（电机与电器专业论文）igct高压测试台的研制.pdf

北京交通大学硕士论文 a b s t ra c t a b s t r a c t ：f i r s td e v e l o p e d b ya b bc o m p a n y , i g c i ( i n t e g r a t e d g a t e c o m m u t a t e dt h y r i s t o r ) i san e ws o r to fp o w e rs e m i c o n d u c t o r , w h i c hi n t e g r a t e si t sg a t e d e v i c ew i t ht h et h y r i s t o r i g c th a st h es w i t c h i n gc h a r a c t e ro fh i i g h i n t e r d i c t i o na n dl o w o n s t a t ev o l t a g ed r o p ，w h i c hm a k e si t sb r o a du s ei nm i d - h i g h p o w e rd i s p o s a la r e a a t p r e s e n t , i g c th a sb e e nu s e dw i d e l ya b r o a da n ds o m ed o m e s t i cr e s e a r c hi n s t i t u t e sa r e r e s e a r c h i n gi g c t sc h a r a c t e r sf o ri t sp r o d u c i n ga n da p p l i c a t i o ni nf u t u r e o u rl a b o r a t o r yc o o p e r a t e sw i t ht h ep o w e re l e c t r o n i c sd e p a r t m e n to fz h uz h o u t i m eg r o u p sf o ri g c t sd e v e l o p m e n t f o rt h em a x i m u mp a r a m e t e r4 5 0 0 v 4 0 0 0 ao f o n es o r to fi g c t , w ed e s i g na n dd e v e l o pat e s tb e n c hf o ri g c t sh i g h v o l t a g e s w i t c h i n ge x p e r i m e n t w i t ht h et e s tb e n c hw ew i l lg e ts o m eu s e f u ld a t af o rb e t t e r i n gi t s r e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r e n ep a p e rp r e s e n t st h ew h o l ed e s i g nt e c h n i q u eo ft h et e s tb e n c h b a s e do nw h i c h w es u c c e s s f u l l yd e v e l o pt h et e s tb e n c he q u i p m e n t n ep a p e rf i r s t l yp r e s e n t st h e s t r u c t u r eo fi g c i t e s tb e n c ha n di l st w oc a b i n e t sf o rh i g h - v o r a g ep r o d u c i n ga n dt e s t c i r c u i t t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g nf o rh i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l ym o d u l ea n d i t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nd e t m l ，a n dt h e ni n t r o d u c e st h ec o n t r o ls y s t e ma n de m c d e s i g nf o rt h et e s tb e n c hi nd e t a i l e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra r m 7i su s e df o rw h o l e c o n t r o lc i r c u i t s a f t e rt h a tt h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g nt h e o r y , p r a c t i c a lc i r c u i ta