第7章硬件電路7.1檢測(cè)調(diào)理電路設(shè)計(jì)7.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)7.3保護(hù)電路設(shè)計(jì)7.4輔助電源電路設(shè)計(jì)

新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車、變頻調(diào)速、軌道交通和柔性輸電等系統(tǒng)其核心組成皆為電能變換與控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)硬件雖各有特點(diǎn)，但組成類似，主要包括控制器、變流器、濾波器、檢測(cè)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、保護(hù)電路和輔助電源等單元，典型連接方式如圖所示，實(shí)際應(yīng)用中各個(gè)單元之間的連接方式視具體情況而定。7.1檢測(cè)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)調(diào)理電路常見的結(jié)構(gòu)如圖所示，由檢測(cè)電路、偏置電路、濾波電路和限幅電路等部分組成，檢測(cè)調(diào)理電路用于待測(cè)電流和電壓的檢測(cè)并完成相關(guān)處理，以適應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入電壓的要求7.1.1檢測(cè)元件及電路

常用于電流檢測(cè)的元件有采樣電阻、電流互感器、磁場(chǎng)平衡式霍爾電流傳感器和單芯片霍爾效應(yīng)電流傳感器等。用于電壓檢測(cè)的元件有電阻網(wǎng)絡(luò)、電壓互感器、磁場(chǎng)平衡式霍爾電壓傳感器等。相應(yīng)的電壓、電流檢測(cè)的方法有：電阻串聯(lián)分壓法、電阻采樣隔離法、互感器檢測(cè)法和霍爾傳感器檢測(cè)法等。下面簡(jiǎn)要介紹檢測(cè)元件的原理與檢測(cè)方法。1電阻采樣及相關(guān)隔離檢測(cè)電路

電阻采樣法是一種原理最簡(jiǎn)單的方法，如圖所示。單一采樣電阻沒有隔離，一般僅用于示波器觀察波形等應(yīng)用。圖為一個(gè)帶有光電隔離的電阻采樣電流檢測(cè)電路，它可用于檢測(cè)直流電壓和電流，該電路的傳輸特性為UD為發(fā)光二極管的壓降，β=Io/I*L——光耦合器電流傳輸比。

采樣電阻R一般由康銅或錳銅絲組成，R1和R2由所選擇的線性光耦合器的參數(shù)決定。

利用串聯(lián)電阻檢測(cè)電壓電路如圖所示，與差動(dòng)檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)非常類似，是同一種電路的兩種不同用法。運(yùn)放后面接一階低通濾波電路，同樣采用3.3V單電源供電的軌對(duì)軌運(yùn)放，可省去限幅電路

可根據(jù)檢測(cè)電壓u1和輸出電壓uout的范圍選取R1、R2、R3和Rf的大小。R1、R2、R3三個(gè)電阻串聯(lián)在一起，是為安全起見減小單個(gè)電阻的耐壓值，不一定是三個(gè)電阻，根據(jù)需要可用多個(gè)電阻串聯(lián)。對(duì)于要求測(cè)量輸出和待測(cè)電壓隔離的場(chǎng)合，可以將輸出電壓接入到線性光耦或線性隔離放大器進(jìn)行隔離。2霍爾傳感器原理及相關(guān)檢測(cè)電路(1)霍爾傳感器原理(2)使用霍爾傳感器的檢測(cè)電路1）電流檢測(cè)電路2）電壓檢測(cè)電路(1)霍爾傳感器原理

UH經(jīng)放大器A放大，獲得一個(gè)補(bǔ)償電流IM。IM流過繞在聚磁環(huán)上的多匝副邊繞組，其產(chǎn)生的磁勢(shì)和待測(cè)電流產(chǎn)生的磁勢(shì)方向相反，因而產(chǎn)生補(bǔ)償作用，使磁場(chǎng)減小，UH隨之減小。因?yàn)榉糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)很大，

