【《某高频电源控制系统的硬件电路设计案例》7300字】

某高频电源控制系统的硬件电路设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u10950某高频电源控制系统的硬件电路设计案例 1271441.1主控芯片的选择 111171.2采样电路 333911.3驱动电路 726611.4过电流保护电路 11115821.5火花检测电路 1242931.6软启动电路 13289691.7硬件抗干扰设计 141.1主控芯片的选择本设计过程中在主控芯片选择时，对比分析选择了TMS320LF2407，通过其对系统进行总体控制。这种芯片的功能强大，有灵活的指令集、处理速度快，对数字信号可以高效的处理，因而可很好的满足此领域的应用要求。分析可知其典型特点如下[47-48]：（1）4级流水线操作，在运行过程中可以方便的基于同步程序总线、数据总线进行处理，这样使得其对指令的处理速度显著提高。（2）硬件乘法器性能高，可以在一个周期内计算出32位积。（3）设置了模块EVA和EVB，其中的组成主要包括定时器；以及相应的PWM通道。它们能够实现：三相反相器控制；在实际运行过程中外部引脚被拉低条件下可以高效的关闭PWM通道；PWM死区控制，可以方便的进行控制调节，运行的灵活性高；3个捕获单元；16通道A／D转换器。对无刷直流电机、步进电机进行控制时，其中的事件管理器都可满足应用要求。（4）引入了CMOS技术，电压3.3V，性能的功耗降低，而处理速度则大幅度提高，可更好的满足实际应用要求。（5）电源管理过程中可选择不同的功耗模式，总体功耗大幅度降低。这种芯片能够完全满足电厂的使用要求，故本系统的主控电路采用TMS320LF2407型作为主控芯片，电源主控系统以DSP为主控单元，同时结合通信电路、IGBT驱动电路等，将这些组合起来而满足总体功能相关要求。下图1.2显示出控制系统的结构相关情况。图1.2控制系统硬件结构框图Fig.1.2Hardwarestructurediagramofthecontrolsystem图1.2所示，系统通过采样电路得到模拟量信号，接着对这些信号进行一定的预处理后，发送到A/D转换口，然后在一定采样基础上实现A/D转换目的，其后将转换后的结果进行数字PID运算，根据所得结果进行PWM输出。在运行控制过程中观察到火花放电条件下，则进行DSP外部中断。在特定条件下如果检测到电源故障，则将对应的故障信号发送到功率保护脚PDPINT，这样就可以将全部的PWM输出关闭，从而对系统起到保护目的。下表显示出本系统占用的DSP情况。表1.1系统资源分配表1.2采样电路（1）工频交流电流采样在系统运行过程中还需要采集交流电流信号，然后进行电压跟踪，在此过程中主要应用到电阻和霍尔元件对电流进行检测。不过前者检测时容易产生很明显的损耗，且可靠性不高，这样主要是应用在小功率条件下。而分流器则体积过大，灵活性差，这样也存在一定的应用局限性；而用霍尔元件检测，的成本高，且其为有源的，需要另外进行供电。而电流互感器可以综合二者的利弊，更好的满足电流检测要求，因而在设计过程中选择了霍尔元件。根据实际的应用经验可知，电流互感器带载能力不强，在运行过程中相应的负载超过一定的幅度情况下，很容易导致畸变问题。根据前文的分析可知本系统在运行过程中交流电流约为10A，幅值A，而DSP安全电压为0～3.3V，这样在运行过程中发送到DSP的信号包含两部分，其中的直流偏置1.5V，交流1.5V左右，这样干根据以上的参数进行进行计算，就可确定出采样电阻最大值，在实际运行过程中很多情况下输入电流非最大。因而在进行调试时设置采样电阻取100Ω。而这种类型互感器的电流变比为1000：1，在运行过程中带负载不超过20Ω，这样为获得更为合理的信号波形，需要对其进行一定的改进和补救处理。电流互感器在运行过程中需要确保检测精度达到较高水平，需要考虑到零激磁电流相关的参数。而对互感器而言，在运行过程中负载阻抗大部分情况下保持恒定。而应用的为环形磁芯，次级线圈保持均匀的分布，这样在处理过程中可不需要考虑到漏感。不过无法满足零激磁电流相关要求，因为磁导率不是无穷大的。次级接有检测电阻情况下，这种互感器的初级电流中只有很少部分用于磁化磁芯。因而为更好的满足检测精度要求，应该控制磁芯中磁感应处于较低水平。在次级开路情况下，将消失。