电(dian)源逆变器-电(dian)源逆变器应用电(dian)路和元件的选择及设计方案-KIA MOS管
信(xin)息来源：本站 日期(qi)：2018-05-16
电(dian)(dian)(dian)机和(he)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)控(kong)制(zhi)逆变器设计(ji)(ji)人(ren)员都会(hui)遇到(dao)相同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)问(wen)题，即如(ru)(ru)何(he)将(jiang)控(kong)制(zhi)和(he)用户接口电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)与(yu)危险的(de)(de)(de)(de)(de)功(gong)率(lv)线(xian)路(lu)(lu)电(dian)(dian)(dian)压隔(ge)(ge)离(li)(li)。隔(ge)(ge)离(li)(li)最主要(yao)(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)要(yao)(yao)(yao)求是(shi)方式功(gong)率(lv)线(xian)路(lu)(lu)电(dian)(dian)(dian)压损坏控(kong)制(zhi)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)，更重(zhong)要(yao)(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)，保(bao)护(hu)用户受到(dao)危险电(dian)(dian)(dian)压伤(shang)害。系(xi)统(tong)(tong)必须符合(he)相应国际标(biao)准(zhun)(zhun)规定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)安(an)全要(yao)(yao)(yao)求，例如(ru)(ru)涵盖电(dian)(dian)(dian)机驱动和(he)太阳能(neng)(neng)逆变器的(de)(de)(de)(de)(de)IEC 61800和(he)IEC62109。这些标(biao)准(zhun)(zhun)主要(yao)(yao)(yao)注重(zhong)符合(he)性(xing)测试。标(biao)准(zhun)(zhun)的(de)(de)(de)(de)(de)符合(he)性(xing)测试会(hui)如(ru)(ru)何(he)赋予工(gong)程(cheng)师(shi)自(zi)由(you)度？标(biao)准(zhun)(zhun)会(hui)在(zai)(zai)安(an)全性(xing)方面(mian)(mian)为工(gong)程(cheng)师(shi)提供指导，但如(ru)(ru)何(he)赋予工(gong)程(cheng)师(shi)自(zi)由(you)度，以(yi)便可(ke)以(yi)选(xuan)择符合(he)目标(biao)系(xi)统(tong)(tong)规格(ge)以(yi)及标(biao)准(zhun)(zhun)的(de)(de)(de)(de)(de)相应架构(gou)(gou)、电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)和(he)元件(jian)(jian)呢？这些是(shi)由(you)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)满(man)足在(zai)(zai)效率(lv)、带宽和(he)精度方面(mian)(mian)提供系(xi)统(tong)(tong)所需性(xing)能(neng)(neng)，同(tong)时又满(man)足安(an)全隔(ge)(ge)离(li)(li)要(yao)(yao)(yao)求来决定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)。设计(ji)(ji)创新系(xi)统(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)难题是(shi)，为现有(you)架构(gou)(gou)、电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)和(he)元件(jian)(jian)制(zhi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)设计(ji)(ji)规则可(ke)能(neng)(neng)不再(zai)适用。因此(ci)，工(gong)程(cheng)师(shi)需要(yao)(yao)(yao)花时间认(ren)真(zhen)评估新电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)或元件(jian)(jian)符合(he)EMC和(he)安(an)全性(xing)标(biao)准(zhun)(zhun)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)力(li)。某(mou)些地区工(gong)程(cheng)师(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)责任更大(da)，一(yi)旦(dan)所设计(ji)(ji)系(xi)统(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)安(an)全功(gong)能(neng)(neng)失效并导致伤(shang)害，工(gong)程(cheng)师(shi)可(ke)能(neng)(neng)需要(yao)(yao)(yao)承担个人(ren)责任。本(ben)文探讨了系(xi)统(tong)(tong)架构(gou)(gou)选(xuan)择对电(dian)(dian)(dian)源(yuan)和(he)控(kong)制(zhi)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)设计(ji)(ji)以(yi)及系(xi)统(tong)(tong)性(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)响(xiang)。本(ben)文还将(jiang)说(shuo)明最新可(ke)用隔(ge)(ge)离(li)(li)元件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)提升如(ru)(ru)何(he)帮助替(ti)代架构(gou)(gou)在(zai)(zai)不影(ying)响(xiang)安(an)全性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)前提下(xia)提升系(xi)统(tong)(tong)性(xing)能(neng)(neng)。
