電源逆變器應(yīng)用中隔離架構(gòu)、電路和元件的選擇
電機(jī)和電源控制逆變器設(shè)計(jì)人員都會(huì)遇到相同的問題，即如何將控制和用戶接口電路與危險(xiǎn)的功率線路電壓隔離。隔離最主要的要求是方式功率線路電壓損壞控制電路，更重要的是，保護(hù)用戶受到危險(xiǎn)電壓傷害。系統(tǒng)必須符合相應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全要求，例如涵蓋電機(jī)驅(qū)動(dòng)和太陽能逆變器的IEC 61800和IEC62109。這些標(biāo)準(zhǔn)主要注重符合性測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)的符合性測(cè)試會(huì)如何賦予工程師自由度？標(biāo)準(zhǔn)會(huì)在安全性方面為工程師提供指導(dǎo)，但如何賦予工程師自由度，以便可以選擇符合目標(biāo)系統(tǒng)規(guī)格以及標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)架構(gòu)、電路和元件呢？這些是由電路滿足在效率、帶寬和精度方面提供系統(tǒng)所需性能，同時(shí)又滿足安全隔離要求來決定的。設(shè)計(jì)創(chuàng)新系統(tǒng)的難題是，為現(xiàn)有架構(gòu)、電路和元件制定的設(shè)計(jì)規(guī)則可能不再適用。因此，工程師需要花時(shí)間認(rèn)真評(píng)估新電路或元件符合EMC和安全性標(biāo)準(zhǔn)的能力。某些地區(qū)工程師的責(zé)任更大，一旦所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的安全功能失效并導(dǎo)致傷害，工程師可能需要承擔(dān)個(gè)人責(zé)任。本文探討了系統(tǒng)架構(gòu)選擇對(duì)電源和控制電路設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)性能的影響。本文還將說明最新可用隔離元件的性能提升如何幫助替代架構(gòu)在不影響安全性的前提下提升系統(tǒng)性能。
1、隔離架構(gòu)
我們關(guān)心的問題是您需要根據(jù)用戶提供的命令，安全地控制從交流電源到負(fù)載的能量流動(dòng)。此問題在圖1所示的高電平電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖中針對(duì)以下三個(gè)電源域進(jìn)行了闡述：給定、控制和功率。安全性要求是，用戶給定電路必須與功率電路上的危險(xiǎn)電壓進(jìn)行電位隔離。架構(gòu)決策取決于隔離柵放置在給定和控制電路之間還是控制和功率電路之間。在電路之間引入隔離柵會(huì)影響信號(hào)完整性并增加成本。模擬反饋信號(hào)的隔離尤其困難，因?yàn)閭鹘y(tǒng)變壓器方法會(huì)抑制直流信號(hào)分量并引入非線性。低速時(shí)的數(shù)字信號(hào)隔離相當(dāng)簡(jiǎn)單，但在高速或需要低延遲時(shí)則非常困難，并且耗電量巨大。帶3相逆變器的系統(tǒng)中的電源隔離尤為困難，因?yàn)橛卸鄠€(gè)電源域連接至電源電路。電源電路有四個(gè)不同域，這些域需彼此之間需要功能性隔離；所以高端柵極驅(qū)動(dòng)和繞組電流信號(hào)需要與控制電路功能性隔離，即使兩者可能與功率地共地。
電源逆變器
圖1. 電機(jī)控制系統(tǒng)中的隔離架構(gòu)
非隔離式控制架構(gòu)在控制和電源電路之間存在共同的接地連接。這樣電機(jī)控制ADC可獲取電源電路中的所有信號(hào)。電機(jī)繞組電流流入低側(cè)逆變器臂時(shí)，ADC在基于中心的PWM信號(hào)的中點(diǎn)處進(jìn)行采樣。低側(cè)IGBT柵極的驅(qū)動(dòng)器可以是簡(jiǎn)單的非隔離式，但PWM信號(hào)須經(jīng)由具有功能性隔離或電平移位轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)與三個(gè)高側(cè)IGBT柵極隔離。命令和控制電路之間的隔離造成的復(fù)雜性取決于最終應(yīng)用，但通常涉及使用獨(dú)立系統(tǒng)和通信處理器。簡(jiǎn)單處理器即可管理前面板接口并在慢速串行接口上發(fā)送速度命令的架構(gòu)在家用設(shè)備或低端工業(yè)應(yīng)用中可以接受。由于命令接口的高帶寬要求，非隔離式架構(gòu)在用于機(jī)器人和自動(dòng)化應(yīng)用的高性能驅(qū)動(dòng)器中較少見。