此時(shí)有

（2）使用霍爾傳感器的檢測(cè)電路--電流檢測(cè)電路

用LA-50P的電流檢測(cè)電路，其電氣連接如圖所示，LA-50P參數(shù)為：原、副邊匝數(shù)比為1:1000，原邊額定電流IN=50A，對(duì)應(yīng)副邊輸出電流IM=50mA。LA-50P可用于測(cè)量直流、交流和脈沖電流。由于調(diào)理電路的輸入電阻遠(yuǎn)大于測(cè)量電阻RM，所以將調(diào)理電路對(duì)霍爾電流傳感器的影響忽略，則副邊輸出電流IM經(jīng)測(cè)量電阻RM產(chǎn)生電壓UM，其關(guān)系式如下（2）使用霍爾傳感器的檢測(cè)電路--電壓檢測(cè)電路

以霍爾電壓傳感器CHV-25P為例介紹電壓檢測(cè)電路，其電氣連接如圖所示，CHV-25P參數(shù)為：原邊與副邊匝數(shù)比為2500:1000，原邊輸入額定電流IN=10mA，對(duì)應(yīng)副邊輸出電流Im=25mA，原邊內(nèi)阻為RS=250Ω

如果選取一個(gè)電阻來實(shí)現(xiàn)，其阻值為22kΩ，功率為3W，若為了減小電阻承受的電壓，選擇電阻串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，可選兩個(gè)阻值為11kΩ，功率為2W的電阻，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮過壓等因素后留有一定的余量3互感器原理及相關(guān)檢測(cè)電路(1)互感器分類及原理

（2）使用互感器的檢測(cè)電路1）電流檢測(cè)電路2）電壓檢測(cè)電路(1)互感器分類及原理

互感器又稱為儀用變壓器，是電流互感器和電壓互感器的統(tǒng)稱。能將高電壓變成低電壓、大電流變成小電流，用于測(cè)量或保護(hù)系統(tǒng)，其種類繁多。互感器分為電流互感器和電壓互感器兩大類；另外按用途可分為測(cè)量互感器和保護(hù)互感器，按介質(zhì)可分為干式互感器、澆注絕緣互感器、油浸式互感器和氣體絕緣互感器等等。其原理與變壓器類似，也是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作，對(duì)電壓、電流和阻抗進(jìn)行變換。就是將交流電壓和電流按比例降到可以用儀表直接測(cè)量的數(shù)值，便于儀表直接測(cè)量，同時(shí)為繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置提供電源。本節(jié)主要以小型測(cè)量用互感器為例進(jìn)行分析。（2）使用互感器的檢測(cè)電路--電流檢測(cè)電路

輸出電流IM經(jīng)測(cè)量電阻R轉(zhuǎn)化為電壓UM=IMR，這種電路簡(jiǎn)單，但要求測(cè)量電阻R≤50Ω，且輸出接后級(jí)電路后相移會(huì)變大，相移變化的大小與等效負(fù)載電阻有關(guān)。由運(yùn)放構(gòu)成的有源檢測(cè)電路，避免了相移隨負(fù)載的變化，輸出電壓仍然為UM=IMR（2）使用互感器的檢測(cè)電路--電壓檢測(cè)電路

電流型電壓互感器以HPT205AD為例，其輸入電流為2mA時(shí)，副邊輸出2mA。電流型電壓互感器本質(zhì)是一個(gè)電流互感器，首先通過串入功率限流電阻R1，將待測(cè)電壓UN轉(zhuǎn)化為待測(cè)電流IN=UM/(R1+內(nèi)阻)，然后將待測(cè)電流IN成比例地轉(zhuǎn)換為互感器副邊輸出電流IM。圖中兩個(gè)電路均可用于電壓測(cè)量，反饋電阻R要求溫度系數(shù)優(yōu)于50ppm/℃。7.1.2調(diào)理電路1.調(diào)理電路的作用2.調(diào)理電路的設(shè)計(jì)3.其它電流和電壓檢測(cè)調(diào)理電路1.調(diào)理電路的作用

調(diào)理電路的作用是把檢測(cè)電路輸出信號(hào)進(jìn)行變換，變成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)所能測(cè)量的信號(hào)。針對(duì)不同應(yīng)用中特定的輸入和輸出，調(diào)理電路也需要針對(duì)性的設(shè)計(jì)，因此種類眾多。調(diào)理電路它通常由偏置、濾波和限幅電路組成。限幅電路