n d t e s tt e c h n i q u ef o rt e s tc i r c u i t so ft h eb e n c h a tl a s tt h ep a p e rp r e s e n t st h ea n a l y s i sa n d s u m m a r yf o rs o m ew a v e f o r m si nd i f f e r e n tt y p i c a lt e s te x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：i g c t ；t e s tb e n c h ；h i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l ym o d u l e ；a r m 7 c i a s s n o ：t n 3 4 致谢 本论文的工作是在我的导师金新民教授的悉心指导下完成的，金新民教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 金新民老师对我的关心和指导。 童亦斌老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向童亦斌老师表示衷心的谢意。 刘京斗老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期闻，梁京哲、张婵、马琳和彭志刚等同学对我论 文中的研究工作给予了热情帮助，同时与陈瑶、吴咚、张勇强、张凌和李航等同 学在学术上的研究和讨论对我都有很大的启发和提高，在此向他们表达我的感激 之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1电力电子器件的发展“1 电力电子技术是一门利用电力电子器件，对所供给的电能进行变换与控制， 从而获得所希望的输出波形的技术学科。而电力电子器件的发展、创新在不断地 推动着电力电子技术的进步，从上世纪中期美国通用电气公司研制工业晶闸管开 始，电力电子器件不断为工业生产等方面带来巨大影响。随着我国和世界经济的 发展，电力电子学科也必将在电气工程领域占据越来越重要的地位。 作为第一代电力电子器件，晶闸管有高阻断电压、大通态电流和低损耗的特 点，几十年来一直得到广泛的应用。由晶闸管派生出来的快速晶闸管、双向晶闸 管、逆导晶闸管等器件也受到广泛的欢迎。但由于晶闸管类器件有不能自关断、 且关断时间过长( 多为几百个s ) 、工作频率低的缺点，使它的应用领域受到限制。 长期以来，人们一直希望能有这样一种电力电子器件，它是一种全器件，正向导 通时能稳定通过大电流，关断时能瞬间抽取这股大的电流，能在高阻断电压状态 下长时间工作，而在状态转换时具有极高的开关速度，无论动态还是静态损耗要 尽可能的低等等，这就是人们常要求电力电子器件应具有大电流、高电压、高速 开关、低损耗、高频率、高可靠性、体积小的特点。 为了满足人们对电力电子器件的这种需求，各种新型的电力电子器件就相继 发展起来，我们所熟悉的主要有电力晶体管( g t r ) ，可关断晶闸管( g 1 d ) 电力 场效应晶体管( m o s h t ) 等；后来又不断出现复合型器件，如m o s f e t 与g t r 复合的绝缘栅极双极晶体管( i g b t ) ，m o s f e t 驱动晶闸管复合的m c t 等，而i g c t 也是其中的重要代表。 1 2l g o t 简介 i g c t ( i n t e g r a t e d g a t e c o m m u t a t e d t h y r i s t o r ) 即集成门极换流晶闸管，是一种 将门极驱动电路与门极换流晶闸管g c t 集成于一体而产生的器件，如图1 - 1 所示， 它包括了门极驱动电路和g c t 器件两个部分1 2 1 。i g c t 首先是由a b b 公司在g t o 北京交通大学硕士论文 成熟技术的基础上研制的，它是对传统o t o 的巨大改进，其在横向上大量吸收了 g t o 的技术，并且在其阳极结构( 纵向) 上吸收了一些i g b t 技术。这使得i g c t 不 仅与g t o 有相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与i g b t 相似的开关性能， 兼有g t o 和i g b t 之所长。在中、高压功率应用中，要求将成熟的低损耗晶闸管 技术与高性价比的门极关断特性有机的结合起来，迄今i g c t 是符合这种要求的最 理想器件之_ _ 1 3 1 。 f i g u r e1 - 1s e v e r a lt y p i c a li o c t s 图卜1 几种常见类型的i g c t 器件 i g c t 结构与常规g t o 类似，但是它除了采用了阳极短路型的逆导g t o 结构 以外，主要是采用了特殊的环状门极，其引出端安排在器件的周边，特别是它的 门、阴极之间的距离要比常规g t o 的小得多；所以在门极加以负偏压实现关断时， 门、阴极间可立即形成耗尽层。这时，从阳极注入基区的主电流，则在关断瞬间 全部流入门极，关断增益为1 ，从而使器件迅速关断。而i g c t 的门极驱动回路中， 门极、阴极之间电感仅为常规g t o 的1 1 0 ，保证关断时需要提供的与主电流相等 的瞬时关断电流。 