这种条件下初级线圈的磁势全部用来磁化磁芯，因而和前一种条件下的相比峰值磁通会达到较高水平，磁芯基本上饱和，次级的电压会很高。这样很容易产生一定破坏问题，此外因很大，会产生很明显的发热问题，为此就需要进行适当的控制调节。在实际应用过程中一些情况下，为提高采样性能，需要电流互感器副边的电阻达到较高水平，而进一步分析可知这种器件的带载能力差，在接入大电阻情况下很容易导致波形畸变相关的问题，这对采样精度会产生很不利影响，因而很有必要进行适当的控制。为此在设计过程中可适当的引入一级线性放大器进行调节，这种放大器的结构相关情况如图1.3所示。具体分析下图可知，为方便处理而假设原副边电压为、，电流为、。运放输出电压，可以据此对微弱的信号进行检测，而满足相关的应用要求。图1.3带载能力放大的采样电路Fig.1.3Samplingcircuitforimprovingloadcapacity图1.4具体显示出电流采样相关情况。图1.4交流电流采样电路Fig.1.4ACcurrentsamplingcircuit采样电路电流为：（1.1）（2）工频交流电压采样为解决电压检测问题，设计阶段采用电压互感器，两侧电流比为1：100，2mA。系统运行过程中相应的交流电压为250V，而DSP的安全电压为0～3.3V，其输入到DSP的信号可划分为两部分，分别为交流电压和直流电压偏置。对本系统而言，对应的交流偏置约为1.5V，为1.5V左右，这样就可确定出对应的Ω，kΩ，电阻功率为W，在设计过程中考虑一定的冗余因素，而设置为2W。下图1.5显示出对应的电压采样结果情况。图1.5交流电压采样电路Fig.1.5ACvoltagesamplingcircuit分析上图可确定出采样电路的电压为：（1.2）（3）直流母线电压采样在运行过程中这种设备可以对交流电压进行精确的检测，不过对直流电压，无法获得相应的交变磁场，这样就无法实现测量目的。而对本系统，在应用过程中可以检测其直流输出母线电压，因而应该需要对这种信号进行精确的检测。霍尔效应是一种常见的电学现象，从微观原理分析可知，这主要和洛仑兹力存在相关性，在一定电子运动基础上会导致板上出现了电动势。根据物理学理论分析可知，带电粒子在磁场中运动时会受到洛仑兹力影响，这样也使得其轨迹出现偏转，进而引发霍尔电动势。在此效应基础上制备出的测量器件就是霍尔传感器，进行理论分析可知霍尔电压存在一定的正相关关系，这样就可根据这一关系对一些复杂难以直接测量的量进行转换厚测量。如控制电流保持不变情况下，可通过其检测出交直流磁场强度，在一定条件下控制输出的霍尔电压与电压存在比例关系，这样即可实现功率测定目的。磁场强度固定情况下，则可通过霍尔传感器检测出交直流电流和电压相关参数。此外也可以据此进行一定转化处理后，测量力、位移、压差、速度相关的变量。在工业检测领域，这种传感器被广泛的应用。在本系统中，为满足直流电压测量要求，而选择了CSIOMA-P型电压传感器，这种测量器件主要是基于霍尔效应、在一定磁平衡基础上实现测定目的。在运行过程中其输出和输入小电流的波形保持一致，并通过电阻进行转换而获得电压参数。通过这种传感器进行检测时，和被测对象完全隔离，同时从性质上看其属于电流输出型，可以很好的抵抗外界环境的干扰，且有良好的稳定性。对小电流的检测精确性高。图1.6显示出直流母线电压采样电路相关情况。图1.6直流电压采样电路Fig.1.6DCvoltagesamplingcircuit基于上图进行分析确定出直流电压为：（1.3）1.3驱动电路驱动电路可以为相关功能器件的运行提供支持，其将主电路和控制电路密切的结合起来，对系统的运行可提供支持，且和其运行安全性存在密切关系。驱动电路主要是放大输出的脉冲，然后满足器件的运行相关要求。可关断器件的类型和工作模式都确定基础上，接着进行对比分析而选择适宜的驱动电路，主要是如耦合电路和逻辑门电路，据此满足相应驱动控制要求。IGBT工作于高频开关状态，在运行过程中其关断情况下会产生很强的电流尖峰，会导致一定振荡。这就需要驱动电路的瞬时电流吞吐能力很强[47-48]。IGBT的驱动设计过程中，为有效的处理以上的问题，应该考虑到如下因素（1）IGBT栅极耐压大约为±20V，这样就需要在输出端适当的保护，一般情况下可通过并联稳压二极管或者电阻实现这种保护作用。不过这两种方法都存在一定的缺陷，如前者会影响到开关速度,后者则导致驱动电流,增加，相应的功耗会增加，因而应该根据实际应用情况进行适当的选择取舍。