限幅電路起限制信號(hào)幅度的作用，用以確保前級(jí)輸出不超過模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電壓。常見的限幅電路如圖所示，圖中Dz為穩(wěn)壓管，可選取MM1Z3B3，其穩(wěn)壓值為3.3V，功率為500mW，R為限流電阻可選取為200Ω。當(dāng)UI小于3.3V時(shí)UO=UI，電流IZ非常?。é藺級(jí)別）；當(dāng)UI超過3.3V時(shí)UO≈3.3V，Dz反向擊穿，電流IZ突然變大，電阻R上的壓降增大，只要發(fā)熱功率小于500mW穩(wěn)壓管正常工作。圖中D1和D2為二極管，可選取BTA54S，R為限流電阻可選取為200Ω，一般選取導(dǎo)通壓降小的二極管，從而在UI超出0~3.3V的范圍后二極管盡快導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)限幅。2調(diào)理電路的設(shè)計(jì)(1)基于霍爾傳感器的調(diào)理電路的設(shè)計(jì)(2)基于互感器的調(diào)理電路的設(shè)計(jì)1)交流電流測(cè)量2）交流電壓測(cè)量(1)基于霍爾傳感器的調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

針對(duì)工頻50Hz交流電壓、交流電流或雙向流動(dòng)直流電流，偏置電路和濾波電路可按圖設(shè)計(jì)，采用3.3V單電源供電的軌對(duì)軌運(yùn)放，可省去限幅電路。下面主要敘述偏置電路和濾波電路的參數(shù)選取過程。

當(dāng)變流器的開關(guān)頻率選為20kHz，濾波器截止頻率選取fc10kHz，C選取0.22μF電容，由式得R≈72.4Ω，實(shí)際選取68Ω標(biāo)稱電阻。濾波器在截止頻率處的幅值增益為0.707，當(dāng)輸入頻率遠(yuǎn)小于截止頻率時(shí)，濾波器幅值增益約等于1。

偏置電路的U1端接1.5V的基準(zhǔn)電壓，令

R3=R4=R5=R6，則同相比例加法器的增益為1，其輸出Uo=U1+UM=1.5+UM，(2)基于互感器的調(diào)理電路的設(shè)計(jì)--交流電流測(cè)量圖

中網(wǎng)絡(luò)Ⅰ中偏置電路的輸出與輸入的關(guān)系為將偏置電路的U1端接1.5V的電壓，即可實(shí)現(xiàn)(2)基于互感器的調(diào)理電路的設(shè)計(jì)--交流電壓測(cè)量

圖中測(cè)量電阻R選取250歐，UM有效值不超過500mV，UM峰峰值不超過

為充分利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的0~3V電壓量程，調(diào)理電路中UM的增益應(yīng)不大于選取增益為2，將偏置電路中UM增益設(shè)為2，濾波電路的增益設(shè)為1。U1端接1.5V固定的偏置電壓，其輸出Uo=U1+2UM=1.5+2UM。3其它電流和電壓檢測(cè)調(diào)理電路(1)差動(dòng)檢測(cè)調(diào)理電路(2)串聯(lián)電阻檢測(cè)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)（1）差動(dòng)檢測(cè)調(diào)理電路

通過對(duì)采樣電阻的電壓差測(cè)量，能夠測(cè)量電流，同時(shí)加1.5V偏置電壓，以適應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的0~3V電壓量程。運(yùn)放后面接一階低通濾波電路，同樣采用3.3V單電源供電的軌對(duì)軌運(yùn)放，可省去限幅電路。若IN峰峰值不超過10A的交流電流，R為20mΩ的采樣電阻，則(2)串聯(lián)電阻檢測(cè)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

利用串聯(lián)電阻檢測(cè)調(diào)理電路如圖所示，與差動(dòng)檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)非常類似，是同一種電路的兩種不同用法。運(yùn)放后面接一階低通濾波電路，同樣采用3.3V單電源供電的軌對(duì)軌運(yùn)放，可省去限幅電路