我们关心的(de)问题是您需要根据用户提供的(de)命令(ling)，安全地控(kong)(kong)制从交(jiao)流电(dian)(dian)(dian)源(yuan)到(dao)负载(zai)的(de)能(neng)(neng)量流动。此(ci)问题在(zai)图1所(suo)示的(de)高(gao)电(dian)(dian)(dian)平电(dian)(dian)(dian)机驱动系(xi)统图中(zhong)针对以下三个电(dian)(dian)(dian)源(yuan)域(yu)(yu)(yu)进行了阐(chan)述：给定、控(kong)(kong)制和功率(lv)。安全性(xing)要求(qiu)是，用户给定电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)必须与功率(lv)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)上的(de)危险电(dian)(dian)(dian)压进行电(dian)(dian)(dian)位隔(ge)离(li)(li)(li)。架构决(jue)策取决(jue)于隔(ge)离(li)(li)(li)栅(zha)放置(zhi)在(zai)给定和控(kong)(kong)制电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)之间(jian)还是控(kong)(kong)制和功率(lv)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)之间(jian)。在(zai)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)之间(jian)引(yin)入隔(ge)离(li)(li)(li)栅(zha)会影响信(xin)号完(wan)整性(xing)并增加成(cheng)本。模拟(ni)反馈(kui)信(xin)号的(de)隔(ge)离(li)(li)(li)尤其困难，因(yin)为(wei)传统变(bian)压器方法会抑制直流信(xin)号分量并引(yin)入非(fei)线性(xing)。低速(su)时的(de)数字信(xin)号隔(ge)离(li)(li)(li)相当简(jian)单(dan)，但在(zai)高(gao)速(su)或(huo)需要低延迟(chi)时则非(fei)常(chang)困难，并且耗电(dian)(dian)(dian)量巨大。带3相逆变(bian)器的(de)系(xi)统中(zhong)的(de)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)隔(ge)离(li)(li)(li)尤为(wei)困难，因(yin)为(wei)有(you)多个电(dian)(dian)(dian)源(yuan)域(yu)(yu)(yu)连接至电(dian)(dian)(dian)源(yuan)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)。电(dian)(dian)(dian)源(yuan)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)有(you)四个不同域(yu)(yu)(yu)，这些域(yu)(yu)(yu)需彼此(ci)之间(jian)需要功能(neng)(neng)性(xing)隔(ge)离(li)(li)(li)；所(suo)以高(gao)端栅(zha)极(ji)驱动和绕组电(dian)(dian)(dian)流信(xin)号需要与控(kong)(kong)制电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)功能(neng)(neng)性(xing)隔(ge)离(li)(li)(li)，即使两者可能(neng)(neng)与功率(lv)地共地。
图(tu)1. 电机控制系统中的隔离架构
非(fei)隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)式控(kong)(kong)制(zhi)架(jia)(jia)构(gou)在控(kong)(kong)制(zhi)和电(dian)(dian)源电(dian)(dian)路之间存(cun)在共同(tong)的(de)(de)(de)接(jie)地(di)连接(jie)。这样(yang)电(dian)(dian)机控(kong)(kong)制(zhi)ADC可(ke)获取电(dian)(dian)源电(dian)(dian)路中的(de)(de)(de)所有信(xin)号。电(dian)(dian)机绕组电(dian)(dian)流(liu)流(liu)入低(di)侧(ce)逆变器臂(bei)时，ADC在基于(yu)(yu)(yu)中心的(de)(de)(de)PWM信(xin)号的(de)(de)(de)中点处进行采样(yang)。低(di)侧(ce)IGBT栅极的(de)(de)(de)驱(qu)动(dong)器可(ke)以是(shi)简单的(de)(de)(de)非(fei)隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)式，但(dan)PWM信(xin)号须经由(you)具有功能(neng)性(xing)隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)或(huo)电(dian)(dian)平移位转换实现(xian)与(yu)三个高(gao)侧(ce)IGBT栅极隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)。