三相电压型PWM整流器的研究学士学位毕业资料.docx

此文档收集于网络，如有侵权请联系网站删除摘 要随着人们生活水平的改善，对电能质量的要求日益提高，传统的整流方式给电网带来大量的谐波和无功污染，已经不再适用于当今社会。而三相电压型PWM整流器具有网侧单位功率因数，谐波含量少，电流正弦化和电能双向传输等优点，能从根本上解决谐波和无功问题，已经成为电力电子技术研究中的热门课题。本文首先介绍了PWM整流器的背景与意义，国内外发展概况以及主电路拓扑结构。然后设计了三相电压型PWM整流器，主要包括硬件和软件设计。硬件部分主要有交流侧电感和直流侧电容的设计，主功率开关器件和DSP的选型，采样电路和调理电路的设计，驱动电路和保护电路的设计以及过零检测电路的设计等；软件部分则是编写了设计流程图，主要包括主程序、中断服务程序和中断服务子程序的流程图。关键词： PWM整流器 DSP 单位功率因数 IPMAbstractWith the improvement of peoples living standards，the power quality requirements are increasing. Conventional mode of rectification brings of harmonics and reactive power contamination to the power system, is no longer applicable to todays society. The three-phase voltage-type PWM rectifier, however, boasts of several advantages, such as, mesh side unity power factor, less harmonics, sinusoidal currents and two-way power transmission, etc. It is therefore able to fundamentally remove subsequent harmonics and reactive power, having become a hot topic in the research of power electronics.This paper firstly introduces the background and significance of PWM Rectifier, its domestic and overseas development, as well as the main circuit topology, then devising a three-phase voltage-type PWM rectifier, including hardware and software design. The former mainly includes the design of AC side inductance and DC capacitor, the selection of main power switching devices and DSP, and the devise of sampling circuit, conditioning circuit, drive circuit, protection circuit, as well as zero-crossing detection circuit, and so on. The latter includes the design flow chart for the main program, interrupt service routine and its subroutine.Key word： PWM rectifier DSP Unity-power factor IPM目 录摘 要IAbstractII1 绪论21.1 PWM整流器研究的背景与意义21.2 PWM整流器的国内外发展概况21.3 本文主要工作22 PWM整流器的分类及主要拓扑结构22.1 PWM整流器的分类22.2 PWM整流器主要拓扑结构22.2.1 电压型PWM整流器拓扑结构22.2.2 电流型PWM整流器拓扑结构23 三相电压型PWM整流器的总体设计方案23.1 