基于DSP的IPM高频环逆变电源设计∗

张文彬（92815部队宁波315000）

基于DSP的IPM高频环逆变电源设计∗

张文彬
（92815部队宁波315000）

介绍了采用以IPM为开关器件的高频逆变电源驱动和保护电路设计，并介绍了基于DSP控制的硬件保护电路和电流、电压采样处理电路。最后给出了以该电路完成的逆变电源系统的实验波形和结论，实验结果表明，采用IPM作为开关模块与DSP芯片实现全数字控制，高频逆变电源输出电压质量好、可靠性高，极大地缩短了逆变电源设计周期，减小了装置体积。

逆变电源；IPM；驱动保护；DSP；PM 75DSA120

Class Num ber TN912

1 引言

随着电力电子技术的迅速发展，清洁高效的太阳能发电技术越来越受欢迎的同时，各行各业对电能质量的要求也逐渐提高，许多供电场合对高频逆变电源的高功率、高效率、高可靠性、小型轻量化的要求也越来越高。智能功率模块（Intelligent Power Module，IPM）是一种先进的功率开关器件，兼有GTR（大功率晶体管）高电流、低饱和电压和高耐压的优点，以及MOSTET（场效应晶体管）高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。IPM由高速、低功率的IGBT芯片和优选的门极驱动和保护电路构成，内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性，是制作高频逆变电源［1］的理想器件。本文采用IPM作为开关模块与DSP芯片实现全数字控制，采用高频链结构设计了一款正弦波输出逆变电源，该逆变电源采用数字PI控制，具有过压、欠压等监控保护电路。

2 逆变电源系统电路结构

结合逆变电源要求（蓄电池直流80V~200V输入，输出50V，50Hz，单向功率流，正弦交流），采用图1中高频逆变电源系统电路，变电源的主电路拓扑设计采用具有中间直流环节的高频链逆变电源系统结构它可以分为三个功能模块：前级DC-DC逆变电路、后级DC-AC逆变电路和基于DSP的控制电路。前级DC-DC逆变电路包括高频逆变器、高频变压器隔离和整流滤波电路，功能是把输入DC80-200V的蓄电池电压进行高频逆变经高频变压器电能传递和电器隔离后整流滤波转换成直流电供给后级逆变电路，前级DC-DC逆变电路是减小逆变电源体积的重要环节；后级DC-AC逆变电路在DSP的控制下把直流电转换成SPWM波形供给LC滤波电路，实现DC/AC的功率变换，输出正弦波。

3 逆变电源电路硬件设计

3.1 主电路设计

高频环逆变电源主电路拓扑结构如图2所示。整流为单相全桥不控整流，前级和后级逆变桥分别由四个IGBT开关元件组成。本文IGBT选用三菱公司生产的PM75DSA120模块。

3.2 控制电路设计

3.2.1 IPM驱动保护电路设计

PM75DSA120模块的内部结构如图3所示。PM75DSA120为D型（内部封装两个IGBT）器件，额定工作电压为1200V，额定工作电流为75A，开关频率为5kHz～20kHz，控制电压为15±1.5V。两只IGBT串联组成且各自反并联一只续流二极管。在图1中，每个开关器件的控制电路均有5根外接线，P为上桥臂，N为下桥臂。其中V1端接控制电源的Vcc；NC端接控制电源的零伏线GND，控制电源的典型值为15 V，允许波动范围13.5-16.5V；SR端为模块自身输出的基准电源，为5 V，可用于脉冲输入电路；C1端为脉冲输入端，接控制电路的IN端，IN端与GND之间为脉冲输入；FO端为故障输出端，接控制电路的FO端［2］。

IPM内置有IGBT的驱动电路，在使用时只需进行驱动隔离，将光耦TLP559的输出连接到IPM的驱动信号输入端即可。为了避免噪声干扰，提高系统可靠性，每一路驱动电源之间应相互隔离。

IPM自身拥有保护电路，可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护等故障保护，IPM模块中任意一种保护电路动作发生，IGBT栅极驱动单元就会关断门级电流并输出一个故障信号，四种保护的故障信号均通过控制电路的FO端输出。当没有发生上述的的任何故障时。FO端为高电平，接近电源电压Vcc，外电路故障输出电压为低电平。当发生上述任何一项故障时，FO端为低电平，外电路故障输出电压Fout为高电平。其中一个开关管的驱动保护电路如图4所示