命令和控(kong)(kong)制(zhi)电(dian)(dian)路之间的(de)(de)(de)隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)造成的(de)(de)(de)复杂性(xing)取决于(yu)(yu)(yu)最终应用(yong)，但(dan)通常涉及使用(yong)独立系统和通信(xin)处理器。简单处理器即可(ke)管理前面板接(jie)口(kou)(kou)并在慢速串行接(jie)口(kou)(kou)上发(fa)送速度命令的(de)(de)(de)架(jia)(jia)构(gou)在家用(yong)设备或(huo)低(di)端工(gong)业应用(yong)中可(ke)以接(jie)受。由(you)于(yu)(yu)(yu)命令接(jie)口(kou)(kou)的(de)(de)(de)高(gao)带宽(kuan)要求，非(fei)隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)式架(jia)(jia)构(gou)在用(yong)于(yu)(yu)(yu)机器人和自动(dong)化应用(yong)的(de)(de)(de)高(gao)性(xing)能(neng)驱(qu)动(dong)器中较少(shao)见。
隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)式(shi)控(kong)制(zhi)(zhi)架(jia)(jia)构在控(kong)制(zhi)(zhi)和(he)命令(ling)电(dian)(dian)路之(zhi)间存(cun)在共同的(de)(de)接地连接。这使得控(kong)制(zhi)(zhi)和(he)命令(ling)接口之(zhi)间可(ke)以实现(xian)非常(chang)紧密的(de)(de)耦合，并且(qie)(qie)可(ke)使用单(dan)个处(chu)理器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)问题(ti)(ti)转(zhuan)到电(dian)(dian)源逆变器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)信(xin)号上来(lai)，从而带(dai)来(lai)一系列不同挑战。栅极驱(qu)动信(xin)号需(xu)要(yao)(yao)相(xiang)对(dui)高速的(de)(de)数(shu)字隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)来(lai)满足逆变器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)时序要(yao)(yao)求(qiu)(qiu)。由于(yu)(yu)存(cun)在非常(chang)高的(de)(de)电(dian)(dian)压，磁性(xing)(xing)或光学耦合的(de)(de)驱(qu)动器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)在隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)要(yao)(yao)求(qiu)(qiu)极高的(de)(de)逆变器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)应(ying)用中(zhong)表(biao)现(xian)良好。直(zhi)流(liu)(liu)母线电(dian)(dian)压隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)电(dian)(dian)路的(de)(de)要(yao)(yao)求(qiu)(qiu)则适(shi)(shi)中(zhong)，这是(shi)因为其(qi)需(xu)要(yao)(yao)的(de)(de)动态范(fan)围和(he)带(dai)宽较低(di)(di)。电(dian)(dian)机电(dian)(dian)流(liu)(liu)反馈(kui)是(shi)高性(xing)(xing)能(neng)驱(qu)动器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)中(zhong)最大(da)(da)的(de)(de)难(nan)题(ti)(ti)，因为其(qi)需(xu)要(yao)(yao)高带(dai)宽和(he)线性(xing)(xing)隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)。电(dian)(dian)流(liu)(liu)互感器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(CT)是(shi)很好的(de)(de)选择，因为它(ta)们提(ti)供的(de)(de)隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)信(xin)号能(neng)够轻松测量。CT在低(di)(di)电(dian)(dian)流(liu)(liu)时具有非线性(xing)(xing)，不会(hui)传输(shu)直(zhi)流(liu)(liu)电(dian)(dian)平，但(dan)(dan)广泛用于(yu)(yu)低(di)(di)端逆变器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)中(zhong)。CT还用于(yu)(yu)带(dai)非隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)式(shi)控(kong)制(zhi)(zhi)架(jia)(jia)构的(de)(de)大(da)(da)功(gong)率(lv)逆变器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，因为这些场合下采用分(fen)(fen)流(liu)(liu)电(dian)(dian)阻采样(yang)会(hui)导致(zhi)损耗太大(da)(da)。