i g c t 另一特点是它又一个极低的引线电感与管芯集成在一起的门极驱动器。 驱动器用多层薄状板的衬板与主门极驱动电路相接。门极驱动器电路由许多并联 的功率m o s 管和放电电容器组成。包括门极驱动电路在内的总引线电感量可以减 小到g t o 的1 1 0 0 。 目前，国外一些公司已经生产并规模化应用了4 k a 、4 5 k v ( 1 9 k v 2 7 k v 直流 2 绪论 链) 及5 5 k v ( 3 3 k v 直流链) 等型号的i g c r ，有效硅面积小、低损耗、快速开 关等优点使其可靠地、高效率地应用在3 0 0 k v a 1 0 0 m v a 的变流器上。而国内也 有一些科研院所在努力研制i g c t ，株洲时代集团电力电子事业部就是其中之一。 该所正在试验研制4 k a 、4 5 k v 和1 1 k a 、4 5 k v 这两类为主的i g c t 器件。 1 3 课题背景 在i g c t 的研制开发上，我们实验室和株洲时代电气集团电力电子事业部进行 了广泛合作，配合该部门g c t 半导体管的研制生产，我们实验室不断探索研究 g c t 的门极驱动电路，主要技术指标对应于a b b 公司所生产的5 s h y 3 5 i a 5 1 0 和 5 s h x l 4 h 4 5 0 2 两种类型产品。 在实验室开发的门极驱动电路，装配了株洲所生产的g c t 半导体管后就可以 进行测试试验，但是在实验室的设备条件下仅能完成低电压、小电流的简易测试 试验，这样的试验手段是远远不够的。缺乏有效的试验手段使很多实际工作条件 下的测试试验无法完成，得不到i g c f 器件的很多重要数据和工作波形，这将严重 影响器件的研制和工艺改进，以及相关产品今后的应用和市场推广。为此，我们 实验室需要一套能够进行高电压、大电流测试试验的设备。 但是如果向国外公司订购i g c r 测试台，这种进口测试设备价格十分昂贵，会 使项目的进行产生巨大困难，也增加了投资风险；同时株洲时代集团电力电子事 业部也没有合适的，对i g c t 进行钡5 试的设备，利用其它设备测试将无法达到预期 效果，另外也存在很多诸如进度安排不便等不利因素。 基于以上原因，我们实验室有必要自主研制一套i g c t 高压测试平台，通过这 个测试设备帮助我们更方便、更有效的完成i g c t 的相关参数测试，获取需要的试 验数据，使i g c t 的研制开发方向更明确，不断的进行下去，使国产的i g c t 器件 产品早日市场化，可以投入大规模应用。 本论文主要介绍的就是i g c r 高压测试台的研制及其测试功能，在后面几个章 节种详细叙述。 3 北京交通大学硕士论文 2 测试台整体设计 通过前一章的介绍，i g c t 高压测试台的研制目的已经比较明确和有针对性， 就是要配合i g c t 的开发，设计并制造一台能够完成i g c t 器件开关试验，并进行 一些工作参数测试的设备。 2 1测试台的方案选择 4 1 5 1 在测试台整体方案的确定上，参考了一些国外的相关文献。首先是高压条件 的产生，按照实验室提供的市电条件，选择a b b 公司的考虑方法是合适的。a b b 公司采用的一种利用反接法测试整流器的测试平台，已经用于i g c t 及其二极管在 实际工况下( 额定电流、电压的连续开关运行) 的特性测试。他们设计一个直流 电源向大电容充电，电容再连接测试电路，当电压达到要求水平时进行试验，电 源暂停工作，半导体开关由p w m 调制控制，进行触发试验，并从输入电容获得所 需动作的能量。这种方法使电源所提供的能量只是在设备试验上损耗的部分，不 必连续提供高压大电流，这样不必采用数兆瓦电源和负载来驱动大功率器件，使 被测器件d u t ( d e v i c eu n d e rt e s t ) 瞬时工作在大功率的开关条件下即可。 通过对a b b 公司测试方法的研究，得到了我们的i g c t 测试台的基本设计方 法：设计一个产生高压的直流电源，选用一个大容量的电容器，对高压电源的输 出先进行储能，高压电容直接与i g c t 测试电路连接，在电压达到测试试验要求后， 暂时停止高压充电，进行触发试验，试验停止后继续充电补充损失的能量。 而测试电路这一部分，参考了一些文献，其中提出了几种不同的测试电路结 构，但是它们的核心拓扑是基本类似的：由i g c t 和二极管构成的b u c k 电路，被 测器件d u t 则可以是逆导或对称式的i g c t ，或者i g c t 串联二极管。虽然d i d t 、 d u 出的吸收电路有所不同，但基本电路是类似的。测试电路这一部分将在后面第 五章详细论述 2 2测试台的设计方案 6 】 高压电源产生的电压值，主要是针对自己研制开发的5 s h y3 5 l 4 5 1 0 型号的 4 测试台整体设计 i g c t 器件，根据其相关参数和开关性能要求，来确定测试台的主要技术方案。 5 s h y 3 5 i a 5 1 0 型号器件主要参数如下：各值均为最大值 c m 连续工作时直流电压 2 8 0 0 v m 。 r w i f q d a t , ， k m ， 诈 只 重复关断时峰值电压 可承受的反相电压 最大通态平均电流 最大通态电流 最大开通电流上升率 g c t 与反并联二极管 之间分布电感 门限电压 通态压降 压装力 4 5 0 0 v 1 7 v ( 关断状态下) 1 0 v ( 开通状态下) 1 7 0 0 a 2 7 0 0 a 1 0 0 0 a m ( f = 0 - 5 0 0 h z 。