变频电源及控制器件中接地的一些具体问题

2010-04-26伍家驹刘宏然

电气传动 2010年12期

伍家驹,刘宏然

(南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室,江西南昌 330034)

电力电子系统中往往有很多子回路,而每个子回路都有一个地。这些地之间有的需要连接到一起,使各个子回路进行能量的交换和信号的传递;有的必须进行隔离,避免各个子回路间构成短路或各个信号之间彼此相互干扰。在电力电子装置中还需要用仪器测量一些系统的参数,如果对系统中的地不够清晰,会使仪器的接地端与被测量回路中的地进行连接构成新的回路,使彼此间有电的联系,这就给系统的设计和维修带来很多不便,有时甚至造成仪器或系统损坏。本文结合交-直-交单相变频电源系统对系统中各个地的连接进行详细的介绍。

1 变频电源的主体结构和电源部分

1.1 变频电源的主体结构

本文所设计的变频电源是采用交-直-交形式。主要由整流、IPM 、IPM 隔离电路、为 IPM 供电的开关电源、DSP控制电路、滤波器、负载、电流和电压采样调理电路构成。变频电源的原理框图如图1所示。

图1 变频电源的原理框图Fig.1 T he block diagram of frequency power

DSP产生PWM信号给光耦,再控制相应幅值的电压信号给IPM,控制里面IGBT的开关状态。本文控制板采用TMS320F2812为核心的DSP最小系统板,仿真器型号为TDS510 JTAG Emulator,逆变部分采用富士的6MBP75RA060。该变频系统中有很多地的联系,它们之间采用光耦隔离、电磁隔离、霍耳效应等进行连接。实际PWM控制的单相变频电源的原理图如图2所示。

图2 PWM控制的单向变频电源的原理图Fig.2 PWM control of single frequency power schematic

图2中主电路部分采用三相整流器将三相交流电整流,经过滤波电容滤波成平稳的直流电,再用逆变桥和输出滤波器转换成相应频率和幅值的正弦交流电。控制部分用DSP产生PWM信号经过非门进行转化控制高速光耦HCPL-4504,再输入到IPM 的驱动电路控制其中的逆变桥,电流、电压信号经过采样调理电路,送入 DSP的ADC口模数转换进行闭环控制。

1.2 诸控制回路用直流电源地的连接

每个控制回路都需要一路独立的直流电源,本文采用的是开关电源。变频电源光耦驱动回路和各个部分所需电源的原理图如图3所示。每个控制回路都需要POWER1～POWER6为6路独立电源,每路电源都有一个独立的GND,图3中标为GND1～GND6。表1示出各路电源的详细信息。

表1 各路电源的信息T ab.1 The power information

图3 开关电源原理图Fig.3 Schematic of swicthing power

1.3 DSP最小系统电源地的连接

DSP2812最小系统板中共有4种电源:输入+5 V 、模拟+3.3 V 、数字+3.3 V、数字+1.8V 。地共有 3种 GND(输入地)、AGND(模拟地)、DGND(数字地)。这些电源和地需要彼此分开供电,本设计是通过电源芯片TPS767D301进行转换,这些电源和地之间通过氧化铁磁珠或电感相连与电容共同构成无源滤波电路,DSP供电电路图如图4所示。

图4 DSP电源电路图Fig.4 Power circuit of DSP

2 各重要部件的应用

2.1 非门的应用

由于DSP中有大地(GND)、模拟地(AGND)、数字地(DGND)3种,彼此之间用磁珠相连,输出的PWM对应的地为 AGND,所以非门的地与AGND相连,非门后边与光耦相连,非门与光耦连接电路如图5所示。

图5 非门与光耦连接图Fig.5 Not gate with optocoupler connection diagram

光耦HCPL-4504的输入平均电流的最大值为25 mA,非门电源是+5 V,PWM经过非门进行转化,这样 HCPL-4504的输入电压是+5 V(非门输出为低电平)或+1.7 V(非门输出为高电平),根据HCPL-4504的输入电流选定R1=200 Ω,当输入端电压为+5 V时,输入电流约为25 mH(不考虑二极管压降),达到了HCPL-4504的开通条件;而当输入端电压为+1.7 V时,输入电流为8.5 mA(不考虑二极管压降),若考虑二极管压降电流将更小,无法开通HCPL-4504。不加非门电路图如图6所示。