开环和(he)闭(bi)环霍尔效(xiao)应(ying)电(dian)(dian)流(liu)(liu)传感器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)可(ke)测量交流(liu)(liu)信(xin)号，因此(ci)更适(shi)(shi)合高端驱(qu)动器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，但(dan)(dan)受失调影(ying)响。阻性(xing)(xing)分(fen)(fen)流(liu)(liu)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)可(ke)提(ti)供高带(dai)宽、线性(xing)(xing)信(xin)号，而且(qie)(qie)偏(pian)移(yi)低(di)(di)，但(dan)(dan)需(xu)要(yao)(yao)与高带(dai)宽、低(di)(di)偏(pian)移(yi)隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)放大(da)(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)相(xiang)匹配(pei)。通常(chang)，电(dian)(dian)机控(kong)制(zhi)(zhi)ADC可(ke)直(zhi)接采样(yang)隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)电(dian)(dian)流(liu)(liu)信(xin)号，但(dan)(dan)下一节描述的(de)(de)替代测量架(jia)(jia)构可(ke)将隔(ge)(ge)离(li)(li)(li)问题(ti)(ti)转(zhuan)移(yi)到数(shu)字域，并且(qie)(qie)能(neng)够大(da)(da)幅提(ti)升(sheng)性(xing)(xing)能(neng)。
改善隔(ge)离(li)系统线性度的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)种常见方(fang)法是(shi)将(jiang)ADC移至隔(ge)离(li)栅(zha)的(de)(de)(de)(de)(de)另一(yi)(yi)(yi)侧并隔(ge)离(li)数(shu)(shu)字信(xin)号(hao)。在(zai)许多情况下，这(zhei)需(xu)要(yao)将(jiang)串联(lian)ADC与数(shu)(shu)字信(xin)号(hao)隔(ge)离(li)器(qi)(qi)(qi)(qi)结合使(shi)用(yong)(yong)。由于对电(dian)机(ji)(ji)电(dian)流反(fan)馈(kui)存在(zai)高(gao)频的(de)(de)(de)(de)(de)特殊要(yao)求，以及需(xu)要(yao)对驱动保(bao)护进行快(kuai)速响应，因(yin)此可(ke)(ke)选择Σ-Δ型ADC。Σ-Δ型ADC配(pei)有一(yi)(yi)(yi)个(ge)(ge)可(ke)(ke)将(jiang)模拟信(xin)号(hao)转换(huan)为(wei)一(yi)(yi)(yi)位码(ma)流的(de)(de)(de)(de)(de)线性调制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)(qi)，其后配(pei)备可(ke)(ke)将(jiang)信(xin)号(hao)重(zhong)构(gou)为(wei)高(gao)分(fen)辨率数(shu)(shu)字字的(de)(de)(de)(de)(de)数(shu)(shu)字滤(lv)波(bo)(bo)(bo)(bo)器(qi)(qi)(qi)(qi)。此方(fang)法的(de)(de)(de)(de)(de)好处是(shi)可(ke)(ke)使(shi)用(yong)(yong)两种不同的(de)(de)(de)(de)(de)数(shu)(shu)字滤(lv)波(bo)(bo)(bo)(bo)器(qi)(qi)(qi)(qi)：较慢的(de)(de)(de)(de)(de)用(yong)(yong)于高(gao)保(bao)真(zhen)反(fan)馈(kui)，另一(yi)(yi)(yi)个(ge)(ge)低(di)保(bao)真(zhen)快(kuai)速滤(lv)波(bo)(bo)(bo)(bo)器(qi)(qi)(qi)(qi)用(yong)(yong)于保(bao)护逆(ni)变(bian)(bian)器(qi)(qi)(qi)(qi)。在(zai)图2中，绕组分(fen)流器(qi)(qi)(qi)(qi)用(yong)(yong)于测量电(dian)机(ji)(ji)绕组电(dian)流，隔(ge)离(li)式ADC用(yong)(yong)于在(zai)隔(ge)离(li)栅(zha)上传输10 MHz数(shu)(shu)据流。Sinc滤(lv)波(bo)(bo)(bo)(bo)器(qi)(qi)(qi)(qi)可(ke)(ke)将(jiang)高(gao)分(fen)辨率电(dian)流数(shu)(shu)据提交给电(dian)机(ji)(ji)控制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)算法，该算法会计算施加(jia)所需(xu)逆(ni)变(bian)(bian)器(qi)(qi)(qi)(qi)电(dian)压需(xu)要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)逆(ni)变(bian)(bian)器(qi)(qi)(qi)(qi)占空(kong)比(bi)。另一(yi)(yi)(yi)个(ge)(ge)低(di)分(fen)辨率滤(lv)波(bo)(bo)(bo)(bo)器(qi)(qi)(qi)(qi)可(ke)(ke)检测电(dian)流过(guo)载，并在(zai)出现故障时将(jiang)跳变(bian)(bian)信(xin)号(hao)发送(song)至PWM调制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)(qi)。Sinc滤(lv)波(bo)(bo)(bo)(bo)器(qi)(qi)(qi)(qi)频率响应曲线解释说明(ming)了合适的(de)(de)(de)(de)(de)参数(shu)(shu)选择如何能够使(shi)滤(lv)波(bo)(bo)(bo)(bo)器(qi)(qi)(qi)(qi)抑制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)电(dian)流采样中的(de)(de)(de)(de)(de)PWM开关纹(wen)波(bo)(bo)(bo)(bo)。