t i = 1 2 5 。c i t = 4 0 0 0 丸v d = 2 8 0 0 v ) 3 0 0 i 蛆 1 4 v 2 7 v 4 4 l 【n 此外i g c t 的门极驱动电路还需要一个工作电源。i g c t 的门极驱动电路的结 构比较特别，如图2 - 1 所示。 * r _ s u p p ， 辩l o 篷兰_ j 一 * 泪n 一广一 l1 童 。广 c c r 喇目自 r j b it 卜 u 雠 j 一 i - l 哺一3 曼l l 二j 17 凹 下下 f i g u r e2 - 1t h ec o n f i g u r a t i o no fg a t e - d r i v ec i r c u i tf o ri g c t 图2 - 1i g c t 门极驱动电路的结构 5 北京交通大学硕士论文 该电路需要通过一个直流或交流电源进行供电( 2 4 v - 4 0 v ) ，才能正常工作。 它的门极控制信号的接收、故障信号的对外发送，都是通过光信号实现传递的， 这些也是在测试台设计时需要考虑实现的。 根据上面说明的器件的一些参数和特性，我们把i g c t 测试台设计为一个能够 提供从低到高不同等级的输出直流电压( 最大输出电压3 3 0 0 v ) ，辅助i g c t 器件 完成通、断试验和一些开关特性参数测量的试验平台。通过这个测试台的试验不 仅可以检验株洲方面生产的g c t 是否达到相关参数和生产工艺水平的要求，也可 以通过测试来检验我们研制开发的i g c t 门极驱动电路能否良好的工作。 根据试验需求而设计的i g c t 高压测试台，其主要功能有： 1 ) 提供一个最大3 3 0 0 v 的连续可调的直流电压源； 2 ) 提供i g c t 测试试验时所需的不同类型的门极控制脉冲信号； 3 ) 提供i g c t 门极驱动电路的供电电源以及传递脉冲信号的光通信设备； 4 ) 提供i g c t 进行测试的试验电路； 5 ) 提供i g c t 在不同测试条件下，电压、电流等值的设置以及测试结果的监测。 2 3测试台的结构 根据前面的思路，测试台在结构上设计为两大部分，最后分别做成两个机柜 ( i g c t 高压测试台的实物图请见附录a ) 。一个机柜是用来产生直流高压输出、 i g c t 门极控制脉冲、门极驱动电路供电、测试条件设置和相关显示的高压柜，另 一个是用来放置测试电路、进行i g c t 触发试验和利用示波器监测记录的测试柜。 两个功能机柜的基本结构和相互关系如图2 2 所示。 6 测试台整体设计 高压电源柜 高压测试柜 f i g u r e2 - 2t h ec o n f i g u r a t i o no fi g c tt e s tb e n c h 图2 - 2i g c w 测试台的结构 2 3 1 高压电源柜结构刀 高压电源柜是选用一个高2 m ，1 9 英寸见方的标准机柜加工而成的，机柜内部 分层安装了多个高度为6 u 、7 u 等1 9 英寸标准机箱，如图2 - 3 所示，这种设计带 有了分布式和模块化的设计思想。 高压电源柜内部自下而上是由主变压器、i g c t 驱动电源、高压电源、主控系 统电路以及设置、显示电路组成。其中高压电源是通过电源模块组产生的，主控 系统电路是整个高压电源柜工作的控制核心。 高压电源和主控系统这两部分是高压电源柜的主要功能部分，也是高压柜设 计的关键部分，在后面的第三章和第四章将详细进行介绍。 在高压电源柜内多个电路板中都采用p h i l i p s 公司的a r m 7 微处理器作为控 制核心，微处理器之间的通信采用了在工业控制上广泛应用的r s - 4 8 5 总线隔离串 行通信技术，稳定可靠、抗干扰能力强。 测试台通过在高压电源柜的操作面板上设置工作模式和参数，工作时高压充 电并启动试验触发来进行测试试验，测试过程中对工作参数和工作状况进行实时 显示，具有操作简便、显示直观等优点。 7 北京交通大学硕士论文 o j s 釜 篙 等 l 哥 i i j s i 是 高压危险 j ll ! ! i 1 高压危险 l 盅 j ii ： ： 三 1 高压危险 ln l i j 巨 ： 三 i 高压危险 i n ii 6 0 0 f i g u r e2 - 3t h ec o n f i g u r a t i o no fh i g h - v o l t a g ec a b i n e t 图2 3 高压电源柜结构图 2 3 2 测试柜结构 与高压电源柜相比，测试柜的结构要简单一些，如图2 - 4 所示，测试柜主要包 括试验电路和监测设备两个部分。 试验电路的主要元器件固定在测试柜正面上方的绝缘板上，柜体下方是一个 可封闭的箱体，在箱体内放置了高压电容器、与其相连接的线路和保护装置，箱 体的设计是要保证测试电路中带有高压的部分不会大面积裸露在外，防止对试验 人员造成人身危险。 检测设备主要是示波器和电压、电流测量工具，参数显示等，示波器放置在 测试柜顶的台架上面，便于操作和观测，测试柜还带有一些参数显示功能。 整个测试柜的电路设计将在第五章详细说明。 