林家泉 ，程绪宇 ，赵 卉 ，皮 骏

（1.中国民航大学 航空自动化学院，天津 300300；2.中国人民解放军93303部队，沈阳 110000）

直流-交流变换是电能变换的主要形式之一，通过对电力电子开关器件的控制，实现电能的电力变换[1-2]。随着电力电子技术、控制技术的发展，变频技术广泛应用于变频调速系统、不间断电源和各种电力电子装置中，具有高效节能的经济意义[3-4]。

变频技术中的各种控制算法，如脉宽调制技术、运动控制技术等研究都需要有经济实用的直流-交流变频装置作为硬件实验平台[5]。

本文设计了基于东芝公司MG25Q6ES42 IGBT模块的DC-AC变频装置，给出了硬件电路原理图，在此平台上进行了异步电机变频驱动实验，结果表明，所设计的硬件系统具有有效性和可行性，对变频器实验平台的设计具有一定的参考价值。

1 系统总体设计

本系统硬件主要包括IGBT驱动电路、PWM信号检测电路、电流检测电路、母线电压检测电路、故障报警电路、死区电路等。三相交流到直流部分由六个电力二极管构成整流电路实现，测速由码盘采样后直接送给DSP处理器，DSP采用的型号是TMS320LF2407，其 30M 条指令/s（30MIPS）的处理速度，使TMS320LF2407 DSP可提供远超过传统16位微处理器的性能。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体设计Fig.1 Experiment system configuration

2 硬件电路设计

2.1 驱动电路设计

IGBT广泛应用于小体积、低噪声、高性能的电源、通用变频器、伺服控制、不间断电源等装置中。本系统的IGBT选用的型号为东芝公司的MG25Q6ES42，其容量规格为1200 V/25 A。

驱动电路设计的要求是能向IGBT提供适当的正向栅极电压和反向栅极电压。正向栅极电压是IGBT的开通电压，一般为+15 V。在IGBT关断期间，应给处于截止状态的IGBT加一反向栅极电压，使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。反向栅极电压一般取-5V。

本设计中采用EXB841驱动芯片，该芯片可用于驱动小于1200V/300A的IGBT。EXB841内部有过流保护电路和过流保护输出端子，单电源+20 V供电，为IGBT提供+15 V/-5 V的开通/关断电平，如图2所示。

EXB841 管脚（2）：驱动模块工作电源+20V；管脚（3）：输出驱动信号；管脚（5）：过流保护输出，过流时经光耦输出过流信号 Pi；管脚（6）：集电极电压监测；管脚（14）：驱动信号输入（-）；管脚（15）：驱动信号输入（+）。

图2 IGBT驱动电路Fig.2 IGBT driving circuit

图3 PWM信号检测电路Fig.3 Detecting circuit for PWM signals

2.2 检测及故障报警电路设计

系统中驱动IGBT的6路信号是由DSP经运算后发出的，为防止IGBT的同一桥臂上下两管发生直通，需对控制同一桥臂的两路PWM信号检测，检测电路如图3所示。DSP发出的6路PWM信号经光耦TLP559隔离后，变为输出信号O1—O6。其中O1、O2对应A相桥臂控制，O3、O4对应B相桥臂控制，O5、O6对应C相桥臂控制。当对应同一桥臂的两路信号都为低电平0时，此时为故障信号，两路信号作为或非门SN74LS02的输入，SN74LS02的输出为高电平1，然后经或非门SN74LS260、SN74LS14发出报警信号Ppwm，DSP将封锁IGBT；当信号O1-O6为正常工作信号时，信号被送入死区生成电路，然后去驱动IGBT。

系统选用HNC025A霍尔电流传感器进行电流检测，HNC025A是利用霍尔效应和磁平衡原理的一种多量程电流传感器，能测量直流、交流及各种脉冲电流。工作原理是初级电流产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的次级电流通过次级线圈产生的磁通量相平衡。次级电流精确地反映初级电流。