图(tu)2. 隔离式电流(liu)反馈(kui)
图3. Sinc滤(lv)波器频率响应
两种控制架构(gou)的(de)共同问题(ti)是需要支持多(duo)(duo)个(ge)隔(ge)离电(dian)(dian)(dian)源(yuan)域(yu)(yu)(yu)。如果每个(ge)域(yu)(yu)(yu)需要多(duo)(duo)个(ge)偏(pian)置轨，就更加难以实现。图4的(de)电(dian)(dian)(dian)路可产生+15 V和–7.5 V电(dian)(dian)(dian)压(ya)用于(yu)栅极驱动，+5 V电(dian)(dian)(dian)压(ya)用于(yu)为ADC供(gong)电(dian)(dian)(dian)，均(jun)在一个(ge)域(yu)(yu)(yu)中，同时每个(ge)域(yu)(yu)(yu)仅使用一个(ge)变压(ya)器绕组(zu)和两个(ge)引脚。使用一个(ge)变压(ya)器磁芯和骨架为四个(ge)不同电(dian)(dian)(dian)源(yuan)域(yu)(yu)(yu)创造双电(dian)(dian)(dian)源(yuan)或三(san)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)。
图4. 栅极驱动和电(dian)流反馈转换器的隔离(li)电(dian)源电(dian)路
引言
铁路客车(che)辅助电(dian)(dian)(dian)源负责给车(che)上各种(zhong)负载用电(dian)(dian)(dian)设(she)备(bei)供电(dian)(dian)(dian)。本文所述逆(ni)变器是(shi)将(jiang)列(lie)车(che)提供的(de)600 V直流(liu)电(dian)(dian)(dian)逆(ni)变成(cheng)三(san)相交流(liu)380 V，带(dai)动客车(che)空(kong)(kong)调(diao)机组工作，调(diao)节车(che)厢温度和通风，可(ke)调(diao)频调(diao)压，以(yi)实现空(kong)(kong)调(diao)变频化。同时也为餐车(che)上的(de)电(dian)(dian)(dian)茶炉等三(san)相负载供电(dian)(dian)(dian)。
逆变(bian)(bian)(bian)(bian)器(qi)是通(tong)过电(dian)力电(dian)子开(kai)关(guan)的(de)(de)开(kai)通(tong)和关(guan)断作(zuo)用，把直流电(dian)能转变(bian)(bian)(bian)(bian)成交流电(dian)能的(de)(de)一(yi)(yi)种变(bian)(bian)(bian)(bian)换装置，是整(zheng)流变(bian)(bian)(bian)(bian)换的(de)(de)逆过程。电(dian)力电(dian)子开(kai)关(guan)器(qi)件的(de)(de)通(tong)断，需(xu)要一(yi)(yi)定的(de)(de)驱动脉冲(chong)，这些脉冲(chong)可以通(tong)过改变(bian)(bian)(bian)(bian)一(yi)(yi)个(ge)电(dian)压信号(hao)来调节(jie)(jie)，产生(sheng)和调节(jie)(jie)脉冲(chong)的(de)(de)电(dian)路(lu)(lu)就是主控(kong)制电(dian)路(lu)(lu)。一(yi)(yi)个(ge)逆变(bian)(bian)(bian)(bian)器(qi)的(de)(de)电(dian)路(lu)(lu)组成除了逆变(bian)(bian)(bian)(bian)开(kai)关(guan)电(dian)路(lu)(lu)和主控(kong)制电(dian)路(lu)(lu)之外。还有(you)保护电(dian)路(lu)(lu)、辅助电(dian)源、输入(ru)输出电(dian)路(lu)(lu)等。
本设(she)计中所(suo)用的直接逆变方(fang)案，是铁路客(ke)车辅(fu)助电(dian)源主电(dian)路最(zui)简单(dan)最(zui)基本的形式。方(fang)案如(ru)图(tu)1所(suo)示。
主要的功能模块划分为主控制系统、前级检测、输入控制、直(zhi)流滤波、三相逆(ni)变、交流滤波，配合辅(fu)助电源(yuan)、采样、保(bao)护电路等。
该(gai)电路优点是(shi)结(jie)构简单、功率器件使用(yong)(yong)数(shu)量少(shao)：但缺点是(shi)逆变器输(shu)出电压(ya)(ya)容易受DC600 V干线(xian)电压(ya)(ya)的(de)波动影响，实测电压(ya)(ya)品质因素差(cha)、谐波含量大，为(wei)了获(huo)得相对恒定的(de)交流电压(ya)(ya)输(shu)出，必须采用(yong)(yong)运算(suan)速度很快的(de)DSP作主控(kong)制单元。
DSP是一种(zhong)适(shi)合(he)数字信号处(chu)理(li)(li)的(de)高性能微(wei)处(chu)理(li)(li)器，如何选(xuan)择(ze)DSP?可以从以下几方面(mian)来(lai)考虑。
(1)速度
DSP速度(du)一(yi)般用MIPS或FLOPS表(biao)示，即百万次(ci)／s。一(yi)些(xie)设计会片(pian)面追求(qiu)高处理速度(du)，但(dan)速度(du)越(yue)(yue)高，系(xi)统实现也越(yue)(yue)困难(nan)。
(2)精度