（2）尽管IGBT运行过程中驱动功率很小,不过进行开关控制时需要对电容充放电,这样在设计时应该控制驱动电路的输出电流适当的大一些。假定开通驱动过程中，在tr内对充电,这样可计算确定出驱动电流为,为更好的满足关断要求，避免擎住问题出现，需要增加负偏压。下对其相关性能和功能情况进行简述。IR2110是一种双通道高压栅极驱动器，其有多方面的性能优势，其中设置了自举浮动电源，在运行过程中可以同步的对两个开关器件进行驱动，且表现出很强的抗干扰性能。此外单独的设置逻辑电源和驱动电源，这样也使得其运行可靠性显著的提高。而工作频率达500Hz,可很好的满足保护功能相关要求。其中引入了图腾柱结构,其中的通道设置了低压延时封锁(50ns)，这样也使得其安全性显著的改善，更好的满足复杂条件下应用要求。下图显示出IR2110驱动器结构组成情况，具体分析可知其可划分为，逻辑输入，电平转换，输出等几部分。其阀值为电源电压UD0的10%，这样可以使其抗干扰性能显著提高，有利于满足运行可靠性相关要求。图1.7IR2110驱动器内部结构框图Fig.1.7InternalstructurediagramofIR2110driverIR2110的特征具体表现如下：在运行过程中可以同步的驱动两只开关器件，运行效率高；抗干扰能力强，有很高的驱动控制性能；逻辑电源和驱动电源进行有效的分割设计；工作频率高，可靠性强；钳位保护性能良好；图腾柱结构，驱动性能良好；可方便的进行延时封锁。由于其表现出如上的优势，因而可以很好的满足设计要求，提供了很多便利，使得驱动电源的结构更简单，为设计起到促进作用。IR2110也存在一定缺陷之处，表现为在运行过程中会产生负偏压，驱动桥式电路情况下，在进行开断控制过程中，会产生干扰，而导致桥臂短路。为避免这种问题，需要根据应用要求外接对应的器件，产生负偏压，此外还附加相应的门极关断箱位电路，从而在开断过程中对门极尖刺进行抑制，避免这方面的不良影响。图1.8为与此相关的原理图。图1.8负偏压得到改善的IR2110驱动原理图Fig.1.8IR2110drivingprinciplediagramofnegativebiasvoltage在以上方案下，驱动电路以IR2110为核心，在主控电路板的PWM输出信号作用下发生驱动信号，对IGBT的过电流进行保护。其具体IGBT开始工作，并且有助于维护IGBT工作安全性与可靠性IGBT可靠通断，其开关核心作用是以加入正向栅极电压形成对应沟道，借此驱动IGBT导通同时执行对应操作。加入反向电压即可消除沟道，利用反向电流驱动IGBT快速截止。（2）利用内阻偏小驱动源向电容充放电，让电压得到比较陡峭前后沿，可减小IGBT损耗。施加最大瞬态功率或电流，IGBT能够很快产生1个栅控电场最后正常导通。（3）较短输入、输出延迟，可大幅提升其工作效率。（4）如果进入截止态，必须尽快完成PNP管存储电荷抽取，故而加入1个负向控制电压Vge，而Vge受IGBT中G、E间最大反向电压限制。（5）因为电力电子装置内，通常IGBT普遍用于高压环境下，故而其驱动与控制电路电位需要有效隔离，促使信号、栅极驱动两个电路间处于绝缘态，防止工作期间受到不必要影响。（6）超过10μs短路或其对应保护，如果无法有效触发，极可能造成IGBT锁定失效，因此其过流保护必须十分灵敏，一旦发现异常需要立即触发，但又应当稳定、可靠，避免产生误动问题。详情参见下图1.9，结合图例进行说明，PWM驱动信号和主电路间光电耦合，由DSP板CPLDEPM7256AETC144-10N芯片引脚形成DRIVER_1~DRIVER_4信MC74HC244非门输出PWM1_OUT~PWM4_OUT6N137路PWM信号经6N137反向输出，然后经三极管集电极反向输出幅值15V左右高低电平PWMS1~PWMS4到驱动板，可让IGBT正常运行。2SD315A中SO引脚反馈故障信号6N137输出反向信号ERR1~ERR4到DSP板接收情况下，会利用低通滤波输出DRI_IN1~DRI_IN4，详情如图1.10所示。图1.9PWM光电耦合隔离电路Fig.1.9PWMphotoelectriccouplingisolationcircuit图1.10故障信号光耦隔离电路Fig.1.10Faultsignalopticalcouplingisolationcircuit1.4过电流保护电路具体分析可知这种类型器件运行在高频大电流状态下，这样出现损坏的可能性较高，电源作为系统的前级，在一定波动情况下会导致其承受明显的应力作用。