技术指标23.2 方案介绍23.3 固定开关频率的SVPWM电流控制策略24 三相电压型PWM整流器的硬件设计24.1 主电路硬件设计24.1.1 交流侧电感设计24.1.2 直流侧电容设计24.1.3 开关器件的设计24.1.4 熔断器的选择24.2 基于DSP的控制电路硬件设计24.2.1 TMS320F28335的介绍24.2.2 采样电路设计24.2.3 调理电路设计24.2.4 过零检测设计24.2.5 驱动电路设计24.2.6 电源设计24.2.7 保护电路设计25 三相电压型PWM整流器的软件设计25.1 主程序介绍25.2 中断服务程序介绍25.2.1 T1中断子程序25.2.2 eCAP捕捉中断子程序25.2.3 模数转换中断子程序25.2.4 SVPWM信号中断子程序26 结论2致 谢2附 录2参考文献2此文档仅供学习和交流1 绪论1.1 PWM整流器研究的背景与意义1957年电力电子技术的诞生后，电力电子技术迅速并广泛应用在各行各业，它不仅用在一般的工业领域，也广泛的用在电力系统、交通运输、新能源系统、通信系统等领域，在照明、冰箱等家庭用电设备及其他领域也有着广泛应用。电力电子技术能根据不同的用电场合，完成交流变直流（AC-DC）、交流变交流（AC-AC）、直流变直流（DC-DC）和直流变交流（DC-AC）的电力变换。从而使电能更加广泛应用于各行各业，并且通过功能的增加和性能的提高来使利益最大化。由于电力电子技术的不断发展，使得功率开关器件的性能得到了很大的提高，从早期使用的半控型功率开关器件发展到如今的全控型功率开关器件。20世纪90年代，智能功率模块（IPM）的出现，使功率开关器件在智能化方向有了新的研究前景。由于功率开关器件技术的不断完善，从而推动了电力变换设备的迅猛发展，出现了以脉冲宽度调制（PWM）控制为理论基础的各种电力变换设备，如逆变电源、高频开关电源和特种变流器等。但是，目前这些变换设备都包含整流过程，将交流电压转换成直流电压。传统的整流方式一般采用二极管不可控整流器或者晶闸管相控整流器，这种方式容易造成网侧电流波形畸变，并且向电网中注入了大量谐波和无功功率，而引起网侧功率因数的降低，使电网受到了很大的污染。解决谐波和无功功率的问题主要有两种基本思路：第一种是采用无功补偿器和滤波器，对网侧已经产生的谐波和无功功率进行补偿；第二种是对整流设备进行改进，使网侧电流正弦化，且电流与电压相位相同，则不会产生谐波和消耗无功功率。由于PWM控制技术的广泛应用，使PWM整流器得以诞生。PWM整流器采用的是全控型功率开关器件，电路的结构简单，工作的频率高，而且只需要通过控制开关器件的通断就可以控制交流侧电流波形，从而可实现网侧电流正弦化，并且电压和电流的相位相同。由于直流侧输出电压可以控制，并且可逆PWM整流器能在四象限运行，既可以工作在整流状态，也可以工作在有源逆变状态，符合当今社会提倡的“绿色电能变换”的思想，所以对PWM整流器的研究有很大的意义。1.2 PWM整流器的国内外发展概况20世纪80年代，国内外学者开始对PWM整流器进行研究，源于自关断器件技术逐渐成熟并且广泛应用。从20世纪90年代开始，PWM整流技术成为了电力电子领域研究的热门课题。随着研究的不断深入，与PWM整流器相关的应用领域也得到了快速发展，如有源电力滤波（APF）1、超导储能(SMES)2、静止无功补偿（SVC）、功率因数校正（PFC）、高压直流输电（HVDC）3以及统一潮流控制器（UPFC）4等。当前对PWM整流器的研究主要在以下几点：（1）PWM整流器拓扑结构的研究1982年Busse Alfred、Holtz Joachim提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑结构5。后来一些学者根据不同的功率等级和不同的用途，改进并发展了电路拓扑结构，大致可分为电压型和电流型两大类。在小功率的应用场合，研究主要是减少功率开关器件数目和优化直流输出性能；而在大功率的应用场合，研究主要是多电平拓扑结构6、变流器组合7和软开关技术8。但是随着人们生活水平提高，对功率需求的不断增大，使得PWM整流器功率的增大，因此对PWM整流器的主电路拓扑结构研究还需要进一步的完善。（2）PWM整流器系统控制策略的研究电压型PWM整流器网侧电流控制策略可分为两大类：间接电流控制9和直接电流控制10。