DSP芯片分(fen)为(wei)定(ding)点(dian)(dian)(dian)、浮(fu)(fu)点(dian)(dian)(dian)处理(li)(li)器，对于(yu)运(yun)算(suan)精(jing)度要求很高的处理(li)(li)，可选择浮(fu)(fu)点(dian)(dian)(dian)处理(li)(li)器。定(ding)点(dian)(dian)(dian)处理(li)(li)器也可完成浮(fu)(fu)点(dian)(dian)(dian)运(yun)算(suan)，但(dan)精(jing)度和速度会有影响。
(3)寻址空间
不同(tong)系列DSP程序、数据、I／0空(kong)间大(da)小不一，DSP在一个指令周期内能完(wan)成多(duo)个操作(zuo)，所以DSP指令效率很(hen)高(gao)，程序空(kong)间一般不会(hui)有问题，关键(jian)是数据空(kong)间是否满足。
TMS320LF2407芯片在控(kong)制(zhi)方面(mian)应(ying)用(yong)(yong)非常广泛，作为一(yi)款专门面(mian)向数字控(kong)制(zhi)系(xi)统进行优化(hua)的通用(yong)(yong)可(ke)编程微处(chu)理器，TMS320LF2407不仅具有低功耗和代码保密(mi)的特(te)点，而且它集成(cheng)(cheng)了(le)极强的数字信号处(chu)理能力，又集成(cheng)(cheng)了(le)数字控(kong)制(zhi)系(xi)统所(suo)必(bi)需的输入、输出、A／D转(zhuan)换、事件捕捉等外设，其(qi)时钟频率为40 MHz，指令周(zhou)期(qi)小于50 nS，采用(yong)(yong)改进的哈佛结构(gou)和流水线技术，在一(yi)个指令周(zhou)期(qi)内可(ke)以执行几条指令。本方案中(zhong)拟用(yong)(yong)TMS320LF2407作为DSP处(chu)理芯片。
下面简单介绍一下各部分电路情况。
前级(ji)检测可(ke)以有效(xiao)监测输(shu)入电压的(de)波动．准确(que)实施过欠(qian)压保护。
输入控制是(shi)利用接(jie)触器(qi)对负载发生故障时(shi)实(shi)施隔离，防止(zhi)故障进一步扩(kuo)散。
直流滤波的(de)主(zhu)要功(gong)能是滤平(ping)输入电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)纹波，当负载变化时，使(shi)直流电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)平(ping)稳。由于铁路客车(che)辅(fu)助电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源逆变器的(de)功(gong)率较(jiao)(jiao)大，因(yin)此滤波电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)的(de)容(rong)(rong)量也较(jiao)(jiao)大，一(yi)般(ban)使(shi)用电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)。但由于电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)等级限制(一(yi)般(ban)最高工作电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)在450 V)，需要将其(qi)串联(lian)(lian)后再(zai)并联(lian)(lian)使(shi)用。而电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)自身参(can)数的(de)离散导致(zhi)(zhi)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)无法一(yi)致(zhi)(zhi)，解(jie)决的(de)办(ban)法是采用电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)两端并联(lian)(lian)均压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻。
按照铁路客车(che)辅助电(dian)源(yuan)逆变器的(de)(de)设计要求。输(shu)(shu)出为(wei)正弦波，交(jiao)流(liu)滤(lv)波电(dian)路主要就是将逆变器输(shu)(shu)出的(de)(de)PWM波变成准正弦波，以此保证(zheng)较低的(de)(de)谐波含量(liang)。
三相逆(ni)(ni)变(bian)是逆(ni)(ni)变(bian)器的核心电路，在直接(jie)逆(ni)(ni)变(bian)的方案图中，该部分由(you)VT1 ～VT6六个功率(lv)开关器件组成(cheng)，各由(you)一个续流(liu)二极管(guan)反(fan)并联，整个逆(ni)(ni)变(bian)器由(you)恒(heng)值直流(liu)电压(ya)U供电。
输入电源、电动机的(de)(de)(de)突然停止和线路感(gan)抗等会(hui)引起逆(ni)变器过压；接触网电压的(de)(de)(de)波动，有(you)可能造(zao)成输出(chu)(chu)欠压；某些(xie)情况下，逆(ni)变器的(de)(de)(de)输出(chu)(chu)会(hui)超过其自身的(de)(de)(de)输出(chu)(chu)能力即(ji)过载；而功率器件(jian)工(gong)作时(shi)，产生各(ge)种(zhong)损(sun)(sun)耗(hao)(hao)，其中主要包括导(dao)通(tong)(tong)过程损(sun)(sun)耗(hao)(hao)、通(tong)(tong)态损(sun)(sun)耗(hao)(hao)和关(guan)(guan)断(duan)时(shi)的(de)(de)(de)损(sun)(sun)耗(hao)(hao)，这些(xie)损(sun)(sun)耗(hao)(hao)以热(re)量的(de)(de)(de)形式向(xiang)外(wai)传送，当开关(guan)(guan)频率增高(gao)后，会(hui)造(zao)成过热(re)。