8 测试台整体设计 f i g u r e2 - 4t h ec o n f i g u r a t i o no f l e s tc a b i n e t 图2 - 4 测试柜的结构图 2 4a r m 控制芯片介绍咖 i g c t 测试台的高压电源模块电路、主控系统电路和监控显示等电路均采用 p h i l i p s 的公司的a r m 芯片作为实现功能的微处理器。 a r m 是高级精简指令集机器( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 的缩写，是微处理 器行业的一家知名企业。该企业设计了大量的高性能、廉价、低功耗的r i s c 处理 器，包括相关技术及软件。a r m 技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用 于多种领域，如嵌入式控制、消费教育类多媒体、以及移动式应用等。a r m 将其 技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，每个厂商得到的都是一 套独一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种合作关系，a r m 很快成为许多全 球性r i s c 标准的缔造者。目前，总共有3 0 多家半导体公司与a r m 签订了硬件 技术使用许可协议，其中包括i n t e l 、i b m 、n e c 、s o n y 、p h i l i p s 和国家半导体 这样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和m r l 等一些列知名 公司。 9 北京交通大学硕士论文 a r m 微处理器的体系结构采用r i s c 结构，集成了非常典型的r i s c 结构特 性，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗： a r m 微处理器支持两种指令集：a r m 指令集和t h u m b 指令集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。t h u m b 指令集为a r m 指令集的 功能子集，但与等价的a r m 代码相比较，可节省3 0 4 0 以上的存储空间， 同时具备3 2 位代码的所有优点。它是一类基于精简指令集的高性能结构的微处理 器。 a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 是4 个通用的处理器系列，每一个系列 提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。其中a r m 7 系列的微处理 器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，这个系列比较适合用于要求低价位和低功耗的 消费类应用。 测试台电路中所用到的p h i l i p s 公司的a r m 7l p c2 1 1 9 芯片即属于该系列的 处理器。l p c 2 1 1 9 基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7t d m i s t m c p u ，并带有1 2 8 2 5 6k 字节( 心) 嵌入的高速h a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储 器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有 严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损 失却很小。 由于l p c2 1 1 9 具有非常小的6 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定对器、4 路l o 位a d c 、2 路c a n 、p w m 通道、4 6 个g p i o 以及多达9 个外部中断等资源， 使它们比较适用于工业控制、汽车应用以及医疗系统。由于这款芯片相对d s p 的 较低价格，同时能够满足测试台电路控制需要的硬件资源，因此选择了该芯片做 为测试台所有电路的核心控制芯片。 测试台高压电源电路 3 测试台高压电源电路 3 1高压产生电路的设计方法 高压产生电路部分是i g c t 测试台的一个重要部分，测试台能够进行试验的高 压是由这个部分的电路产生的。测试台对产生高压的电源要求比较高，既希望能 够很好的实现可调节的直流电压输出，又要保证电路的安全可靠。 设计上我们采用了多个电源模块串联的方法来得到高电压输出。使用了9 个 最大输出直流3 7 0 v ，能够连续调节输出电压值的电源模块，将它们进行串联，得 到最大3 3 0 0 v 的直流试验屯压，配合了5 s h y 3 5 1 - 4 5 1 0 型号i g c t 器件的测试范围。 每个电源模块是采用完全相同的设计，统一由主变压器多个抽头供电，各自独立 工作产生要求的电压，输出侧相互串联而产生高压输出。这些电源模块之问还要 通过隔离进行通信，然后统一由上位机的主控系统电路控制它们工作。 