因而需要确保IGBT的可靠性达到较高水平，为电源的高效运行提供支持。在选择过程中需要根据以上因素，而合理的保护设计，这也是电源设计过程中的重点[49-50]。设计该电路原理需要基于DSP芯片完成，主要是高频电源产生过电流故障期间，故障信号发送到DSP芯片处理，后者对接收到的信号和PWM逻辑运算后发送到IGBT芯片驱动电路而实现一定关断目的。在故障排除情况下则可进行复位，下图1.11显示出保护电路相关情况。在检测出反馈电流超过阈值时，会输出低电平实现保护，反之输出置高保持运行状态。图1.11过电流保护电路Fig.1.11Overcurrentdetectioncircuit图1.11中，目标电流来自主电路，具体分析可知其中的电容可实现一定高频滤波效果，在正向过流情况下，其中的导通，截止，这样就可检测获得正向过流信号；而在一些条件下出现反向过流条件下，其中的截止，导通，这样就可确定出与此相关的反向过流信号。在实际运行过程中可对变阻器和进行调节，而获得两种过流的设定值。正常运行条件下，过电流信号为“高电平”，可以据此实现一定保护功能。在此操作过程中将过流故障信号和PWM信号进行一定的逻辑运算处理后发送到驱动电路，可据此实现相应保护效果，相关情况如下图1.7。其中是低电平有效，因而在处理过程中主要是将四路故障信号和SN7420、SN74HC04进行逻辑运算，这样在出现一个故障信号条件下，被拉低，而进行功率保护中断，PWM输出被锁存，可据此起到相应的保护功能。在运行过程中为避免DSP异常，更好的满足运行安全性要求调，在设计过程中向其中加入了硬件保护功能，本文对比分析选择了HCPL4504硬件，其相应的电路情况如下图1.12。在出现故障情况下关断信号为高电平，则将其发送到IR2110的1l引脚，从而控制其中的IGBT模块关断，在故障恢复情况下可继续保持运行状态。图1.12DSP硬件保护电路Fig.1.12DSPhardwareprotectioncircuit1.5火花检测电路火花控制和这种系统的可靠运行存在密切关系，为更好的满足除尘效率相关要求，需要确保其运行在最佳火花率下，这样也可以更好的满足除尘效率相关要对应的二次电流会明显的提高，可根据这一现象进行火花放电的检测。相关检测电路情况如下图1.13。分析此图可知其输入端为二次电流Cur2，在放电情况下，相应的放电电流分压处理后，J下输入端的电压增加，使得RS触电器被触发，这种情况下其输出接到XINTl，使处理器中断。电位器VRH对放电相关阈值进行调节。图1.13火花检测电路Fig.1.13Sparkdetectioncircuit火花检测电路的输出通过中断方式输入CPU，并且中断级别最高(外部中断XINTl)。这样在运行过程中检测到火花情况下，对应的火花程序启动，记录当前的电压信息，在运行电压达到回压点。运行电压继续增加一直到上次时对应的运行电压。可以在此基础上确保其长时间持续的运行在临界放电电压。1.6软启动电路电源在控制过程中可选择不同的模式，主要包括：正常，启动、保护模式。在故障后起动条件下，为有效的避免负载侧电压增加过快引发的故障，在研究过程中根据应用要求设置了软启动功能[51-52]。其运行原理具体如下，输入侧对三相电压慢慢升压，这种模式下可有效的确保逆变电路的运行可靠性，避免因为外加电压而故障。下图显示出硬件软启动的原理和结构相关情况。在图1.14中，具体分析可知在运行时，相应的交流电进行一定的整流处理后输出符合要求的直流电，电容器Cl可对电压进行适当的调节，且进行分压处理后发送到比较器LM324正端。系统上电初始过程中，相应的LM324正极输入明显高于负极的，这样在控制过程中其中的比较器输出为正，输出电流通过串接电阻R3发送到电容和负载，而满足其运行相关要求。当电容电压不得的增加达到低于工作电压50V条件下，相应的电压采样信号超过了正极信号，则输出的为负电压，其后的控制过程中其中Q1关闭，短接电阻R3，这样就可使得滤波电容在关断时不会出现明显的冲击电流。图1.14电源硬件软启动电路Fig.1.14Powerhardwaresoftstartcircuit1.7硬件抗干扰设计本系统在运行过程中开关频率为10kHz，根据实际的应用经验发现在高频运行条件下，电磁干扰达到较高水平，这对检测的信号产生明显的影响，而使得误判断的可能性大幅