隔離式控制架構(gòu)在控制和命令電路之間存在共同的接地連接。這使得控制和命令接口之間可以實(shí)現(xiàn)非常緊密的耦合，并且可使用單個(gè)處理器。隔離問題轉(zhuǎn)到電源逆變器信號(hào)上來，從而帶來一系列不同挑戰(zhàn)。柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要相對(duì)高速的數(shù)字隔離來滿足逆變器的時(shí)序要求。由于存在非常高的電壓，磁性或光學(xué)耦合的驅(qū)動(dòng)器在隔離要求極高的逆變器應(yīng)用中表現(xiàn)良好。直流母線電壓隔離電路的要求則適中，這是因?yàn)槠湫枰膭?dòng)態(tài)范圍和帶寬較低。電機(jī)電流反饋是高性能驅(qū)動(dòng)器中最大的難題，因?yàn)槠湫枰邘捄途€性隔離。電流互感器(CT)是很好的選擇，因?yàn)樗鼈兲峁┑母綦x信號(hào)能夠輕松測(cè)量。CT在低電流時(shí)具有非線性，不會(huì)傳輸直流電平，但廣泛用于低端逆變器中。CT還用于帶非隔離式控制架構(gòu)的大功率逆變器，因?yàn)檫@些場(chǎng)合下采用分流電阻采樣會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗太大。開環(huán)和閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器可測(cè)量交流信號(hào)，因此更適合高端驅(qū)動(dòng)器，但受失調(diào)影響。阻性分流器可提供高帶寬、線性信號(hào)，而且偏移低，但需要與高帶寬、低偏移隔離放大器相匹配。通常，電機(jī)控制ADC可直接采樣隔離電流信號(hào)，但下一節(jié)描述的替代測(cè)量架構(gòu)可將隔離問題轉(zhuǎn)移到數(shù)字域，并且能夠大幅提升性能。
2、使用隔離式轉(zhuǎn)換器的逆變器反饋
改善隔離系統(tǒng)線性度的一種常見方法是將ADC移至隔離柵的另一側(cè)并隔離數(shù)字信號(hào)。在許多情況下，這需要將串聯(lián)ADC與數(shù)字信號(hào)隔離器結(jié)合使用。由于對(duì)電機(jī)電流反饋存在高頻的特殊要求，以及需要對(duì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)進(jìn)行快速響應(yīng)，因此可選擇Σ-Δ型ADC。Σ-Δ型ADC配有一個(gè)可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為一位碼流的線性調(diào)制器，其后配備可將信號(hào)重構(gòu)為高分辨率數(shù)字字的數(shù)字濾波器。此方法的好處是可使用兩種不同的數(shù)字濾波器：較慢的用于高保真反饋，另一個(gè)低保真快速濾波器用于保護(hù)逆變器。在圖2中，繞組分流器用于測(cè)量電機(jī)繞組電流，隔離式ADC用于在隔離柵上傳輸10 MHz數(shù)據(jù)流。Sinc濾波器可將高分辨率電流數(shù)據(jù)提交給電機(jī)控制算法，該算法會(huì)計(jì)算施加所需逆變器電壓需要的逆變器占空比。另一個(gè)低分辨率濾波器可檢測(cè)電流過載，并在出現(xiàn)故障時(shí)將跳變信號(hào)發(fā)送至PWM調(diào)制器。Sinc濾波器頻率響應(yīng)曲線解釋說明了合適的參數(shù)選擇如何能夠使濾波器抑制電流采樣中的PWM開關(guān)紋波。
電源逆變器
圖2. 隔離式電流反饋
圖3. Sinc濾波器頻率響應(yīng)
3、電源輸出隔離
兩種控制架構(gòu)的共同問題是需要支持多個(gè)隔離電源域。如果每個(gè)域需要多個(gè)偏置軌，就更加難以實(shí)現(xiàn)。圖4的電路可產(chǎn)生+15 V和–7.5 V電壓用于柵極驅(qū)動(dòng)，+5 V電壓用于為ADC供電，均在一個(gè)域中，同時(shí)每個(gè)域僅使用一個(gè)變壓器繞組和兩個(gè)引腳。使用一個(gè)變壓器磁芯和骨架為四個(gè)不同電源域創(chuàng)造雙電源或三電源。
電源逆變器
圖4. 柵極驅(qū)動(dòng)和電流反饋轉(zhuǎn)換器的隔離電源電路
