于監(jiān)測輸出電壓，同時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓穩(wěn)定在50V。

檢測電路為圖6。其中PT41D001為交流電壓采樣，WBV141G01為直流電壓采樣，TCK100BR為交流電流采樣（檢測電流導(dǎo)線穿孔）。

采樣調(diào)理電路如圖7所示，對電壓（電流）傳感器的輸出電壓進(jìn)行隔離采樣［7~8］，將采樣到的電壓信號經(jīng)運(yùn)算放大器變換［9］，調(diào)整可變電阻器最終使得電壓值調(diào)整到0V~3V。

過流和過壓保護(hù)電路如圖8所示，電路連接調(diào)理電路的反相比例放大器輸出端O1。當(dāng)過流或過壓時(shí)，反相放大的電壓信號，輸入到運(yùn)放中進(jìn)行比較，大于閾值電壓時(shí)，輸出為高電平信號。此高電平信號控制主電路開關(guān)管，使得其停止工作。其中穩(wěn)壓二極管D1、R10、C1提供閾值電壓，D2起到了鎖存信號的作用。

4 逆變電源系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

高頻逆變電源的軟件系統(tǒng)采用TMS320F2407芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，進(jìn)行正弦波逆變電源系統(tǒng)的閉環(huán)控制，輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波［10］［11］；同時(shí)承擔(dān)系統(tǒng)的監(jiān)控和保護(hù)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)過壓、欠壓和過流等保護(hù)功能［12］。軟件系統(tǒng)閉環(huán)控制主程序如圖9（a）所示，PWM中斷子程序如圖9（b）所示。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)完成電路，對該逆變電源進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與測試。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)：蓄電池輸入電壓DC80-200V，開關(guān)頻率為10kHz，負(fù)載電阻RL= 100Ω，輸出交流電壓50V，50Hz。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖10所示，電源在帶阻性負(fù)載的時(shí)候，輸出的正弦波形畸變率小，諧波含量低，質(zhì)量很高，其幅值與頻率穩(wěn)定，保護(hù)功能完善，整機(jī)的電源效率達(dá)85%以上，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的要求。

6 結(jié)語

詳細(xì)介紹了DSP控制的全數(shù)字高頻逆變電源的設(shè)計(jì)過程，給出系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)流程圖，由于采用了高頻鏈結(jié)構(gòu)，減小了裝置的體積，提高了電源效率；文中應(yīng)用的IPM驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路供電穩(wěn)定，運(yùn)行良好，可以很好地滿足IPM的工作要求，達(dá)到預(yù)期效果；由于IPM功率模塊里面內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路和故障保護(hù)電路，極大地簡化了逆變電源電路設(shè)計(jì)，減小了裝置體積，提高了電源可靠性；IPM的使用實(shí)現(xiàn)了控制電路與功率主電路的電氣隔離，提高電源整機(jī)的可靠性。

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Design of IPM H igh-frequency Link Inverter Based on DSP

ZHANG W enbin
（No.92815 Troopsof PLA，Ningbo 315000）

The paper introduces themethods of driving circuit and protection circuiton high-frequency link inverterwhen use IPM as switching device．And designs the samping and protect circuit based on DSP in sine—inverter．At last，gives the wave and conclusion of this inverter．Exper imental research indicates that IPM which acts as switch device and Digital Control by DSP，the high-frequency link inverter has a stable output voltage with high reliability，high reliability，and the design cycle of inverter has been reduce greatly，the volume becomemore littler.

inverter，IPM，drivingand protection，DSP，PM75DSA120

TN912

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.034

2016年11月8日，

2016年12月29日

張文彬，男，碩士，助理工程師，研究方向：電機(jī)與電器。