间接电流控制是直接控制网侧电压，从而间接控制网侧电流的，实际上就是“幅相”电流控制。间接电流控制优点就是结构不复杂、不需要对交流侧电流进行采样，但是它的最大缺点网侧电流的动态响应缓慢，稳定性不高，因此用在对动态响应速度要求不高、控制结构无需复杂的场合。直接电流控制具有提高电流的动、静态性能，增强了电流控制系统的鲁棒性等优点，所以直接电流控制技术有着广阔的应用前景。当前对直接电流控制技术的研究集中在算法上，经过国内外学者的不断研究，出现了很多不同的控制方案，如固定开关频率电流控制、空间矢量电流控制和直接功率控制等。另外，状态反馈控制、非线性状态反馈、神经网络控制等技术还不够成熟，需要学者们进一步深入研究。（3）三相电压型PWM整流器调制方法的研究三相电压型PWM整流器最常用的调制方法有两种：一种是SPWM调制方式，该方法是最基本的调制方式，易于理解，容易实现。另一种是空间矢量脉宽调制（SVPWM），这种方式对谐波抑制很好。20世纪80年代，国外学者提出了SVPWM方法，刚开始只用在交流电机变频传动控制，但是近年来也用在对三相电压型整流器的控制。与传统PWM和SPWM方法相比较，SVPWM动态响应速度快，稳态性能高，电压利用率高，但实现比较复杂，实时控制要求高，需要高频的微处理器。近年来，SVPWM的算法如何简单化成为了国内学者的研究目标。1.3 本文主要工作（1）介绍了PWM整流器的背景与意义、国内外发展概况，简述了PWM整流器的分类和主要拓扑结构。（2） 本论文以三相电压型PWM整流器为研究对象，制定了总体设计方案。（3）以智能功率模块（IPM）为硬件基础，对三相PWM整流器的主电路硬件部分进行设计。以数字信号处理器（DSP）为控制芯片，对三相PWM整流器的控制电路硬件部分进行了设计。（4）在三相PWM整流器系统硬件设计的基础上，设计完成了主要控制程序的流程图。2 PWM整流器的分类及主要拓扑结构2.1 PWM整流器的分类由于PWM整流器的不断发展，很多类型的PWM整流器已经研制并应用在各行各业。具体分类如图2-1所示。图2-1 PWM整流器的分类尽管对PWM整流器的分类方法有很多种，但是最主要的方法还是分为电压型和电流型这两种，因为这两种类型的PWM整流器不仅在主电路结构、PWM信号的发生，而且在控制策略方面都有自己独特的性质，其它的分类方法就从主电路拓扑结构来看，都可以分为电压型或电流型这两类。2.2 PWM整流器主要拓扑结构2.2.1 电压型PWM整流器拓扑结构电压型PWM整流器拓扑结构的最明显的特征就是它的直流侧用电容来进行储能，所以它的直流侧表现出低阻抗的电压源特性。（1）单相半桥、全桥电压型PWM整流器拓扑结构 （a）半桥 （b）全桥图2-2 单相VSR拓扑结构单相半桥电压型PWM整流器拓扑结构如图2-2（a）所示，为了滤除谐波电流，在它的交流侧串联了电感。它有两个桥臂，功率开关器件组成一个桥臂，两个电容串联组成另一个桥臂。单相全桥电压型PWM整流器拓扑结构如图2-2（b）所示，交流侧的电感同样是为了滤除谐波电流，它是桥路结构，每个桥路上都有功率开关器件。电压型PWM整流器主电路功率开关器件反并联了一个续流二极管，主要目的是使PWM整流器在整流过程中产生的无功可以有流通的回路。通过对单相半桥和全桥主电路比较，半桥电路使用的功率开关器件数目是全桥电路的二分之一，而且结构也简单，因此成本大大降低了，适合用在成本较低、小功率的应用场合。（2）三相半桥、全桥电压型PWM整流器拓扑结构图2-3 三相半桥VSR拓扑结构三相半桥电压型PWM整流器如图2-3所示。它的交流侧特点是三相对称，没有中性线，使用了6个功率开关器件，这也是目前最普遍的三相PWM整流器。三相电网平衡系统常采用的是三相半桥电压型PWM整流器，但当三相电网不平衡时，控制性能将大大降低，甚至会发生故障。图2-4 三相全桥VSR拓扑结构采用三相全桥电压型PWM整流器可以克服电网不平衡的问题，它的拓扑结构如图2-4所示。三相全桥电压型PWM整流器具有的特点是：3个单独控制的单相全桥电压型PWM整流器连接到共用的直流母线上，并且通过变压器连接到了电网。2.2.2 电流型PWM整流器拓扑结构电流型PWM整流器拓扑结构最明显的特征是它的直流侧使用电感来进行储能，所以它的直流侧表现出高阻抗的电流源特性。（1）单相电流型PWM整流器图2-5 单相CSR拓扑结构单相电流型PWM整流器拓扑结构如图2-5所示，为了滤除网侧谐波电流，在它的交流侧串联了电容，与网侧电感组成滤波器。