电能变换与控制（修订版）课件 第7章 硬件电路

第7章硬件电路7.1检测调理电路设计7.2驱动电路设计7.3保护电路设计7.4辅助电源电路设计

新能源发电、电动汽车、变频调速、轨道交通和柔性输电等系统其核心组成皆为电能变换与控制系统，其系统硬件虽各有特点，但组成类似，主要包括控制器、变流器、滤波器、检测调理、模数转换、保护电路和辅助电源等单元，典型连接方式如图所示，实际应用中各个单元之间的连接方式视具体情况而定。7.1检测调理电路设计

检测调理电路常见的结构如图所示，由检测电路、偏置电路、滤波电路和限幅电路等部分组成，检测调理电路用于待测电流和电压的检测并完成相关处理，以适应模数转换器对输入电压的要求7.1.1检测元件及电路

常用于电流检测的元件有采样电阻、电流互感器、磁场平衡式霍尔电流传感器和单芯片霍尔效应电流传感器等。用于电压检测的元件有电阻网络、电压互感器、磁场平衡式霍尔电压传感器等。相应的电压、电流检测的方法有：电阻串联分压法、电阻采样隔离法、互感器检测法和霍尔传感器检测法等。下面简要介绍检测元件的原理与检测方法。1电阻采样及相关隔离检测电路

电阻采样法是一种原理最简单的方法，如图所示。单一采样电阻没有隔离，一般仅用于示波器观察波形等应用。图为一个带有光电隔离的电阻采样电流检测电路，它可用于检测直流电压和电流，该电路的传输特性为UD为发光二极管的压降，β=Io/I*L——光耦合器电流传输比。

采样电阻R一般由康铜或锰铜丝组成，R1和R2由所选择的线性光耦合器的参数决定。

利用串联电阻检测电压电路如图所示，与差动检测电路结构非常类似，是同一种电路的两种不同用法。运放后面接一阶低通滤波电路，同样采用3.3V单电源供电的轨对轨运放，可省去限幅电路

可根据检测电压u1和输出电压uout的范围选取R1、R2、R3和Rf的大小。R1、R2、R3三个电阻串联在一起，是为安全起见减小单个电阻的耐压值，不一定是三个电阻，根据需要可用多个电阻串联。对于要求测量输出和待测电压隔离的场合，可以将输出电压接入到线性光耦或线性隔离放大器进行隔离。2霍尔传感器原理及相关检测电路(1)霍尔传感器原理(2)使用霍尔传感器的检测电路1）电流检测电路2）电压检测电路(1)霍尔传感器原理

UH经放大器A放大，获得一个补偿电流IM。IM流过绕在聚磁环上的多匝副边绕组，其产生的磁势和待测电流产生的磁势方向相反，因而产生补偿作用，使磁场减小，UH随之减小。因为放大器的放大倍数很大，

此时有

（2）使用霍尔传感器的检测电路--电流检测电路

用LA-50P的电流检测电路，其电气连接如图所示，LA-50P参数为：原、副边匝数比为1:1000，原边额定电流IN=50A，对应副边输出电流IM=50mA。LA-50P可用于测量直流、交流和脉冲电流。由于调理电路的输入电阻远大于测量电阻RM，所以将调理电路对霍尔电流传感器的影响忽略，则副边输出电流IM经测量电阻RM产生电压UM，其关系式如下（2）使用霍尔传感器的检测电路--电压检测电路

以霍尔电压传感器CHV-25P为例介绍电压检测电路，其电气连接如图所示，CHV-25P参数为：原边与副边匝数比为2500:1000，原边输入额定电流IN=10mA，对应副边输出电流Im=25mA，原边内阻为RS=250Ω

如果选取一个电阻来实现，其阻值为22kΩ，功率为3W，若为了减小电阻承受的电压，选择电阻串联来实现，可选两个阻值为11kΩ，功率为2W的电阻，在实际应用中应考虑过压等因素后留有一定的余量3互感器原理及相关检测电路(1)互感器分类及原理

（2）使用互感器的检测电路1）电流检测电路2）电压检测电路(1)互感器分类及原理

互感器又称为仪用变压器，是电流互感器和电压互感器的统称。能将高电压变成低电压、大电流变成小电流，用于测量或保护系统，其种类繁多。互感器分为电流互感器和电压互感器两大类；另外按用途可分为测量互感器和保护互感器，按介质可分为干式互感器、浇注绝缘互感器、油浸式互感器和气体绝缘互感器等等。其原理与变压器类似，也是根据电磁感应原理工作，对电压、电流和阻抗进行变换。就是将交流电压和电流按比例降到可以用仪表直接测量的数值，便于仪表直接测量，同时为继电保护和自动装置提供电源。本节主要以小型测量用互感器为例进行分析。（2）使用互感器的检测电路--电流检测电路

输出电流IM经测量电阻R转化为电压UM=IMR，这种电路简单，但要求测量电阻R≤50Ω，且输出接后级电路后相移会变大，相移变化的大小与等效负载电阻有关。由运放构成的有源检测电路，避免了相移随负载的变化，输出电压仍然为UM=IMR（2）使用互感器的检测电路--电压检测电路