電源逆變器設(shè)計(jì)方案
APFC技術(shù)總結(jié)
引言
鐵路客車輔助電源負(fù)責(zé)給車上各種負(fù)載用電設(shè)備供電。本文所述逆變器是將列車提供的600 V直流電逆變成三相交流380 V，帶動(dòng)客車空調(diào)機(jī)組工作，調(diào)節(jié)車廂溫度和通風(fēng)，可調(diào)頻調(diào)壓，以實(shí)現(xiàn)空調(diào)變頻化。同時(shí)也為餐車上的電茶爐等三相負(fù)載供電。
1、 逆變器方案設(shè)計(jì)
逆變器是通過電力電子開關(guān)的開通和關(guān)斷作用，把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的一種變換裝置，是整流變換的逆過程。電力電子開關(guān)器件的通斷，需要一定的驅(qū)動(dòng)脈沖，這些脈沖可以通過改變一個(gè)電壓信號(hào)來調(diào)節(jié)，產(chǎn)生和調(diào)節(jié)脈沖的電路就是主控制電路。一個(gè)逆變器的電路組成除了逆變開關(guān)電路和主控制電路之外。還有保護(hù)電路、輔助電源、輸入輸出電路等。
本設(shè)計(jì)中所用的直接逆變方案，是鐵路客車輔助電源主電路最簡(jiǎn)單最基本的形式。方案如圖1所示。
電源逆變器
主要的功能模塊劃分為主控制系統(tǒng)、前級(jí)檢測(cè)、輸入控制、直流濾波、三相逆變、交流濾波，配合輔助電源、采樣、保護(hù)電路等。
該電路優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率器件使用數(shù)量少：但缺點(diǎn)是逆變器輸出電壓容易受DC600 V干線電壓的波動(dòng)影響，實(shí)測(cè)電壓品質(zhì)因素差、諧波含量大，為了獲得相對(duì)恒定的交流電壓輸出，必須采用運(yùn)算速度很快的DSP作主控制單元。
DSP是一種適合數(shù)字信號(hào)處理的高性能微處理器，如何選擇DSP?可以從以下幾方面來考慮。
(1)速度
DSP速度一般用MIPS或FLOPS表示，即百萬次／s。一些設(shè)計(jì)會(huì)片面追求高處理速度，但速度越高，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)也越困難。
(2)精度
DSP芯片分為定點(diǎn)、浮點(diǎn)處理器，對(duì)于運(yùn)算精度要求很高的處理，可選擇浮點(diǎn)處理器。定點(diǎn)處理器也可完成浮點(diǎn)運(yùn)算，但精度和速度會(huì)有影響。
(3)尋址空間
不同系列DSP程序、數(shù)據(jù)、I／0空間大小不一，DSP在一個(gè)指令周期內(nèi)能完成多個(gè)操作，所以DSP指令效率很高，程序空間一般不會(huì)有問題，關(guān)鍵是數(shù)據(jù)空間是否滿足。
TMS320LF2407芯片在控制方面應(yīng)用非常廣泛，作為一款專門面向數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的通用可編程微處理器，TMS320LF2407不僅具有低功耗和代碼保密的特點(diǎn)，而且它集成了極強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力，又集成了數(shù)字控制系統(tǒng)所必需的輸入、輸出、A／D轉(zhuǎn)換、事件捕捉等外設(shè)，其時(shí)鐘頻率為40 MHz，指令周期小于50 nS，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，在一個(gè)指令周期內(nèi)可以執(zhí)行幾條指令。本方案中擬用TMS320LF2407作為DSP處理芯片。
下面簡(jiǎn)單介紹一下各部分電路情況。
前級(jí)檢測(cè)可以有效監(jiān)測(cè)輸入電壓的波動(dòng)．準(zhǔn)確實(shí)施過欠壓保護(hù)。
輸入控制是利用接觸器對(duì)負(fù)載發(fā)生故障時(shí)實(shí)施隔離，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)散。