为了阻止反向电流流动，在它的每路功率开关器件的上都串联了二极管。（2）三相电流型PWM整流器图2-6 三相CSR拓扑结构三相电流型PWM整流器拓扑结构如图2-6所示，它是一个半桥电路，为了滤除谐波电流，交流侧采用了三相对称的滤波电路，它没有中性线，直流侧采用电感来进行储能。由于电压型PWM整流器研究的较早，并且一直是研究的热门课题，相对于电流型PWM整流器来讲，研究的比较透彻，应用的范围也比较广泛。并且三相半桥电压型PWM整流器所使用的功率开关器件数目是全桥电压型PWM整流器的二分之一，成本上大大降低了，而且它的结构也相对简单。综上所述，本文设计选用三相半桥电压型PWM整流器为研究的对象。3 三相电压型PWM整流器的总体设计方案3.1 技术指标本文设计的三相电压型PWM整流器技术指标如下：（1）输出功率：15kW（2）输入电压：相电压的有效值为220V（3）输入电压频率：50Hz（4）主功率开关器件的开关频率：10kHz（5）直流侧母线电压：650V系统结构框图如图3-1所示：图3-1三相电压型PWM整流器结构框图3.2 方案介绍采用电压型或者电流型传感器对直流侧的输出电压和交流侧的三相电压电流分别进行采样，然后将采样的7路信号送入信号调理电路，经过电平转换及滤波，送入TMS320F28335的ADC引脚，TMS320F28335在内部对输入信号进行模数转换，将转换好的数字量信号经过TMS320F28335坐标变换和SVPWM算法处理后，得到ePWM模块中的比较器送出的6路SVPWM驱动信号。这6路驱动信号经过光耦隔离后，驱动主功率开关器件IPM。IPM内部具有多种保护电路，当出现故障时，IPM停止工作并输出故障信号给TMS320F28335，从而使三相电压型PWM整流器停止工作。待故障排除后，TMS320F28335发出故障排除信号，驱使IPM继续工作，从而使三相电压型PWM整流器继续正常工作。PWM整流器由硬件和软件两部分组成。硬件部分由基于IPM的主电路和基于TMS320F28335控制电路组成；软件部分则是对采样的模拟信号进行模数转换，然后TMS320F28335进行算法处理，从而获得IGBT所需要的驱动信号以及其它相关信号。3.3 固定开关频率的SVPWM电流控制策略因为固定开关频率的SVPWM电流控制策略算法不复杂，易于理解，而且实现起来也相对比较容易；并且固定了开关频率，使得对网侧电感的设计相应简化。因此本文设计采用固定开关频率的SVPWM 电流控制策略。参考文献11中利用数学模型(d,q)坐标系下描述了(d,q)坐标系中固定开关频率SVPWM 电流控制方案的推导过程，在对三相电压型PWM整流器的输入电流进行控制的时，由于有功电流和无功电流之间耦合的存在，使得对PWM整流器的调节性能有所下降，并且不能分别单独对有功分量和无功分量进行调节，为了能够高性能的控制三相电压型PWM整流器，可利用解耦控制策略6来对轴和轴电流进行解耦控制。由参考文献11得到的三相电压型 PWM 整流器的(d,q)模型： （3-1）将式（3-1）变换成下式： （3-2）令、，则上式又可变换为： （3-3）式中：、电网电动势矢量的、分量、交流侧电流矢量的、分量、交流侧电压矢量的、分量微分算子在式（3-3）中、轴电流并没有解耦，它们不仅受、的控制，而且还受、和、的影响，因此不能对双通道的电压分别进行控制。因此引入了、的前馈解耦控制，对、进行了前馈补偿，并且采用了PI调节器来当做电流环控制器，从而可获得(d,q)坐标系下对电流控制时的电压指令： （3-4）式中：、电流内环比例调节增益和积分增益、电流指令值经过补偿后，式（3-4）变为： （3-5）式（3-5）表示的电压指令已经完成了解耦控制，将获得的电压指令送入SVPWM模块，作为驱动IGBT的指令电压。为了能够实现单位功率因数，需要使电流矢量和电压矢量的相位相同，因此。解耦控制如图3-2中虚线框所示。图3-2 解耦的PWM整流器双闭环控制结构框图4 三相电压型PWM整流器的硬件设计4.1 主电路硬件设计三相电压型PWM整流器的主电路主要由熔断器、电感、IGBT模块、电容和负载等组成。4.1.1 交流侧电感设计三相电压型PWM整流器中，交流侧电感的取值不仅制约电压型PWM整流器的输出功率、功率因数和直流电压，而且还对电流环的动、静态响应影响也很大。其主要作用如下：（1）隔离电网电动势和交流侧电压。（2）滤除交流侧的谐波电流，实现交流侧电流任意波形控制。