电流型电压互感器以HPT205AD为例，其输入电流为2mA时，副边输出2mA。电流型电压互感器本质是一个电流互感器，首先通过串入功率限流电阻R1，将待测电压UN转化为待测电流IN=UM/(R1+内阻)，然后将待测电流IN成比例地转换为互感器副边输出电流IM。图中两个电路均可用于电压测量，反馈电阻R要求温度系数优于50ppm/℃。7.1.2调理电路1.调理电路的作用2.调理电路的设计3.其它电流和电压检测调理电路1.调理电路的作用

调理电路的作用是把检测电路输出信号进行变换，变成模数转换器(A/D)所能测量的信号。针对不同应用中特定的输入和输出，调理电路也需要针对性的设计，因此种类众多。调理电路它通常由偏置、滤波和限幅电路组成。限幅电路

限幅电路起限制信号幅度的作用，用以确保前级输出不超过模数转换器参考电压。常见的限幅电路如图所示，图中Dz为稳压管，可选取MM1Z3B3，其稳压值为3.3V，功率为500mW，R为限流电阻可选取为200Ω。当UI小于3.3V时UO=UI，电流IZ非常小（μA级别）；当UI超过3.3V时UO≈3.3V，Dz反向击穿，电流IZ突然变大，电阻R上的压降增大，只要发热功率小于500mW稳压管正常工作。图中D1和D2为二极管，可选取BTA54S，R为限流电阻可选取为200Ω，一般选取导通压降小的二极管，从而在UI超出0~3.3V的范围后二极管尽快导通实现限幅。2调理电路的设计(1)基于霍尔传感器的调理电路的设计(2)基于互感器的调理电路的设计1)交流电流测量2）交流电压测量(1)基于霍尔传感器的调理电路的设计

针对工频50Hz交流电压、交流电流或双向流动直流电流，偏置电路和滤波电路可按图设计，采用3.3V单电源供电的轨对轨运放，可省去限幅电路。下面主要叙述偏置电路和滤波电路的参数选取过程。

当变流器的开关频率选为20kHz，滤波器截止频率选取fc10kHz，C选取0.22µF电容，由式得R≈72.4Ω，实际选取68Ω标称电阻。滤波器在截止频率处的幅值增益为0.707，当输入频率远小于截止频率时，滤波器幅值增益约等于1。

偏置电路的U1端接1.5V的基准电压，令

R3=R4=R5=R6，则同相比例加法器的增益为1，其输出Uo=U1+UM=1.5+UM，(2)基于互感器的调理电路的设计--交流电流测量图

中网络Ⅰ中偏置电路的输出与输入的关系为将偏置电路的U1端接1.5V的电压，即可实现(2)基于互感器的调理电路的设计--交流电压测量

图中测量电阻R选取250欧，UM有效值不超过500mV，UM峰峰值不超过

为充分利用模数转换器的0~3V电压量程，调理电路中UM的增益应不大于选取增益为2，将偏置电路中UM增益设为2，滤波电路的增益设为1。U1端接1.5V固定的偏置电压，其输出Uo=U1+2UM=1.5+2UM。3其它电流和电压检测调理电路(1)差动检测调理电路(2)串联电阻检测调理电路的设计（1）差动检测调理电路

通过对采样电阻的电压差测量，能够测量电流，同时加1.5V偏置电压，以适应模数转换器的0~3V电压量程。运放后面接一阶低通滤波电路，同样采用3.3V单电源供电的轨对轨运放，可省去限幅电路。若IN峰峰值不超过10A的交流电流，R为20mΩ的采样电阻，则(2)串联电阻检测调理电路的设计

利用串联电阻检测调理电路如图所示，与差动检测电路结构非常类似，是同一种电路的两种不同用法。运放后面接一阶低通滤波电路，同样采用3.3V单电源供电的轨对轨运放，可省去限幅电路

可根据检测电压u1和输出电压uout的范围选取R1、R2、R3和Rf的大小。R1、R2、R3三个电阻串联在一起，是为安全起见减小单个电阻的耐压值，不一定是三个电阻，根据需要可用多个电阻串联。对于要求测量输出和待测电压隔离的场合，可以将输出电压接入到线性光耦或线性隔离放大器进行隔离。7.2光隔驱动电路设计7.2.1基于智能模块的光隔电路7.2.2基于分立开关器件的驱动和光隔电路设计7.2.1基于智能模块的光隔电路

当系统选用智能模块如美国仙童SPM、英飞凌或者三菱IPM模块时，由于模块内部集成了驱动和保护等电路，所以不用设计驱动等电路，若需要电气隔离，只需要设计隔离电路即可。由于驱动信号一般频率较高，所以隔离电路通常采用高速光耦实现，如HCPL-4661-500E、ACPL-P480和6N137等，由6N137光耦组成的隔离电路如图所示。7.2.2基于分立开关器件的驱动和光隔电路设计