直流濾波的主要功能是濾平輸入電路的電壓紋波，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，使直流電壓平穩(wěn)。由于鐵路客車輔助電源逆變器的功率較大，因此濾波電容的容量也較大，一般使用電解電容。但由于電解電容的電壓等級(jí)限制(一般最高工作電壓在450 V)，需要將其串聯(lián)后再并聯(lián)使用。而電容自身參數(shù)的離散導(dǎo)致電容電壓無法一致，解決的辦法是采用電容兩端并聯(lián)均壓電阻。
按照鐵路客車輔助電源逆變器的設(shè)計(jì)要求。輸出為正弦波，交流濾波電路主要就是將逆變器輸出的PWM波變成準(zhǔn)正弦波，以此保證較低的諧波含量。
三相逆變是逆變器的核心電路，在直接逆變的方案圖中，該部分由VT1 ～VT6六個(gè)功率開關(guān)器件組成，各由一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個(gè)逆變器由恒值直流電壓U供電。
輸入電源、電動(dòng)機(jī)的突然停止和線路感抗等會(huì)引起逆變器過壓；接觸網(wǎng)電壓的波動(dòng)，有可能造成輸出欠壓；某些情況下，逆變器的輸出會(huì)超過其自身的輸出能力即過載；而功率器件工作時(shí)，產(chǎn)生各種損耗，其中主要包括導(dǎo)通過程損耗、通態(tài)損耗和關(guān)斷時(shí)的損耗，這些損耗以熱量的形式向外傳送，當(dāng)開關(guān)頻率增高后，會(huì)造成過熱。
對(duì)應(yīng)以上逆變器工作中產(chǎn)生的種種情況，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮各項(xiàng)保護(hù)功能：過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過載保護(hù)、過熱保護(hù)等。
2 控制方法
在逆變器電路的設(shè)計(jì)中，控制方法是核心技術(shù)。早期的控制方法使得輸出為矩形波．諧波含量較高，濾波困難，而SPWM技術(shù)較好地克服了這些缺點(diǎn)。SPWM正弦脈寬調(diào)制技術(shù)是通過一系列寬窄不等的脈沖進(jìn)行調(diào)制，來等效正弦波形(幅值、相位和頻率)。SPWM容易實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的控制。控制線性度好，廣泛用于直流交流逆變器。
SPWM控制方式中有幾個(gè)重要的參量：載波頻率fc，調(diào)制波頻率fr及載波比N，N=fc/fr。
在實(shí)際應(yīng)用中，逆變器的啟動(dòng)過程是一個(gè)變頻變壓的軟啟動(dòng)過程，而且為了實(shí)現(xiàn)空調(diào)的變頻化。也就是說調(diào)制頻率fr是變化的。于是，在實(shí)行SPWM時(shí)，我們根據(jù)載波和調(diào)制波是否同步以及載波比N的變化情況，有異步調(diào)制和同步調(diào)制之分。
(1)同步調(diào)制
這種調(diào)制方式是使載波比Ⅳ等于常數(shù)．即在變頻時(shí)讓載波和調(diào)制波保持同步。其優(yōu)點(diǎn)是波形對(duì)稱；但缺點(diǎn)是，在逆變器輸出頻率(調(diào)制波頻率)很低時(shí)，載波頻率也很低，產(chǎn)生輸出波形中諧波不易濾除，而且會(huì)帶來較大的噪音；當(dāng)逆變器輸出頻率很高時(shí)，載波頻率會(huì)過高，使得功率開關(guān)器件難以承受。
(2)異步調(diào)制
為了消除同步調(diào)制的缺點(diǎn)，可以采用異步調(diào)制方式。顧名思義，異步調(diào)制時(shí)，在變頻器的整個(gè)變頻范圍內(nèi)，載波比n不等于常數(shù)。一般在改變調(diào)制波頻率fr時(shí)保持三角載波頻率ft不變，因而提高了低頻時(shí)的載波比。這樣輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，從而減少負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與噪聲，改善了系統(tǒng)的低頻工作性能。
有利必有弊，異步調(diào)制方式在改善低頻工作性能的同時(shí)，又失去了同步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)載波比Ⅳ隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，輸出電壓波形及其相位都發(fā)生變化，難以保持三相輸出的對(duì)稱性，可能引起電動(dòng)機(jī)工作的不平穩(wěn)。