（3）可使网侧在纯容性或者纯感性状态运行。电感设计主要有两种方法，一是满足功率稳态指标时的电感设计，二是满足瞬态电流跟踪指标时电感设计。根据文献11中电感设计公式： （4-1） （4-2）因为本文设计工作在单位功率因数整流状态下，所以。因为本文设计采用SVPWM控制，所以取。因为本文设计网侧频率，所以。网侧相电压最大值为。由技术指标可得直流侧输出电压为。由式（4-10）可得网侧相电流最大值为。假定、。将上面参数代入式（4-1）和式（4-2）得： （4-3）根据式（4-3）取交集可确定三相电压型PWM整流器交流侧电感取值范围为： （4-4）结合工程实际效果，本文所设计的三相电压型PWM整流器交流侧电感取值为8mH。4.1.2 直流侧电容设计三相电压型PWM整流器直流侧的电容主要作用：（1）抑制了直流侧谐波电压，使直流侧输出电压得到了稳定。（2）缓冲了交流侧与直流侧负载之间的能量交换。直流侧电容在设计时，不仅要考虑给定直流电压控制环的响应时间，还要考虑系统的最大输出功率，则电容上能量变化为： （4-5）直流侧电压变化量为： （4-6）则直流电压的波动值应该小于最大允许值，那么电容值为： （4-7）本设计中、代入上式得： （4-8）一般来讲，为了确保电压型PWM整流器直流侧电压得到快速跟踪控制，直流侧电容应尽可能小些；而为了使负载受到干扰时引起的直流侧输出电压变化在一定的范围内，直流侧电容应尽可能大些。从滤波效果看，电容越大越好，而从价格、体积和重量看，电容又不能太大。所以在实际工程设计中，要根据实际需要，综合考虑各种因素，选择合适的电容值。本文所设计的三相电压型PWM整流器直流侧电容取值为5000。4.1.3 开关器件的设计在大功率控制系统中，IGBT已经成为主流。因为IGBT具备场效应晶体管（MOSFET）的输入阻抗高、开关频率高和开关损耗小等优点，并具有大功率晶体管（GTR）的饱和压降低、电流大和耐高压等优点。如今，由于智能化的发展，使IGBT单元构成的功率模块在智能化方面也得到提高，智能功率模块（IPM）应运而生。智能功率模块（IPM）由IGBT模块、驱动电路和保护电路集成在一起，它不但减少了系统的体积和复杂度，而且还提高了系统的可靠性和稳定性，有效地缩短系统的开发周期。本文设计功率开关器件选用IPM。三相电压型PWM整流器输出功率为15kW，三相交流输入电压的相电压的有效值为220V，假定本系统的工作效率为90，则三相交流侧相电流有效值为： （4-9）相电流的最大值为： （4-10）考虑到安全系数，这里取2倍。则选IPM的额定电流为75A。IGBT的最大反向电压为： （4-11）因此选IPM的额定电压为1200V。通过以上的分析，选取日本三菱公司的智能功率模块PM75CL1A120作为功率开关器件。PM75CL1A120的接线原理图如图4-1所示。图4-1 PM75CL1A120管脚图PM75CL1A120主要是由6个IGBT并联二极管和一些保护电路组成的。它的输入输出端口如图4-1所示，UP、VP、WP、UN、VN、WN接6组驱动信号，VUP1、VVP1、VWP1、VN1接+15V电源，VUPC、VVPC、VWPC、VNC接地，它的4路输入电源已经内置了滤波电容，可有效的防止干扰造成的输入电源不稳定问题。UP、VP、WP、WFo为故障输出端口，U、V、W接三相电源。4.1.4 熔断器的选择在对熔断器选择时，主要考虑熔断器的额定电压和额定电流。它的额定电压应比网侧相电压的有效值大些，因为电网的电压不是一直不变的，存在波动，所以在计算时，要留有适当的裕量，本设计留有，则 (4-12)熔断器的额定电流应当大于网侧相电流的有效值，并留有适当的裕量,本设计留有80%，则 （4-13）综上所述，本文熔断器选用人民电器的RT18-63熔断器，它的额定电压为500V，额定电流为63A。4.2 基于DSP的控制电路硬件设计本文设计的三相电压型PWM整流器的控制电路由交流侧电压及电流采样电路、直流侧电压采样电路、调理电路、过零检测电路、驱动电路、保护电路和TMS320F28335等组成。本设计采用美国德州仪器的TMS320F28335型DSP作为本系统的控制器。4.2.1 TMS320F28335的介绍TMS320F28335型DSP是美国德州仪器的TMS320C28X系列浮点控制器。