图6 不加非门电路图Fig.6 Without not gate circuit

不加非门的情况下:1)DSP输出的PWM高脉冲为+3.3 V,此时输入HCPL-4504的电流为16 mA,由于不用非门时HCPL-4504中左边二极管的地与 DSP的 AGND相连,虽然能够驱动HCPL-4504,但这样给DSP增加了负担,影响I/O口的稳定性,所以这样风险比较大,最好不采用这种连接方式;2)DSP输出的PWM脉冲偶尔会出现尖峰,见图7。

图7 DSP输出PWMFig.7 DSP output PWM

利用非门进行转换,可以起到平滑脉冲的作用,防止误动作,使系统更加可靠。

2.2 光耦HCPL-4504的应用

光耦的主要作用是进行电气隔离,结合图8 IPM中驱动电路的连接图可以看出,光耦的地跟IPM中每个IGBT驱动的地和IGBT的e极是相连的,每个IGBT都有与其相对应的地点,这些地与光耦的地是相连的,相对应的每个光耦也只有一个地,这些地是不能相连的(下桥臂2个IGBT除外,下桥臂2个IGBT共用一个地),所以由图2和图8可知:如果不用光耦就无法进行电气隔离,系统构成短路回路。从非门输出的PWM是共地的,4路PWM使得4个IGBT驱动电源的地都连接到一起,4个IGBT的e极也连接到一起,这样任何一个开通则使得直流电源P,N直接相连,使P,N构成短路;同时与的e极连在一起使得输出被短接。驱动VT1与VT2的PWM波形如图9所示。

图8 IPM中驱动电路的连接图Fig.8 The driver circuit in the IPM

图9 驱动VT1与VT2的PWM图Fig.9 VT1and V T2PWM-driven diagram

3 反馈回路中的连接方式

3.1 霍耳电流互感器

电流互感器采用的是穿心式的HTB 100-P,电流互感器原理图如图10所示,一次电流I1N流过一次绕组产生的磁通作用于导磁体气隙中的霍耳元件,霍耳元件输出电压经过放大器A进行放大及互补三极管功率放大后,输出的补偿电流经过二次绕组产生与一次电流相反的磁通,因而补偿了一次电流产生的磁通,使霍耳输出电压减小,直到一、二次侧磁通相等时,二次电流不再增加,霍耳器件起到致使零磁通的作用。这个过程是动态平衡作用,与的大小关系,使输出电压的极性发生变化。由原理可以看出,电流互感器使被测回路与测量回路进行了电隔离,保证了测量回路的安全,其最大输入电流为100A,输出电压为±4 V,电源电压为±15V,精确度为1%,响应时间为3 μ s,频率范围为50kHz,但DSP的ADC口只能接收0～3.3V的电压,故需要对其进行调理,调理电路图如图11所示。

图10 霍耳型电流互感器原理图Fig.10 Hall-type current transformer schematic

图11 电流调理电路Fig.11 Current conditioning circuit

由图11可以看出,共有4个电源,由于电流互感器使调理电路与被测回路隔离,电流采样调理部分可以看成一个独立的小系统,这些电源的地要接到一起,构成一个等电位;如果将这些地分开,将会使得这些元件没有共同的基准值,无法进行精确的调整。如:为电流互感器供电的±15 V,与调理电路的运放供电的+12 V,如果2个电源的地分开,互感器输出的电压与调理的电压就不在同一个电位上,就没有一个共同的基准值,会造成电压的漂移。

3.2 电磁隔离

图12为电压调理电路,原理跟电流调理大致相同,本设计选用的电压互感器为电流型,互感器一次侧并联在负载两端,输入电压最大值为1 000 V,额定电流为2 mA,工作频率在 20 Hz～20 kHz,二次侧输出电流经过电阻将电流信号转化为电压信号,再进行调理,因为电压互感器有电磁隔离作用,将主电路与调理电路隔离开,防止主电路电流对电子电流的干扰。调理电路中的地同样要接在一起才能构成一个等电位,如:变压器二次侧的电流信号经过电阻变成电压信号,此时的零电位就是变压器二次侧的地,再进行调理时,运放的电源地,要与这个地相连构成等电位,否则就会使得这些电位不等,无法进行调理。