对应(ying)以上逆变器工作(zuo)中产生的(de)种(zhong)(zhong)种(zhong)(zhong)情况，设(she)计时(shi)需考虑(lv)各(ge)项保护(hu)功能(neng)：过(guo)压保护(hu)、欠压保护(hu)、过(guo)载保护(hu)、过(guo)热保护(hu)等(deng)。
在逆变(bian)(bian)器电(dian)路的设计中，控(kong)制(zhi)方(fang)法是核心技(ji)术。早期的控(kong)制(zhi)方(fang)法使得(de)输出为(wei)矩形波(bo)．谐波(bo)含(han)量较高，滤(lv)波(bo)困难(nan)，而SPWM技(ji)术较好地克服了这些缺点。SPWM正弦脉(mai)宽调制(zhi)技(ji)术是通(tong)过一系列宽窄不等的脉(mai)冲进(jin)行调制(zhi)，来等效正弦波(bo)形(幅值(zhi)、相(xiang)位和(he)频率)。SPWM容易实现对电(dian)压(ya)的控(kong)制(zhi)。控(kong)制(zhi)线性度好，广泛用(yong)于直流交流逆变(bian)(bian)器。
SPWM控制(zhi)方式中有几个(ge)重要(yao)的参量：载波频率(lv)fc，调制(zhi)波频率(lv)fr及(ji)载波比(bi)N，N=fc/fr。
在(zai)实(shi)际应用中(zhong)，逆变(bian)器的(de)(de)启(qi)动过(guo)程(cheng)是(shi)一个变(bian)频(pin)变(bian)压的(de)(de)软启(qi)动过(guo)程(cheng)，而且为了实(shi)现空调(diao)的(de)(de)变(bian)频(pin)化。也就是(shi)说调(diao)制(zhi)(zhi)(zhi)频(pin)率(lv)fr是(shi)变(bian)化的(de)(de)。于(yu)是(shi)，在(zai)实(shi)行SPWM时，我们根据载(zai)波(bo)和调(diao)制(zhi)(zhi)(zhi)波(bo)是(shi)否同步(bu)以及(ji)载(zai)波(bo)比N的(de)(de)变(bian)化情(qing)况(kuang)，有异步(bu)调(diao)制(zhi)(zhi)(zhi)和同步(bu)调(diao)制(zhi)(zhi)(zhi)之分(fen)。
这种调制方(fang)式是(shi)使载波(bo)(bo)(bo)比(bi)Ⅳ等于常(chang)数．即在(zai)变频(pin)时让(rang)载波(bo)(bo)(bo)和调制波(bo)(bo)(bo)保(bao)持同步(bu)。其优点是(shi)波(bo)(bo)(bo)形(xing)对称；但缺点是(shi)，在(zai)逆(ni)变器输(shu)出(chu)频(pin)率(lv)(lv)(调制波(bo)(bo)(bo)频(pin)率(lv)(lv))很(hen)低时，载波(bo)(bo)(bo)频(pin)率(lv)(lv)也(ye)很(hen)低，产生(sheng)输(shu)出(chu)波(bo)(bo)(bo)形(xing)中谐波(bo)(bo)(bo)不易滤除，而且(qie)会(hui)带(dai)来较大的噪音；当(dang)逆(ni)变器输(shu)出(chu)频(pin)率(lv)(lv)很(hen)高(gao)时，载波(bo)(bo)(bo)频(pin)率(lv)(lv)会(hui)过高(gao)，使得功(gong)率(lv)(lv)开(kai)关器件难以承受。
为了(le)消除同步调(diao)制的(de)缺(que)点(dian)，可以采用异步调(diao)制方(fang)式。顾(gu)名思义，异步调(diao)制时，在(zai)变(bian)频(pin)(pin)器的(de)整个变(bian)频(pin)(pin)范围内，载(zai)波(bo)比(bi)n不(bu)等于常(chang)数。一般在(zai)改(gai)(gai)变(bian)调(diao)制波(bo)频(pin)(pin)率(lv)fr时保持三角载(zai)波(bo)频(pin)(pin)率(lv)ft不(bu)变(bian)，因而(er)(er)提高了(le)低(di)(di)频(pin)(pin)时的(de)载(zai)波(bo)比(bi)。这样输出(chu)电(dian)压半波(bo)内的(de)矩(ju)形脉(mai)冲数可随输出(chu)频(pin)(pin)率(lv)的(de)降低(di)(di)而(er)(er)增加，从而(er)(er)减少负载(zai)电(dian)动机的(de)转矩(ju)脉(mai)动与噪声，改(gai)(gai)善了(le)系统的(de)低(di)(di)频(pin)(pin)工(gong)作性能。
有利必有弊，异步调制方(fang)式在改善低频(pin)工(gong)作性能的同(tong)时(shi)(shi)，又失去了同(tong)步调制的优点。当载波(bo)比(bi)Ⅳ随着输出频(pin)率(lv)的降低而(er)连续变(bian)化时(shi)(shi)，输出电压波(bo)形及其相(xiang)位(wei)都(dou)发生变(bian)化，难(nan)以保持三相(xiang)输出的对(dui)称(cheng)性，可能引起(qi)电动机工(gong)作的不平(ping)稳(wen)。
通过(guo)分析，我(wo)们需要的(de)(de)是(shi)把两种方式的(de)(de)优点结合起来，得到另一(yi)种调(diao)制方式：分段同步调(diao)制。即把逆变器的(de)(de)整(zheng)个输出(chu)频(pin)(pin)(pin)(pin)率范(fan)围(wei)(如50～60 Hz)划分成若(ruo)干个频(pin)(pin)(pin)(pin)段，在每个频(pin)(pin)(pin)(pin)段内都(dou)保(bao)持载(zai)(zai)波(bo)比N恒(heng)定．而不(bu)同频(pin)(pin)(pin)(pin)段的(de)(de)载(zai)(zai)波(bo)比不(bu)同。在输出(chu)频(pin)(pin)(pin)(pin)率高的(de)(de)频(pin)(pin)(pin)(pin)段采用较低的(de)(de)载(zai)(zai)波(bo)比，输出(chu)频(pin)(pin)(pin)(pin)率低的(de)(de)频(pin)(pin)(pin)(pin)段采用较高的(de)(de)载(zai)(zai)波(bo)比。
驱动(dong)电路是(shi)将主控电路中产生的六个PWM信号(hao)，经光(guang)电隔离放大后，为逆变器提供驱动(dong)信号(hao)。
