變頻電源及控制器件中接地的一些具體問題

伍家駒,劉宏然

(南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330034)

電力電子系統(tǒng)中往往有很多子回路,而每個(gè)子回路都有一個(gè)地。這些地之間有的需要連接到一起,使各個(gè)子回路進(jìn)行能量的交換和信號(hào)的傳遞;有的必須進(jìn)行隔離,避免各個(gè)子回路間構(gòu)成短路或各個(gè)信號(hào)之間彼此相互干擾。在電力電子裝置中還需要用儀器測(cè)量一些系統(tǒng)的參數(shù),如果對(duì)系統(tǒng)中的地不夠清晰,會(huì)使儀器的接地端與被測(cè)量回路中的地進(jìn)行連接構(gòu)成新的回路,使彼此間有電的聯(lián)系,這就給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維修帶來很多不便,有時(shí)甚至造成儀器或系統(tǒng)損壞。本文結(jié)合交-直-交單相變頻電源系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)地的連接進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1 變頻電源的主體結(jié)構(gòu)和電源部分

1.1 變頻電源的主體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的變頻電源是采用交-直-交形式。主要由整流 、IPM 、IPM 隔離電路 、為 IPM 供電的開關(guān)電源、DSP控制電路、濾波器、負(fù)載、電流和電壓采樣調(diào)理電路構(gòu)成。變頻電源的原理框圖如圖1所示。

圖1 變頻電源的原理框圖Fig.1 T he block diagram of frequency power

DSP產(chǎn)生PWM信號(hào)給光耦,再控制相應(yīng)幅值的電壓信號(hào)給IPM,控制里面IGBT的開關(guān)狀態(tài)。本文控制板采用TMS320F2812為核心的DSP最小系統(tǒng)板,仿真器型號(hào)為TDS510 JTAG Emulator,逆變部分采用富士的6MBP75RA060。該變頻系統(tǒng)中有很多地的聯(lián)系,它們之間采用光耦隔離、電磁隔離、霍耳效應(yīng)等進(jìn)行連接。實(shí)際PWM控制的單相變頻電源的原理圖如圖2所示。

圖2 PWM控制的單向變頻電源的原理圖Fig.2 PWM control of single frequency power schematic

圖2中主電路部分采用三相整流器將三相交流電整流,經(jīng)過濾波電容濾波成平穩(wěn)的直流電,再用逆變橋和輸出濾波器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率和幅值的正弦交流電?？刂撇糠钟肈SP產(chǎn)生PWM信號(hào)經(jīng)過非門進(jìn)行轉(zhuǎn)化控制高速光耦HCPL-4504,再輸入到IPM 的驅(qū)動(dòng)電路控制其中的逆變橋,電流、電壓信號(hào)經(jīng)過采樣調(diào)理電路,送入 DSP的ADC口模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行閉環(huán)控制。

1.2 諸控制回路用直流電源地的連接

每個(gè)控制回路都需要一路獨(dú)立的直流電源,本文采用的是開關(guān)電源。變頻電源光耦驅(qū)動(dòng)回路和各個(gè)部分所需電源的原理圖如圖3所示。每個(gè)控制回路都需要POWER1～POWER6為6路獨(dú)立電源,每路電源都有一個(gè)獨(dú)立的GND,圖3中標(biāo)為GND1～GND6。表1示出各路電源的詳細(xì)信息。

表1 各路電源的信息T ab.1 The power information

圖3 開關(guān)電源原理圖Fig.3 Schematic of swicthing power

1.3 DSP最小系統(tǒng)電源地的連接

DSP2812最小系統(tǒng)板中共有4種電源:輸入+5 V 、模擬+3.3 V 、數(shù)字+3.3 V、數(shù)字+1.8V 。地共有 3種 GND(輸入地)、AGND(模擬地)、DGND(數(shù)字地)。這些電源和地需要彼此分開供電,本設(shè)計(jì)是通過電源芯片TPS767D301進(jìn)行轉(zhuǎn)換,這些電源和地之間通過氧化鐵磁珠或電感相連與電容共同構(gòu)成無源濾波電路,DSP供電電路圖如圖4所示。