式中：Ip为初级电流；Np为初级匝数；Is为次级电流；Ns为次级匝数。

HNC025A霍尔电流传感器的参数如表1所示。

表1 电流传感器参数Tab.1 Parameters of current sensor

数字信号处理器DSP的引脚输入电压范围不允许超过+3.3 V，通过图4，将电机电流的幅值变换成电压信号送入DSP处理器进行A/D转换，读出瞬时电流值，然后进行运算。本系统中，霍尔电流传感器初级和次级线圈的匝数选为1/1000，经检测变换，电机的实际电流与送入DSP的电压信号之间的理论对应关系为：电流+25 A转换成+3.3 V；电流0A转换成+1.65 V；电流-25A转换成0 V。

图4 电流检测电路Fig.4 Circuit for current sampling

直流母线过电压、欠压检测电路如图5所示，经过电阻分压输入到电压比较器LM339输入端，当直流母线电压高于电压上限，电压比较器LM339输出低电平，经过光电耦合器U1输出过压信号Puh。同理，当直流母线电压低于电压下限，光电耦合器U2输出欠压信号PuL。

图5 母线电压检测电路Fig.5 Detecting circuit for busbar vo ltage

故障报警电路如图6所示，检测到的PWM直通报警信号Ppwm、过流信号Pi、过压信号Puh、欠压信号PuL经与非门、触发器、光耦送给DSP。并发出封锁信号OE，封锁PWM驱动信号。

图6 故障报警电路Fig.6 Circuit for ma lfunction a larm

2.3 死区电路设计

为防止同一桥臂上下两管的直通，在硬件上设计了死区电路，对信号的电平跳变进行延时，死区电路如图7所示，死区电路是利用电容充放电来完成的。当输入端由低变高时，通过电容充电延时，输出在电容充电后才变为高，当输入端由高变低时，电容上储存的电能经由快速恢复二极管迅速放电。死区时间的大小由电阻和电容共同决定。这里二极管选用肖特基二极管1N5818。

信号O1-O6经反相缓冲器74LS240送入死区延时电路，经一片74LS240取反，信号变成U1-U6，信号U1-U6将作为IGBT驱动芯片EXB841的驱动信号输入。系统的控制芯片是TMS320LF2407，这款芯片是为满足运动控制应用而设计的。把一个高性能的DSP内核与微处理器的片内外设集成为一个芯片。其目前已成为传统的微控制单元和昂贵的多片设计的一种廉价替代产品。

图7 死区电路Fig.7 Dead time circuit

3 实验验证

为验证本系统的有效性，将三相异步电机作为控制对象，进行PWM驱动控制实验，电机型号为112YR，额定功率：1.1 kW，额定电压为380 V，定子额定电流为3.9A。异步电机拖动同轴连接的直流发电机组，直流发电机电枢回路串入电阻，励磁线圈接成他励形式，对直流发电机的励磁电流进行切换，当接通励磁电流时模拟加负载。异步电动机的给定转速800 r/min。图8是异步电机转速达到800 r/min稳定运行后，突加负载，电机转速的响应曲线。从实验结果看，系统能够稳定运行，响应速度较快。

图8 突加负载响应曲线Fig.8 Response curve when load increasing

4 结语

本文设计了基于MG25Q6ES42 IGBT模块的变频器硬件系统，包括IGBT驱动电路、检测电路、故障报警电路、死区电路。给出了硬件电路的原理图，对硬件的原理进行了分析。在此平台上进行了异步电机变频驱动实验，实验结果表明，所设计的硬件系统具有有效性和可行性，对变频器实验平台的设计具有一定的参考价值。

[1] 李爱英，程颖.基于三菱IPM模块的外围接口电路设计[J].自动化与仪表，2008，23（1）：57-60.

[2] 郑瀚，顾荣.基于STM32，IPM模块的三相步进电机SVPWM驱动器[J].兵工自动化，2012，31（10）：77-79.

[3] 葛利俊，梅玮，郝铁军.基于IPM的新型开关磁阻电机功率变换器电路[J].微电机，2011，44（11）：87-90.

[4] 汪立君，史伟民，杨亮亮.基于STM32微控制器的空间矢量脉宽调制[J].机电工程，2011，28（10）：1226-1230.

[5] 吴小丹，王宇，杨浩，等.变频恒频双馈风力发电系统控制研究[J].电气传动，2012，42（2）：17-21. ■