由于它具有浮点运算功能，工程师可快速编写控制算法，而不需要在处理小数时花费太多的功夫和精力，它和以前的定点DSP比较，平均性能提高了50%，并与定点C28x系列控制器使用的软件相兼容，从而缩短了产品研发时间，降低了产品的研发成本。该器件还具有精度高、成本低、功耗小、性能高、数据以及程序存储量大和模数转换更精确迅速等特点。常应用于电机控制，电力设备控制及工业控制等领域。TMS320F28335主要性能指标如下：（1）高性能静态CMOS 技术主频可达150MHz，时钟周期6.67ns1.8V内核电压，3.3V I/O引脚电压（2）高性能32位CPU单精度浮点单元（FPU）16位x 16位和32位x 32位MAC运算采用哈佛 (Harvard) 总线架构统一存储器编程模型快速中断响应和处理采用C/C+或者汇编语言编程（3） 6通道DMA处理器（用于ADC、McBSP、ePWM、XINTF和SARAM）（4）16位或32位外部接口 (XINTF)（5）片内存储空间256K16位闪存，34K16位 SARAM1K x 16位一次性可编程(OTP) ROM（6）引导ROM (8K16位)支持软件引导模式（通过SCI、SPI、CAN、I2C、McBSP、XINTF 和并行I/O）标准数学函数库（7）128 位安全密钥保护闪存/ OTP/RAM模块防止固件逆向工程（8）时钟和系统控制支持PLL比率变化片载振荡器安全装置定时器模块（9）12位模数转换器（ADC）80ns转换率2x8通道输入复用器两个采样保持器单一/同步转换模式内部或者外部基准（10）88个带有滤波功能可单独编程的GPIO引脚（11）高级仿真特性具有实时分析和断点功能借助硬件的实时调试（12）3个32位CPU定时器（13）外设中断扩展(PIE)模块，支持58个外设中断（14）串行通信接口2个局域网通信控制器CAN3个SCI (UART)模块2个McBSP模块1个SPI模块1个内部集成电路(I2C)总线（15）低功耗模式和省电模式支持IDLE（空闲）、STANDBY（待机）、HALT（暂停）模式可禁用独立外设时钟（16）工作温度A：-4085 （PGF、ZHH、ZJZ）S：-40125 （PTP、ZJZ）Q：-40125 （PTP、ZJZ）本文主要使用TMS320F28335的ePWM模块、eCAP模块、ADC模块以及GPIO模块。4.2.2 采样电路设计霍尔传感器是一种需要电源的电子传感器，它具有抗外界干扰能力强、共模抑制比强、反应时间快、频带宽和过载能力强等优势。霍尔传感器广泛应用在电子测量中，如交流变频调速系统、不间断电源 (UPS)和电池电源等。（1）交流侧电压霍尔传感器的选取与设计交流侧相电压的最大值 (4-14)根据式（4-14），交流电压采样采用LEM的LV25-P型的电压霍尔传感器，LV25-P型的电压霍尔传感器的主要参数如表4-2所示。表4-2 LV25-P型的电压霍尔传感器的主要参数电压测量范围原边电流测量范围原边额定电流副边额定电流变比测量电阻（15V， 10mA环境下）工作电压VPNIPMIPNISNKNRMVC10500V014mA10mA25mA2500:10001003501215V交流电压采样接线如图4-2所示。图4-2 LV25-P接线原理图计算和：假定采样电压为最大值，上输出电压为2.5V。由式（4-8）可知电压最大为311.13V。则 （4-15） （4-16）因此选用=32K，=100，则 （4-17）（2）交流侧电流霍尔传感器的选取与设计根据式（4-10），交流电流采样采用LEM的LA58-P型的电流霍尔传感器，LA58-P型的电流霍尔传感器的主要参数如表4-3所示。表4-3 LA58-P型的电流霍尔传感器的主要参数原边额定电流原边电流测量范围副边额定电流变比测量电阻（15V， 50A环境下）工作电压IPNIPMISNKNRMVC50A070A50mA1:1000501601215V交流电流采样接线如图4-3所示。图4-3 LA58-P接线原理图计算：假定采样电流为最大值，上输出电压为2.5V。由式（4-4）可知采样电流最大为35.71A，则 （4-18）因此选用=70，则 （4-19）（3）直流侧电压霍尔传感器的选取与设计LV100型的电压霍尔传感器的主要参数如下：表4-3 LV100型的电压霍尔传感器的主要参数电压测量范围原边电流测量范围原边额定电流副边额定电流变比测量电阻（15V， 10mA环境下）工作电压VPNIPMIPNISNKNRMVC1002500V020mA10mA50mA10000:2000015015V直流电压采样接线如图4-4所示。