通過分析，我們需要的是把兩種方式的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，得到另一種調(diào)制方式：分段同步調(diào)制。即把逆變器的整個(gè)輸出頻率范圍(如50～60 Hz)劃分成若干個(gè)頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)都保持載波比N恒定．而不同頻段的載波比不同。在輸出頻率高的頻段采用較低的載波比，輸出頻率低的頻段采用較高的載波比。
3 驅(qū)動(dòng)電路
驅(qū)動(dòng)電路是將主控電路中產(chǎn)生的六個(gè)PWM信號(hào)，經(jīng)光電隔離放大后，為逆變器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)電路部分的開關(guān)功率器件選擇IGBT。
IGBT(絕緣雙極型晶體管)是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn) GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大：MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又有通態(tài)電壓低耐壓高的優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展很快，倍受歡迎，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、中頻和開關(guān)電源以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域．IGBT有取代MOSFET和GTR，IGBT非常適合應(yīng)用于直流電壓為600 V及以上的變流系統(tǒng)。
因?yàn)闃蚴侥孀兤髦械腎GBT工作電位差大．不允許控制電路直接與其耦合，為了保證驅(qū)動(dòng)電路和主電路之間的信號(hào)傳輸，一般采用光電耦合器的隔離驅(qū)動(dòng)器。由于IGBT是高速器件，故必須選取小延時(shí)的高速型光耦。常用的是芯片HCPL-316J．本設(shè)計(jì)中選擇DSP為主控單元，其與HCPL-316J結(jié)合可驅(qū)動(dòng)IGBT，控制其導(dǎo)通、關(guān)斷并實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。它的輸出功能可以簡(jiǎn)略的用下面的邏輯功能表來描述，詳見表1所列。
電源逆變器
表格中最后一列為輸出。當(dāng)輸出為High時(shí)IGBT導(dǎo)通，否則IGBT關(guān)斷。IGBT導(dǎo)通需要同時(shí)具備最后一行的五個(gè)條件，缺一不可，即同相輸入為高；反相輸入為低；欠壓保護(hù)功能無效；未檢測(cè)到IGBT故障，無故障反饋信號(hào)或故障反饋信號(hào)已被清除。
根據(jù)上述輸出控制功能，設(shè)計(jì)電路如圖2。
電源逆變器
該電路具有以下功能：
(1)能夠產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)IGBT所需的+15 V、-10 V電壓。保證了其可靠導(dǎo)通與關(guān)斷；
(2)該電路所用核心器件HCPL-316J具有過電流保護(hù)自鎖功能，能夠有效防止IGBT在瞬時(shí)工作中過流而使保護(hù)誤動(dòng)作，能夠有效的保護(hù)IGBT。
4 結(jié)束語
綜上．本設(shè)計(jì)中的逆變器綜合鐵路客車輔助電源的各項(xiàng)要求．采用IGBT作為功率器件，應(yīng)用三相橋式逆變電路，利用DSP產(chǎn)生的脈沖調(diào)制信號(hào)進(jìn)行控制。
文中主要針對(duì)DC600 V鐵路客車輔助電源逆變器的設(shè)計(jì)提出一些自己的想法，簡(jiǎn)述直接逆變方案的各部分電路，并具體闡述其主控方式及驅(qū)動(dòng)部分的電路，希望借此給大家提供一點(diǎn)借鑒參考，在同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)拓寬思路，找出更多更優(yōu)質(zhì)的方案。
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