圖4 DSP電源電路圖Fig.4 Power circuit of DSP

2 各重要部件的應(yīng)用

2.1 非門的應(yīng)用

由于DSP中有大地(GND)、模擬地(AGND)、數(shù)字地(DGND)3種,彼此之間用磁珠相連,輸出的PWM對(duì)應(yīng)的地為 AGND,所以非門的地與AGND相連,非門后邊與光耦相連,非門與光耦連接電路如圖5所示。

圖5 非門與光耦連接圖Fig.5 Not gate with optocoupler connection diagram

光耦HCPL-4504的輸入平均電流的最大值為25 mA,非門電源是+5 V,PWM經(jīng)過非門進(jìn)行轉(zhuǎn)化,這樣 HCPL-4504的輸入電壓是+5 V(非門輸出為低電平)或+1.7 V(非門輸出為高電平),根據(jù)HCPL-4504的輸入電流選定R1=200 Ω,當(dāng)輸入端電壓為+5 V時(shí),輸入電流約為25 mH(不考慮二極管壓降),達(dá)到了HCPL-4504的開通條件;而當(dāng)輸入端電壓為+1.7 V時(shí),輸入電流為8.5 mA(不考慮二極管壓降),若考慮二極管壓降電流將更小,無法開通HCPL-4504。不加非門電路圖如圖6所示。

圖6 不加非門電路圖Fig.6 Without not gate circuit

不加非門的情況下:1)DSP輸出的PWM高脈沖為+3.3 V,此時(shí)輸入HCPL-4504的電流為16 mA,由于不用非門時(shí)HCPL-4504中左邊二極管的地與 DSP的 AGND相連,雖然能夠驅(qū)動(dòng)HCPL-4504,但這樣給DSP增加了負(fù)擔(dān),影響I/O口的穩(wěn)定性,所以這樣風(fēng)險(xiǎn)比較大,最好不采用這種連接方式;2)DSP輸出的PWM脈沖偶爾會(huì)出現(xiàn)尖峰,見圖7。

圖7 DSP輸出PWMFig.7 DSP output PWM

利用非門進(jìn)行轉(zhuǎn)換,可以起到平滑脈沖的作用,防止誤動(dòng)作,使系統(tǒng)更加可靠。

2.2 光耦HCPL-4504的應(yīng)用

光耦的主要作用是進(jìn)行電氣隔離,結(jié)合圖8 IPM中驅(qū)動(dòng)電路的連接圖可以看出,光耦的地跟IPM中每個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)的地和IGBT的e極是相連的,每個(gè)IGBT都有與其相對(duì)應(yīng)的地點(diǎn),這些地與光耦的地是相連的,相對(duì)應(yīng)的每個(gè)光耦也只有一個(gè)地,這些地是不能相連的(下橋臂2個(gè)IGBT除外,下橋臂2個(gè)IGBT共用一個(gè)地),所以由圖2和圖8可知:如果不用光耦就無法進(jìn)行電氣隔離,系統(tǒng)構(gòu)成短路回路。從非門輸出的PWM是共地的,4路PWM使得4個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)電源的地都連接到一起,4個(gè)IGBT的e極也連接到一起,這樣任何一個(gè)開通則使得直流電源P,N直接相連,使P,N構(gòu)成短路;同時(shí)與的e極連在一起使得輸出被短接。驅(qū)動(dòng)VT1與VT2的PWM波形如圖9所示。