图4-4 LV100接线原理图计算和：假定直流侧电压650V时，上输出电压为2.5V。则 （4-20） （4-21）因此选择，则 （4-22）4.2.3 调理电路设计由于TMS320F28335中的ADC引脚只能输入03V内的模拟信号，而交流侧电压和电流采样输出电压为-2.5+2.5V，所以需要将采样的电平进行一定的转换。交流侧电压和电流采样的输出电压调理如图4-5所示。由图可知该电路由四部分组成：第一部分为电压跟随器，可以提高电路的输入阻抗；第二部分将双极性信号经过转换变为单极性信号；第三部分为电压跟随器；第四部分通过两个二极管串联，限制输入ADC引脚的电压，以保证输出电压在03V，满足TMS320F28335的ADC输入信号范围，防止信号异常导致DSP芯片损坏。图4-5 交流电压和电流采样调理电路直流侧电压采样的输出电压调理如图4-6所示。霍尔传感器副边输出的电压信号经过RC滤波器滤除信号中的干扰，在经过电压跟随器，防止了输入电路和输出电路在进行电阻匹配时产生的干扰。DSP接口端的两个二极管串联是为了保证输入ADC引脚的电平限定在03V内，从而保证了DSP正常工作。图4-6 直流电压采样调理电路4.2.4 过零检测设计为了使交流电流的相位能精确的与电压相位同步，因此要对交流电压相位进行跟踪，最简单的跟踪的方法就是对交流电压进行过零检测。过零检测电路如图4-7所示。图4-7所示的过零检测电路由两部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的RC滤波电路，滤除交流电源中的谐波，缩小了系统与交流侧的相位差；第二部分由电压比较器构成，对零点进行比较。最后输出占空比为50%的50Hz方波信号，送到DSP的eCAP引脚。图4-7 电压过零检测电路4.2.5 驱动电路设计由于日本三菱公司的智能功率模块PM75CL1A120内置IGBT驱动电路，只需要将DSP输出的6路PWM信号经过三态收发器74HC245，在经过光耦合器隔离后，接IPM的驱动接口控制IGBT 工作。本设计选用HCPL-4504作为光耦合器，它是高速、高共模比的IPM接口专用光耦。它极短的寄生延时特点为高频功率开关器件的死区时间保证了安全，防止了上下桥臂同时导通，造成短路故障。其中一个功率开关器件的驱动接线如图4-8所示，为了保持控制电压平稳和修正线路阻抗的稳定，在Vcc与GND之间加0.1F的去耦电容，Vo与GND之间加50pF的去噪电容。图4-8 HCPL-4504接线原理图4.2.6 电源设计PWM整流器的供电电源是整个系统的心脏，给系统提供稳定、可靠、纯净、充足的电能工作非常重要。若系统不能可靠的工作，可能会使重要的元器件损坏，而且还影响系统的稳定性。本文设计选用JS159-15作为PM75CL1A120的供电电源。JS159-15是专门设计用于IPM的反激式开关电源，它提供8路输出电压，具体输入输出如图4-9所示。V1+输出是PM75CL1A120的下三桥公用的电源接口，V2+、V3+、V3+输出是上三桥分别使用的电源接口，+5V输出可以提供给DSP使用，+15V、-15V输出可以提供给霍尔电压电流传感器使用，为了削减或防止毛刺干扰，所以需要在每路输出电压端添加100去耦电容和100滤波电容。P表示的是JS159-15输入的直流电源正极，N表示的是输入的直流电源负极，输入的直流电压范围为170700V。图4-9 JS159-15管脚图除了IPM的供电电源外，另一个重要的供电电源就是TMS320F28335的供电电源。TMS320F28335上有2类电源引脚，一个是需要1.8V的CPU电源引脚，另一个就是需要3.3V的I/O电源引脚。目前比较常见的是+5V电源，所以必须使用电源转换器件来得到TMS320F28335所需要的电源，美国德州仪器提供了专门的电源转换器件，本设计选用TPS767D318线性稳压器，它具有双路输出，输入电压是+5V，输出电压是+3.3V和+1.8V，输出电流是1A。为了防止输出电源的波动，所以需要在输出电源与地之间接一个100的旁边电容。特别要注意的是，在给TMS320F28335上电时，要考虑到上电的顺序，如果先给I/O电源引脚上电，后给CPU电源引脚上电，因为此时的CPU并没有开始工作，I/O输出缓冲器中的晶体管可能已经打开了，从而在输出引脚上产生未知的状态，将影响到