IPM有故障时，FO输出低电平，FO信号通过高速光耦TLP521-1输出经或非门CD4002，送到DSP控制的系统中，利用事件管理器中功率驱动保护中断输入引脚（PDPINTA/PDPINTB）进行处理，利用中断或软件关断IPM的PWM控制信号，从而达到保护目的，如图5所示。事件管理器EVA产生的1-4路PWM控制前级IPM工作，事件管理器EVB产生的7-10路PWM控制后级IPM工作，当任一开关管有故障时输出低电平，高速光耦输出的高电平经或非门输出低电平，将该引脚连至PD⁃PINTA（PDPINTB），由于PDPINTA（PDPINTB）为低电平时DSP中断，所有的事件管理器输出引脚均被硬件设置为高阻态，从而达到保护目的［3~4］。

3.2.2 信号检测与电路调理设计

为了保证整个逆变电源的正常工作，需要对电源系统的过流、过欠压等故障进行监控，本文分别需用到直流电压、交流电压和电流采样，由于TMS320F2407芯片中A/D采样允许的电压范围是0V~3.3V，为便于检测并且使得输出隔离，采样电压需经调理电路，文中应用了霍尔传感器和运算放大电路器。下面就这些故障信号的处理进行介绍［5］。

由于输入蓄电池为80V~200V的直流电压，直流过欠压保护电路用于监测蓄电池的电压［6］，同时调节前级逆变器的输出电压，保证高频变压器工作在额定电压下；交流过欠压保护电路用于监测输出电压，同时调节输出电压稳定在50V。

检测电路为图6。其中PT41D001为交流电压采样，WBV141G01为直流电压采样，TCK100BR为交流电流采样（检测电流导线穿孔）。

采样调理电路如图7所示，对电压（电流）传感器的输出电压进行隔离采样［7~8］，将采样到的电压信号经运算放大器变换［9］，调整可变电阻器最终使得电压值调整到0V~3V。

过流和过压保护电路如图8所示，电路连接调理电路的反相比例放大器输出端O1。当过流或过压时，反相放大的电压信号，输入到运放中进行比较，大于阈值电压时，输出为高电平信号。此高电平信号控制主电路开关管，使得其停止工作。其中稳压二极管D1、R10、C1提供阈值电压，D2起到了锁存信号的作用。

4 逆变电源系统软件设计

高频逆变电源的软件系统采用TMS320F2407芯片实现系统的控制，进行正弦波逆变电源系统的闭环控制，输出标准正弦波［10］［11］；同时承担系统的监控和保护任务，实现过压、欠压和过流等保护功能［12］。软件系统闭环控制主程序如图9（a）所示，PWM中断子程序如图9（b）所示。

根据以上设计完成电路，对该逆变电源进行了实验与测试。实验样机参数：蓄电池输入电压DC80-200V，开关频率为10kHz，负载电阻RL= 100Ω，输出交流电压50V，50Hz。

实验结果图10所示，电源在带阻性负载的时候，输出的正弦波形畸变率小，谐波含量低，质量很高，其幅值与频率稳定，保护功能完善，整机的电源效率达85%以上，达到了预期设计的要求。

6 结语

详细介绍了DSP控制的全数字高频逆变电源的设计过程，给出系统的硬件电路和软件设计流程图，由于采用了高频链结构，减小了装置的体积，提高了电源效率；文中应用的IPM驱动和保护电路供电稳定，运行良好，可以很好地满足IPM的工作要求，达到预期效果；由于IPM功率模块里面内置驱动电路和故障保护电路，极大地简化了逆变电源电路设计，减小了装置体积，提高了电源可靠性；IPM的使用实现了控制电路与功率主电路的电气隔离，提高电源整机的可靠性。

［1］张敏.高频链车载逆变电源的研究与设计［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

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Design of IPM H igh-frequency Link Inverter Based on DSP

ZHANG W enbin
（No.92815 Troopsof PLA，Ningbo 315000）

The paper introduces themethods of driving circuit and protection circuiton high-frequency link inverterwhen use IPM as switching device．And designs the samping and protect circuit based on DSP in sine—inverter．At last，gives the wave and conclusion of this inverter．Exper imental research indicates that IPM which acts as switch device and Digital Control by DSP，the high-frequency link inverter has a stable output voltage with high reliability，high reliability，and the design cycle of inverter has been reduce greatly，the volume becomemore littler.

inverter，IPM，drivingand protection，DSP，PM75DSA120

TN912

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.034

2016年11月8日，

2016年12月29日

张文彬，男，硕士，助理工程师，研究方向：电机与电器。