采用这种模块化的设计，是出于以下考虑：一方面每一块电路板产生的输出 电压较低，使用价格相对较低的低压元器件就可以实现，虽然模块的数量多，但 计算成本还是要低一些；更重要的是，如果未来测试台需要升级，就可以通过增 加电源模块个数的办法来提高电压等级，以适应更大功率器件或新器件的测试需 要。此外，在实际使用中，一旦某个模块出现了故障，可以方便查找问题，更换 备用模块，面不需要等待维修个剐电源模块而影响整体工作进度。 3 2电源模块的硬件电路设计 电源模块产生直流电压的基本原理是：由交压器供电，输入工频5 0 i z 、3 5 0 v 交流电压，先通过不控整流桥对交流电压进行整流、滤波，得到中间电压v d ，再 通过两个开关管来控制向输出端的电容充电，或者将电容上己充的电压放电，开 关管可以用i g b t 实现，对开关管按照一定控制方法控制开通、关断，使输出端得 到所需的电压值。为保证输出电压的准确，电源模块的控制策略采用了实时检测 输出电压值，进行边带b a n d b a n d 控制的方法来实现输出电压的控n t 9 。 高压电源模块的基本结构如图3 - 1 所示，在硬件电路设计上包括3 个部分：主 1 1 北京交通大学硕士论文 电路部分、控制电路部分和隔离通信电路部分，下面分节说明。 一一差皇曼堡坠一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 毒 f i g u r e3 - 1t h ec o n f i g u r a t i o no f p o w e rs u p p l ym o d u l e 图3 - 1 电源模块的结构图 3 2 1 主电路部分【1 0 l + 电 压 输 出 主电路基本电路结构如图3 2 所示，主要由以下元器件组成：二极管d i d 4 组成不控整流桥，c d 是滤波电容，t 1 、1 2 两个i g b t 分别作充电和放电开关管， r 1 是充电电阻，r 2 是放电电阻，电解电容c 是输出端储能电容。主电路由变压 器供电，经不控整流桥及滤波电容整流成中间直流，再通过控制充电、放电两管 导通工作，对输出端的储能电容充电，从而获得合适的输出电压。 d l d 2 盟斟g 怼 f 2 岳一￥h 纠 ；占峙 r ， = c dh r 2 2 一懈 d 3 2rd 4z 一k d i f i g u r e3 - 2m a i nc i x c u i to f p o w e rs u p p l ym o d u l e 图3 - 2 电源模块的主电路 变压器副边抽头输出a c3 5 0 v ，根据工作时负载的功率情况，选用了4 个 i n 5 4 0 8 二极管构成不控整流桥，i n 5 4 0 8 最大耐压7 0 0 v 、导通电流3 a ，有足够的 裕量。在整流桥两桥臂中间接入一个压敏电阻，在交流输入端串入快速熔断器， 防止输入过电压或过电流烧毁后面的电路器件。 测试台高压电源电路 两个主开关管选择：整流桥输出的电压，瞬时最大值为4 - 2 u s - 4 9 0 v ，电流按 照充电电阻为1 2 0 0 考虑约为4 a ，所以设计时留出两倍多裕量，两个主开关管选 用型号为i r g 4 p h 2 0 k ，耐压1 2 0 0 v 电流l l a 的i g b t 。充电电阻和放电电阻；主 要考虑到电路充电的速度和电阻的功耗，选择用1 2 0 0 4 0 w 的水泥电阻；考虑到 放电电阻工作的平均时间少于充电电阻，选择用1 0 0 0 1 2 0 w 的水泥电阻。 每个模块电源的充电电容选用5 个4 5 0 v 4 0 0 u f 的电解电容并联，由于测试工 作时，模块电源上的电容值比较小，模块电源串联对外工作时，输出端需要先连 接在一个电容值比较大的支撑电容上，先将此电容充电，以保证试验过程中输出 的电压保持基本稳定。d f 和d 两个二极管也采用i n 5 4 0 8 ，保证电容上的能量在充 电、放电过程中不会倒流，同时也防止对极性电容出现反向充电情况。 r s 、c s 、d s 构成了吸收电路，在第四章的电磁兼容一节有介绍。 在输出端并联电阻网络r m 和滤波电容，通过电阻分压来得到输出电压的比例 值，实现电压的测量电路，电压分压值并送到a d 芯片进行转换，再给微处理器 进行比较控制。电压测量转换使用了c s 5 4 6 0 专用的测量芯片【1 1 l 。 3 2 。2 控制电路部分 控制电路以a r m 芯片l p c 2 1 1 9 为处理器，处理器根据控制方法，计算出控 制脉冲，由片内的p w m 模块或的通用f o 口发出控制脉冲，经驱动电路送至i g b t 开关管的门极，实现充放电的控制。 j n i ，v f i g u r e3 - 3p o w e rs u p p l yf o rc o n l r o lc i r c u i t 图3 - 3 控制部分供电电路 a r ml p c 2 1 1 9 等控制部分电路芯片统一由控制电路电源供电。如图3 3 所示， j b 京交通大学硕士论文 这个电源也是从主变压器的副边供电，a c3 5 0 v 先经共模电感滤波，用一个双1 5 v 输出的3 v a 的小变压器转换电压等级，再用两个二极管和电容整流，整流后电压 通过7 8 1 5 和7 8 0 5 三端稳压电源芯片提供芯片所需的1 5 v 和5 v 等级的电压。 