可根據(jù)檢測(cè)電壓u1和輸出電壓uout的范圍選取R1、R2、R3和Rf的大小。R1、R2、R3三個(gè)電阻串聯(lián)在一起，是為安全起見減小單個(gè)電阻的耐壓值，不一定是三個(gè)電阻，根據(jù)需要可用多個(gè)電阻串聯(lián)。對(duì)于要求測(cè)量輸出和待測(cè)電壓隔離的場(chǎng)合，可以將輸出電壓接入到線性光耦或線性隔離放大器進(jìn)行隔離。7.2光隔驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)7.2.1基于智能模塊的光隔電路7.2.2基于分立開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)和光隔電路設(shè)計(jì)7.2.1基于智能模塊的光隔電路

當(dāng)系統(tǒng)選用智能模塊如美國(guó)仙童SPM、英飛凌或者三菱IPM模塊時(shí)，由于模塊內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)和保護(hù)等電路，所以不用設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)等電路，若需要電氣隔離，只需要設(shè)計(jì)隔離電路即可。由于驅(qū)動(dòng)信號(hào)一般頻率較高，所以隔離電路通常采用高速光耦實(shí)現(xiàn)，如HCPL-4661-500E、ACPL-P480和6N137等，由6N137光耦組成的隔離電路如圖所示。7.2.2基于分立開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)和光隔電路設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)選用分立開關(guān)器件時(shí)，由于微處理器輸出的PWM信號(hào)無法直接驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件，此時(shí)需要增加驅(qū)動(dòng)電路。另外，若需要電氣隔離則還需要設(shè)計(jì)隔離電路，隔離電路設(shè)計(jì)與上節(jié)相同，所以本節(jié)僅介紹驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。能完成驅(qū)動(dòng)功能的芯片很多，例如EG2104、TPS2812和IR2010。本節(jié)主要IR2010為例進(jìn)行分析。7.3保護(hù)電路設(shè)計(jì)7.3.1軟件保護(hù)電路設(shè)計(jì)7.3.2硬件保護(hù)電路設(shè)計(jì)7.3.1軟件保護(hù)電路設(shè)計(jì)

本節(jié)基于TI-TMS320F28335控制為例進(jìn)行分析。當(dāng)檢測(cè)到的電流或電壓超過設(shè)定的保護(hù)值時(shí)，通過DSP控制器的I/O口輸出保護(hù)信號(hào)切斷故障電路，從而達(dá)到保護(hù)的目的。其控制電路如圖所示

由TLP521光耦的技術(shù)手冊(cè)可知，輸入二極管導(dǎo)通時(shí)：輸入電流IF推薦典型值為16mA，集電極電流IC推薦典型值為1mA；當(dāng)輸入二極管陽(yáng)極接3.3V電源，輸入電流IF選取為16mA時(shí)，輸入電阻計(jì)算值為集電極接12V電源，電阻7.3.2硬件保護(hù)電路設(shè)計(jì)(1)交流過壓保護(hù)電路（2）直流過電壓保護(hù)電路(3)交流電壓過壓和欠壓保護(hù)電路(4)交流電流過流保護(hù)電路(1)交流過壓保護(hù)電路

當(dāng)交流側(cè)電壓過高時(shí)，將會(huì)造成用電設(shè)備或器件等損壞，當(dāng)它超過設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)保護(hù)流程，切斷用電設(shè)備從而對(duì)其保護(hù)。

交流電壓經(jīng)電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)輸出交流信號(hào)UM，通過調(diào)理電路時(shí)加1.5V偏置電壓輸出為UOP，UOP中不僅含有交流成分，而且含有幅度為1.5V的直流成分。如果UOP大于2.9V或小于0.1V，均視為過電壓，UO輸出低脈沖信號(hào)，如圖，該信號(hào)可輸入到微處理器以及邏輯門使能輸入端或保護(hù)投切電路實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)功能。（2）直流過電壓保護(hù)電路

在電能變換過程中，當(dāng)直流側(cè)電壓過高時(shí)，也會(huì)造成開關(guān)管（如MOSFET、IGBT）等器件損壞。因此，在實(shí)際工作中必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流側(cè)電壓，當(dāng)它超過設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)泄放電路工作，通過釋放能量從而降低電壓或切斷電路?？刹捎酶倪M(jìn)型的半遲滯比較電路實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的監(jiān)測(cè)并產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)的功能。當(dāng)比較器輸出UO為高電平時(shí)，二極管D導(dǎo)通，其管壓降為VD，則流過電阻R3的電流I為可算得臨界電壓