当系统选用分立开关器件时，由于微处理器输出的PWM信号无法直接驱动开关器件，此时需要增加驱动电路。另外，若需要电气隔离则还需要设计隔离电路，隔离电路设计与上节相同，所以本节仅介绍驱动电路的设计。能完成驱动功能的芯片很多，例如EG2104、TPS2812和IR2010。本节主要IR2010为例进行分析。7.3保护电路设计7.3.1软件保护电路设计7.3.2硬件保护电路设计7.3.1软件保护电路设计

本节基于TI-TMS320F28335控制为例进行分析。当检测到的电流或电压超过设定的保护值时，通过DSP控制器的I/O口输出保护信号切断故障电路，从而达到保护的目的。其控制电路如图所示

由TLP521光耦的技术手册可知，输入二极管导通时：输入电流IF推荐典型值为16mA，集电极电流IC推荐典型值为1mA；当输入二极管阳极接3.3V电源，输入电流IF选取为16mA时，输入电阻计算值为集电极接12V电源，电阻7.3.2硬件保护电路设计(1)交流过压保护电路（2）直流过电压保护电路(3)交流电压过压和欠压保护电路(4)交流电流过流保护电路(1)交流过压保护电路

当交流侧电压过高时，将会造成用电设备或器件等损坏，当它超过设定值时，触发保护流程，切断用电设备从而对其保护。

交流电压经电压检测环节输出交流信号UM，通过调理电路时加1.5V偏置电压输出为UOP，UOP中不仅含有交流成分，而且含有幅度为1.5V的直流成分。如果UOP大于2.9V或小于0.1V，均视为过电压，UO输出低脉冲信号，如图，该信号可输入到微处理器以及逻辑门使能输入端或保护投切电路实现过压保护功能。（2）直流过电压保护电路

在电能变换过程中，当直流侧电压过高时，也会造成开关管（如MOSFET、IGBT）等器件损坏。因此，在实际工作中必须实时监测直流侧电压，当它超过设定值时，触发泄放电路工作，通过释放能量从而降低电压或切断电路。可采用改进型的半迟滞比较电路实现直流侧电压的监测并产生触发信号的功能。当比较器输出UO为高电平时，二极管D导通，其管压降为VD，则流过电阻R3的电流I为可算得临界电压

(3)交流电压过压和欠压保护电路

图为交流过欠压保护电路，交流输入先通过变压器降压，再经整流桥变为直流，为了UM不受负载影响，通过电阻分压后，需接电压跟随器U3，最后接入两个半迟滞比较器，比较器U1用于过压比较，比较器U2用于欠压比较，其中二极管D2的方向与D1相反，目的是在UM下降且小于设定电压时，输出UacL立即由高电平转变为低电平。图中变压器变比n=20:1，整流二极管压降设为VD=0.7V，整流输出直流电压Udc与交流输入电压有效值Uac的关系为Rf1=39kΩ，Rf2=10kΩ，跟随器输出电压UM和整流输出电压Udc的关系为跟随器输出电压UM与交流输入电压有效值Uac的关系为

当Uac变化范围设为265V至100V，可算得跟随器输出电压UM变化范围为3.54V至1.16V。通过调节Rp1将参考电压Uref1设为3.54V，通过调节Rp2将参考电压Uref2设为1.16V，即可实现过欠压保护。当Uac大于265V时，保护电路的输出信号UacH、UacL均为高电平；当Uac处于265V至100V之间时，保护电路的输出信号UacH为低电平，UacL为高电平；当Uac小于100V时，保护电路的输出信号UacH、UacL均为低电平。通过一个同或门电路，可将过压和欠压两种状态合并为一个过欠压状态，当电压处在允许范围时，同或门输出低电平，否则输出高电平。(4)交流电流过流保护电路

为交流过流保护电路，图中的uI为交流电流检测电路的输出。当发生交流过流故障时，保护电路的输出信号Uo变成高电平，触发相应的保护动作。

图中运放U1与电阻R1、R2、R3和二极管D1、D2构成精密检波电路，运放U2与电阻R4、R5、R6、R7构成加法器。精密检波电路工作原理为：

当uI<0时，接运放U1反相输入端，运放U1输出u1O>0，D1截止，D2导通，D1的导通为U1提供深度负反馈，运放反相输入端为虚地点，从虚地点经R3输出uA=0。当uI>0时，u1O>0，D1导通，D2截止，此时电路为反相比例放大电路，令R3=R2时,

uA=-uI。图中以运放U2为中心的加法器输出为令R7=R4=2R6，并考虑到uA有两种情况，可得因此以U1与U2为中心构成绝对值检测电路，也可以写做7.4辅助电源电路设计

根据电能变换系统设计要求，一般需要±15V模拟电源、1.5V基准电源、3.3V数字电源、5V光电隔离电源和12V/24V继电器电源等。在实际应用中辅助电源的型式种类繁多，本节仅介绍两种运行稳定且易于实现的电源结构。7.4.1