圖8 IPM中驅(qū)動(dòng)電路的連接圖Fig.8 The driver circuit in the IPM

圖9 驅(qū)動(dòng)VT1與VT2的PWM圖Fig.9 VT1and V T2PWM-driven diagram

3 反饋回路中的連接方式

3.1 霍耳電流互感器

電流互感器采用的是穿心式的HTB 100-P,電流互感器原理圖如圖10所示,一次電流I1N流過一次繞組產(chǎn)生的磁通作用于導(dǎo)磁體氣隙中的霍耳元件,霍耳元件輸出電壓經(jīng)過放大器A進(jìn)行放大及互補(bǔ)三極管功率放大后,輸出的補(bǔ)償電流經(jīng)過二次繞組產(chǎn)生與一次電流相反的磁通,因而補(bǔ)償了一次電流產(chǎn)生的磁通,使霍耳輸出電壓減小,直到一、二次側(cè)磁通相等時(shí),二次電流不再增加,霍耳器件起到致使零磁通的作用。這個(gè)過程是動(dòng)態(tài)平衡作用,與的大小關(guān)系,使輸出電壓的極性發(fā)生變化。由原理可以看出,電流互感器使被測(cè)回路與測(cè)量回路進(jìn)行了電隔離,保證了測(cè)量回路的安全,其最大輸入電流為100A,輸出電壓為±4 V,電源電壓為±15V,精確度為1%,響應(yīng)時(shí)間為3 μ s,頻率范圍為50kHz,但DSP的ADC口只能接收0～3.3V的電壓,故需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)理,調(diào)理電路圖如圖11所示。

圖10 霍耳型電流互感器原理圖Fig.10 Hall-type current transformer schematic

圖11 電流調(diào)理電路Fig.11 Current conditioning circuit

由圖11可以看出,共有4個(gè)電源,由于電流互感器使調(diào)理電路與被測(cè)回路隔離,電流采樣調(diào)理部分可以看成一個(gè)獨(dú)立的小系統(tǒng),這些電源的地要接到一起,構(gòu)成一個(gè)等電位;如果將這些地分開,將會(huì)使得這些元件沒有共同的基準(zhǔn)值,無法進(jìn)行精確的調(diào)整。如:為電流互感器供電的±15 V,與調(diào)理電路的運(yùn)放供電的+12 V,如果2個(gè)電源的地分開,互感器輸出的電壓與調(diào)理的電壓就不在同一個(gè)電位上,就沒有一個(gè)共同的基準(zhǔn)值,會(huì)造成電壓的漂移。

3.2 電磁隔離

圖12為電壓調(diào)理電路,原理跟電流調(diào)理大致相同,本設(shè)計(jì)選用的電壓互感器為電流型,互感器一次側(cè)并聯(lián)在負(fù)載兩端,輸入電壓最大值為1 000 V,額定電流為2 mA,工作頻率在 20 Hz～20 kHz,二次側(cè)輸出電流經(jīng)過電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),再進(jìn)行調(diào)理,因?yàn)殡妷夯ジ衅饔须姶鸥綦x作用,將主電路與調(diào)理電路隔離開,防止主電路電流對(duì)電子電流的干擾。調(diào)理電路中的地同樣要接在一起才能構(gòu)成一個(gè)等電位,如:變壓器二次側(cè)的電流信號(hào)經(jīng)過電阻變成電壓信號(hào),此時(shí)的零電位就是變壓器二次側(cè)的地,再進(jìn)行調(diào)理時(shí),運(yùn)放的電源地,要與這個(gè)地相連構(gòu)成等電位,否則就會(huì)使得這些電位不等,無法進(jìn)行調(diào)理。

圖12 電壓調(diào)理電路Fig.12 Voltage conditioning circuit

電流調(diào)理與電壓調(diào)理部分為了避免這兩部分的相互干擾應(yīng)該將兩部分的電源和地分開,但是由于最后送到DSP的ADC口時(shí),還是要將兩部分的地接到DSP最小系統(tǒng)板的模擬地,所以本文設(shè)計(jì)兩個(gè)調(diào)理電路中的電源和地共用。

4 結(jié)論

變頻系統(tǒng)中有很多地,這些地不能混接到一起,否則會(huì)構(gòu)成不良的回路,使反饋和測(cè)量不準(zhǔn)確,甚至造成元件的燒毀,必須高度注意。為了避免信號(hào)的相互干擾,PCB制版時(shí)也要根據(jù)需要對(duì)線寬、線距進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,以達(dá)到更好的控制效果。

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修改稿日期:2010-06-15