f i g u r e3 - 4p o w e rs u p p l y , r e s e ta n dc l o c kc i r c u i tf o r a r m 图3 - 4 a r m 供电、复位和时钟电路 而a r ml p c 2 1 1 9 所需的3 3 v 、1 8 v 供电是由t p s 7 3 3 3 产生，通信用的隔离 电压则由b 0 5 0 5 t 产生，如图3 - 4 所示，先将控制电路的5 v 电源进行隔离，使控 制电路不会对通信产生共地干扰；t p s 7 3 3 3 将5 v 电压转换为3 3 v 电压为a r m l p c 2 1 1 9 提供芯片管脚电平，3 3 v 电压再经过两个二极管的压降至约1 8 v ，为芯 片的内核供电。同时，t p s 7 3 3 3 还为a r ml p c 2 1 1 9 提供一路启动复位信号r s t ， 低电平有效，正常工作时电阻上拉至高电平。a r ml p c 2 1 1 9 芯片的工作时钟是由 芯片外部提供的晶振电路产生的，1 1 0 5 9 2 m 的晶振配合两个3 3 p f 电容为芯片提供 时钟源，芯片内部p l l 电路倍频至最高6 0 m h z 的工作时钟频率。 作为开关管的i g b t ，其控制脉冲信号由a r m 7l p c 2 1 1 9 产生，经光耦进行隔 离，再经一级m o s f e t 加强驱动能力后送至i g b t 门极，驱动i g b t 按要求工作。 f i g u r e3 - 5v o l t a g ec u r v eo f b a n g - b a n gc o n t r o lm e t h o d 图3 - 5b a n g - b a n g 控制方法的电压曲线 1 4 测试台高压电源电路 在设计中采用了b a n g - b a n g 控制的方式，如图3 - 5 所示，电压设定v s 是电源 模块需要输出的电压值，电压上、下限i 和v l 是控制的两个边带参考值。 当工作充电时，开关管t 1 导通，t 2 关断，电压v 上升，当超过v s 后t 1 关 断，电压保持在在v i i 和v l 之间，如图中曲线l ；当电容上电压随着负载消耗下降 低于电压下限v l 时，开关管t 1 再次导通，又将电压向上充，直到回到之前的情 况，如曲线3 所示。 当设定电压v s 肉低调节时，电压上限v u 将随之下降，会出现电压v 离于电 压上限v u 的情况。此时t 1 保持关断，t 2 导通，电压v 下降，直到低于v s 后t 2 关断，如曲线2 所示；设定电压v s 向高调节时，v l 也随之提高，会出现电压v 低 于电压下限v l 的情况，此时t 1 导通，电压v 上升，知道高于v s 后t 1 关断，如 曲线4 所示。 在b a n g - b a n g 控制中两个开关管是不可以同时导通的，两管贯通将导致电路电 流过大而烧毁器件，因此在控制是两管是互锁的。采用这种b a n g - b a n g 控制的方法 能够简单、可靠的实现充电目的。 控制电路需要对输出电压值进行采样，电路中采用精密电阻网络分压采样， 采样值经过c s 5 4 6 0 进行a d 转换后送到a r ml p c 2 1 1 9 芯片进行处理，a r m 芯 片按照b a n g - b a n g 控制的方法，通过对实时采样电压和设定电压值的运算和比较， 决定开关管t 1 、1 2 的控制脉冲。t 1 、t 2 的门极控制信号，还通过两个l e d 进行 监测。 如图3 6 所示是控制电路的保护设计： 电压采样部分由电阻r 1 、r 2 组成，在输出电压不超过3 7 5 v 时，电阻的分压不 超过1 5 v ，输入比较器l m l 3 9a 的同向端，反向端直接接入1 5 v ，加入滞环比较。 在正常工作情况下输出为0 v ，使徭控制放电回路的开关管一直处于关断状态。加 入一个充电电容c 1 ，当发生故障时放电管开通后，由于电容的存在，它会在输出 电压降至边带范围之外的时间内充好电，由于电容的放电回路的时间常数很长， 它会保持一直处于放电状态，将电容内的所有电能释放完毕，在过压时，在a r m 不能正常工作时，起到自动关断充电回路，开通放电回路的功能。 关断管同时还受到l m l 3 9b 输出的控制，b 的同向端接入3 v 的电压，反向端接 入a r m 给出的正常工作指示，当a r m i 作正常时，输出为3 3 v ，因此在a r m 未正 北京交通大学硕士论文 常工作时，比较器的输出为1 5 v ，强制放电回路一直处于开通状态，此时无法对电 容充电。只有a r m 正常工作信号给出后，此放电回路才关闭。显然在放电回路工 作的时候，充电回路必须关断。l m l 3 9c 用来控制充电回路的关断。 控制电路设计用一片l m l 3 9 就完成了保护电路的设计，可靠性高，另外还加 入了a r m 正常工作的限制，更进一步完善了整体电路的可靠性。 f i g u r e3 - 6p r o t e c t i o nc i r c u i to fc o n t r o lc i r c u i t 图3 - 6 控制部分的保护电路 3 2 3 隔离通信部分 由于高压电源是按照模块化设计的，因此产生高压是需要多个模块串联使用 1 6 测试台高压电源电路 的，在串联工作中，它们之间需要实时传递和交换一些数据信息，如电压设定值， 输出电压值，模块工况信息等。