本设计中驱动电(dian)路(lu)部分的(de)开关功率器件(jian)选(xuan)择(ze)IGBT。
IGBT(绝缘(yuan)双(shuang)极型晶体(ti)管)是由BJT(双(shuang)极型三(san)极管)和(he)MOS(绝缘(yuan)栅(zha)型场效应管)组成(cheng)的复合全控型电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)驱动(dong)式功率半导(dao)体(ti)器件，兼有(you)(you)MOSFET的高(gao)输(shu)入阻(zu)抗和(he)GTR的低导(dao)通压(ya)降(jiang)两方面的优点 GTR饱和(he)压(ya)降(jiang)低，载(zai)(zai)流密(mi)(mi)度(du)大，但驱动(dong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流较大：MOSFET驱动(dong)功率很(hen)小，开(kai)关速度(du)快(kuai)，但导(dao)通压(ya)降(jiang)大，载(zai)(zai)流密(mi)(mi)度(du)小。IGBT将MOSFET和(he)GTR的优点集(ji)于(yu)一(yi)身，既(ji)具有(you)(you)输(shu)入阻(zu)抗高(gao)、速度(du)快(kuai)、热(re)稳定(ding)性好和(he)驱动(dong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路简单的优点，又有(you)(you)通态(tai)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)低耐压(ya)高(gao)的优点，因(yin)此(ci)发(fa)展很(hen)快(kuai)，倍受(shou)欢迎，在电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)机驱动(dong)、中频和(he)开(kai)关电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源以(yi)及(ji)要求(qiu)快(kuai)速、低损耗的领域．IGBT有(you)(you)取(qu)代MOSFET和(he)GTR，IGBT非常适合应用于(yu)直流电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)为(wei)600 V及(ji)以(yi)上(shang)的变流系统(tong)。
因为(wei)桥式逆变器中的(de)(de)IGBT工作电(dian)位(wei)差大．不允许控制(zhi)电(dian)路直接与(yu)其(qi)耦(ou)合，为(wei)了保(bao)证(zheng)驱(qu)(qu)动(dong)电(dian)路和主(zhu)(zhu)电(dian)路之间(jian)的(de)(de)信号传输(shu)，一般(ban)采(cai)用(yong)光电(dian)耦(ou)合器的(de)(de)隔离驱(qu)(qu)动(dong)器。由(you)于IGBT是(shi)高速器件，故必须选取(qu)小(xiao)延时(shi)的(de)(de)高速型光耦(ou)。常用(yong)的(de)(de)是(shi)芯(xin)片HCPL-316J．本设计中选择DSP为(wei)主(zhu)(zhu)控单元，其(qi)与(yu)HCPL-316J结(jie)合可驱(qu)(qu)动(dong)IGBT，控制(zhi)其(qi)导通、关断并实现保(bao)护功能(neng)(neng)。它的(de)(de)输(shu)出功能(neng)(neng)可以(yi)简(jian)略的(de)(de)用(yong)下面的(de)(de)逻辑功能(neng)(neng)表来描(miao)述，详见表1所列。
表格(ge)中最后(hou)一(yi)列为输出。当(dang)输出为High时IGBT导通，否(fou)则IGBT关(guan)断。IGBT导通需要同(tong)(tong)时具备最后(hou)一(yi)行(xing)的(de)五个条件，缺一(yi)不可，即同(tong)(tong)相输入(ru)为高(gao)；反(fan)相输入(ru)为低；欠压保护功能无(wu)效；未检测到IGBT故障(zhang)，无(wu)故障(zhang)反(fan)馈(kui)信号(hao)或(huo)故障(zhang)反(fan)馈(kui)信号(hao)已被清(qing)除。
根据(ju)上述输出(chu)控制功能，设计电路如图(tu)2。
该电路具有以下功能：
(1)能(neng)够(gou)产生驱动IGBT所需的+15 V、-10 V电压。保证了其可靠导通与关断；
(2)该电路所用(yong)核心(xin)器(qi)件HCPL-316J具有(you)过电流保护(hu)自锁功能(neng)，能(neng)够有(you)效防止IGBT在(zai)瞬时工作(zuo)中(zhong)过流而使(shi)保护(hu)误动作(zuo)，能(neng)够有(you)效的保护(hu)IGBT。
4 结束语
综(zong)上．本设计中的(de)逆变(bian)器(qi)综(zong)合铁路客车(che)辅助电源的(de)各项要(yao)求．采用(yong)IGBT作为功(gong)率器(qi)件，应用(yong)三相桥式(shi)逆变(bian)电路，利用(yong)DSP产生的(de)脉冲调制信号进(jin)行控制。
文中主要针对DC600 V铁路(lu)客车辅助(zhu)电源逆变(bian)器的(de)(de)设计(ji)提(ti)出(chu)一些自(zi)己的(de)(de)想法，简述直(zhi)接逆变(bian)方(fang)(fang)案的(de)(de)各部(bu)分电路(lu)，并具体阐述其主控(kong)方(fang)(fang)式及驱动部(bu)分的(de)(de)电路(lu)，希望借此给大(da)家提(ti)供一点借鉴参考，在(zai)同类(lei)产品设计(ji)时拓(tuo)宽(kuan)思路(lu)，找出(chu)更(geng)多更(geng)优质(zhi)的(de)(de)方(fang)(fang)案。
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