(3)交流電壓過壓和欠壓保護(hù)電路

圖為交流過欠壓保護(hù)電路，交流輸入先通過變壓器降壓，再經(jīng)整流橋變?yōu)橹绷鳎瑸榱薝M不受負(fù)載影響，通過電阻分壓后，需接電壓跟隨器U3，最后接入兩個(gè)半遲滯比較器，比較器U1用于過壓比較，比較器U2用于欠壓比較，其中二極管D2的方向與D1相反，目的是在UM下降且小于設(shè)定電壓時(shí)，輸出UacL立即由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?。圖中變壓器變比n=20:1，整流二極管壓降設(shè)為VD=0.7V，整流輸出直流電壓Udc與交流輸入電壓有效值Uac的關(guān)系為Rf1=39kΩ，Rf2=10kΩ，跟隨器輸出電壓UM和整流輸出電壓Udc的關(guān)系為跟隨器輸出電壓UM與交流輸入電壓有效值Uac的關(guān)系為

當(dāng)Uac變化范圍設(shè)為265V至100V，可算得跟隨器輸出電壓UM變化范圍為3.54V至1.16V。通過調(diào)節(jié)Rp1將參考電壓Uref1設(shè)為3.54V，通過調(diào)節(jié)Rp2將參考電壓Uref2設(shè)為1.16V，即可實(shí)現(xiàn)過欠壓保護(hù)。當(dāng)Uac大于265V時(shí)，保護(hù)電路的輸出信號(hào)UacH、UacL均為高電平；當(dāng)Uac處于265V至100V之間時(shí)，保護(hù)電路的輸出信號(hào)UacH為低電平，UacL為高電平；當(dāng)Uac小于100V時(shí)，保護(hù)電路的輸出信號(hào)UacH、UacL均為低電平。通過一個(gè)同或門電路，可將過壓和欠壓兩種狀態(tài)合并為一個(gè)過欠壓狀態(tài)，當(dāng)電壓處在允許范圍時(shí)，同或門輸出低電平，否則輸出高電平。(4)交流電流過流保護(hù)電路

為交流過流保護(hù)電路，圖中的uI為交流電流檢測(cè)電路的輸出。當(dāng)發(fā)生交流過流故障時(shí)，保護(hù)電路的輸出信號(hào)Uo變成高電平，觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。

圖中運(yùn)放U1與電阻R1、R2、R3和二極管D1、D2構(gòu)成精密檢波電路，運(yùn)放U2與電阻R4、R5、R6、R7構(gòu)成加法器。精密檢波電路工作原理為：

當(dāng)uI<0時(shí)，接運(yùn)放U1反相輸入端，運(yùn)放U1輸出u1O>0，D1截止，D2導(dǎo)通，D1的導(dǎo)通為U1提供深度負(fù)反饋，運(yùn)放反相輸入端為虛地點(diǎn)，從虛地點(diǎn)經(jīng)R3輸出uA=0。當(dāng)uI>0時(shí)，u1O>0，D1導(dǎo)通，D2截止，此時(shí)電路為反相比例放大電路，令R3=R2時(shí),

uA=-uI。圖中以運(yùn)放U2為中心的加法器輸出為令R7=R4=2R6，并考慮到uA有兩種情況，可得因此以U1與U2為中心構(gòu)成絕對(duì)值檢測(cè)電路，也可以寫做7.4輔助電源電路設(shè)計(jì)

根據(jù)電能變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，一般需要±15V模擬電源、1.5V基準(zhǔn)電源、3.3V數(shù)字電源、5V光電隔離電源和12V/24V繼電器電源等。在實(shí)際應(yīng)用中輔助電源的型式種類繁多，本節(jié)僅介紹兩種運(yùn)行穩(wěn)定且易于實(shí)現(xiàn)的電源結(jié)構(gòu)。7.4.1