但由于各个模块之间的电压等级不同，因此串联 后模块之间需要进行隔离的通信。 如图3 7 所示，实际电路设计采用了a d 公司的电压隔离芯片a d u m l 4 0 2 1 2 0 1 ， 该芯片是高速传输的数字信号隔离芯片，输入、输出高电平范围3 5 v ，最大隔 离电压5 6 0 v ，最大数字传输速度可达9 0 m b p s ，可以很好的实现通信所需条件。 u i c 2 1 1 9 芯片内置了两组异步串行通信接口u 御玎，可以分别和上位、下位 的模块进行通信，各模块的地址、电压设定值、电压输出值等数据按照通信协议 规定对位填写，由t x d 和r x d 两信号一发一收。除了t x d 、r x d 之外，还要传 递控制电源模块统一工作的信号s t d ，以及模块工作状况信号s f i 等，这些都通 过a d u m l 4 0 2 进行电压隔离后，由屏蔽线在相邻两个电源模块之间传输，通信简 单可靠，提高抗干扰能力。 f i g u r e3 - 7i s o l a t e dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt w om o d u l e s 图3 - 7 电源模块同的隔离通信 3 3电源模块的串联使用 按照需要得到的电压等级，可以灵活的将多个电源模块串联使用，模块组输 出电压为n x 3 7 0 v 。电源模块的串联结构如图3 - 8 所示，采用了9 个模块电源串联 而成。在第一个电源模块的输出端中，接地端( 一) 作为整个电源模块组的接地 输出端，另一个电压输出端( + ) 则与第二个电源模块的接地端相连接，这样依 北京交通大学硕士论文 次连接到第9 个电源模块，该电源模块的电压输出端作为整个电源模块组的高压 输出端，从相对电位上看，第9 个模块的电压输出和第一个电源模块接地端之间 的输出电压值，就是9 个电源模块输出电压的总和。 f i g u r e3 - 8s e r i e su s eo f p o w e rs u p p l ym o d u l e s 图3 - 8 电源模块的串联使用 为实现这种串联方案，专门设计定做了一个变压器，该变压器原边是单相工 频2 2 0 va c 的输入，副边是多组抽头输出，每组抽头输出电压为单相3 5 0 va c ， 这些组抽头都作为一个电源模块的输入。此外该变压器还有专门为i g c t 门极驱动 电路供电留有3 2 v a c 输出的抽头，经过电路处理后可以供给i g c t 门极驱动电路 使用。变压器是从银川银利电器公司制造，额定容量为2 k v 虬 这种变压器连接方式不仅能够为各个电源模块供电，还可以保证各模块的供 电是相互隔离的。这样每个电源模块的输出才可以串联。各个电源模块之间靠隔 离通信进行数据和控制命令、故障信息的交流。 3 4控制软件的设计“幻 电源模块的软件是基于前面所述的b a n g b a n g 控制方法进行编写的。由于控制 芯片使用了a r m 7 l p c 2 1 1 9 ，在整个系统软件的开发过程中，就选用a r m 公司推 出的针对a r m 的集成开发工具a d s l 2 ， 它支持软件调试及j t a g 硬件仿真调试， 1 8 英文全称为a r md e v e l o p e rs u i t e1 2 ， 支持汇编、c 、c + + 源程序。 涌试台高压电源电路 a d s l 2 包括c o d e w a r r i o ri d e 集成开发环境和a x d 调试器两个部分。其中 c o d e w a r r i o r d e 集成开发环境是集a r m 汇编器、a r m 的c c + + 编译器、t h u m b 的c c + + 编译器、a r m 连接器等为一体的开发环境，它还包含工程管理器、代码 生成接口、语法敏感编辑器、源文件和类浏览器等等功能。 而a x d 调试器是a r m 扩展调试器( a r me x t e n d e dd e b u g g e r ) 的缩写，这 个调试器包括a d w a d u 的所有特性，支持硬件仿真和软件仿真( a r m u l a t o r ) ， 它能够发送以下指令：装载映像文件到目标内存；启动或停止程序的执行；显示 内存，寄存器或变量的值；允许用户改变存储的变量值。它能够装载映像文件到 目标内存，具有单步、全速_ 和断点等调试功能，可以观察变量、寄存器和内存的 数据等丰富功能。 电源模块的控制软件是采用c 语言编写，由c o d e w a r r i o r d e 进行编译，在 a x d 的d e b u g h a s h 环境下调试的。 厂磊葡吾n 查询t o l = l 读取设定参数 或通信参数 蓍i ，l 1( 通信中断 茹臻卜哑盏巫 f i g u r e 3 - g f l o w c h a r t o f p o w e rs u p p l y m o d u l e s w o r k 图3 - 9 电源模块的充放电控制软件流程图 1 9 黧器篁一 燮銎彳弋面 北京交通大学硕士论文 电源模块的控制软件主要功能流程如图3 - 9 所示，程序主循环结构如下： 查询相关t o 口确定工作状态； 读取通信接收寄存器内的设定参数； 将设定电压按一定算法计算得到控制电压的边带值： 在定时中断里对输出电压采样并做a d 转换； 读取新的a d 转换结果，与设定的