基于MG25Q6ES42模塊的變頻器硬件設計

林家泉 ，程緒宇 ，趙 卉 ，皮 駿

（1.中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300；2.中國人民解放軍93303部隊，沈陽 110000）

直流-交流變換是電能變換的主要形式之一，通過對電力電子開關器件的控制，實現電能的電力變換[1-2]。隨著電力電子技術、控制技術的發展，變頻技術廣泛應用于變頻調速系統、不間斷電源和各種電力電子裝置中，具有高效節能的經濟意義[3-4]。

變頻技術中的各種控制算法，如脈寬調制技術、運動控制技術等研究都需要有經濟實用的直流-交流變頻裝置作為硬件實驗平臺[5]。

本文設計了基于東芝公司MG25Q6ES42 IGBT模塊的DC-AC變頻裝置，給出了硬件電路原理圖，在此平臺上進行了異步電機變頻驅動實驗，結果表明，所設計的硬件系統具有有效性和可行性，對變頻器實驗平臺的設計具有一定的參考價值。

1 系統總體設計

本系統硬件主要包括IGBT驅動電路、PWM信號檢測電路、電流檢測電路、母線電壓檢測電路、故障報警電路、死區電路等。三相交流到直流部分由六個電力二極管構成整流電路實現，測速由碼盤采樣后直接送給DSP處理器，DSP采用的型號是TMS320LF2407，其 30M 條指令/s（30MIPS）的處理速度，使TMS320LF2407 DSP可提供遠超過傳統16位微處理器的性能。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計Fig.1 Experiment system configuration

2 硬件電路設計

2.1 驅動電路設計

IGBT廣泛應用于小體積、低噪聲、高性能的電源、通用變頻器、伺服控制、不間斷電源等裝置中。本系統的IGBT選用的型號為東芝公司的MG25Q6ES42，其容量規格為1200 V/25 A。

驅動電路設計的要求是能向IGBT提供適當的正向柵極電壓和反向柵極電壓。正向柵極電壓是IGBT的開通電壓，一般為+15 V。在IGBT關斷期間，應給處于截止狀態的IGBT加一反向柵極電壓，使IGBT在柵極出現開關噪聲時仍能可靠截止。反向柵極電壓一般取-5V。

本設計中采用EXB841驅動芯片，該芯片可用于驅動小于1200V/300A的IGBT。EXB841內部有過流保護電路和過流保護輸出端子，單電源+20 V供電，為IGBT提供+15 V/-5 V的開通/關斷電平，如圖2所示。

EXB841 管腳（2）：驅動模塊工作電源+20V；管腳（3）：輸出驅動信號；管腳（5）：過流保護輸出，過流時經光耦輸出過流信號 Pi；管腳（6）：集電極電壓監測；管腳（14）：驅動信號輸入（-）；管腳（15）：驅動信號輸入（+）。

圖2 IGBT驅動電路Fig.2 IGBT driving circuit

圖3 PWM信號檢測電路Fig.3 Detecting circuit for PWM signals

2.2 檢測及故障報警電路設計

系統中驅動IGBT的6路信號是由DSP經運算后發出的，為防止IGBT的同一橋臂上下兩管發生直通，需對控制同一橋臂的兩路PWM信號檢測，檢測電路如圖3所示。DSP發出的6路PWM信號經光耦TLP559隔離后，變為輸出信號O1—O6。其中O1、O2對應A相橋臂控制，O3、O4對應B相橋臂控制，O5、O6對應C相橋臂控制。當對應同一橋臂的兩路信號都為低電平0時，此時為故障信號，兩路信號作為或非門SN74LS02的輸入，SN74LS02的輸出為高電平1，然后經或非門SN74LS260、SN74LS14發出報警信號Ppwm，DSP將封鎖IGBT；當信號O1-O6為正常工作信號時，信號被送入死區生成電路，然后去驅動IGBT。

系統選用HNC025A霍爾電流傳感器進行電流檢測，HNC025A是利用霍爾效應和磁平衡原理的一種多量程電流傳感器，能測量直流、交流及各種脈沖電流。工作原理是初級電流產生的磁通量與霍爾電壓經放大產生的次級電流通過次級線圈產生的磁通量相平衡。次級電流精確地反映初級電流。

式中：Ip為初級電流；Np為初級匝數；Is為次級電流；Ns為次級匝數。

HNC025A霍爾電流傳感器的參數如表1所示。

表1 電流傳感器參數Tab.1 Parameters of current sensor

數字信號處理器DSP的引腳輸入電壓范圍不允許超過+3.3 V，通過圖4，將電機電流的幅值變換成電壓信號送入DSP處理器進行A/D轉換，讀出瞬時電流值，然后進行運算。本系統中，霍爾電流傳感器初級和次級線圈的匝數選為1/1000，經檢測變換，電機的實際電流與送入DSP的電壓信號之間的理論對應關系為：電流+25 A轉換成+3.3 V；電流0A轉換成+1.65 V；電流-25A轉換成0 V。

圖4 電流檢測電路Fig.4 Circuit for current sampling

直流母線過電壓、欠壓檢測電路如圖5所示，經過電阻分壓輸入到電壓比較器LM339輸入端，當直流母線電壓高于電壓上限，電壓比較器LM339輸出低電平，經過光電耦合器U1輸出過壓信號Puh。同理，當直流母線電壓低于電壓下限，光電耦合器U2輸出欠壓信號PuL。

圖5 母線電壓檢測電路Fig.5 Detecting circuit for busbar vo ltage

故障報警電路如圖6所示，檢測到的PWM直通報警信號Ppwm、過流信號Pi、過壓信號Puh、欠壓信號PuL經與非門、觸發器、光耦送給DSP。并發出封鎖信號OE，封鎖PWM驅動信號。

圖6 故障報警電路Fig.6 Circuit for ma lfunction a larm

2.3 死區電路設計

為防止同一橋臂上下兩管的直通，在硬件上設計了死區電路，對信號的電平跳變進行延時，死區電路如圖7所示，死區電路是利用電容充放電來完成的。當輸入端由低變高時，通過電容充電延時，輸出在電容充電后才變為高，當輸入端由高變低時，電容上儲存的電能經由快速恢復二極管迅速放電。死區時間的大小由電阻和電容共同決定。這里二極管選用肖特基二極管1N5818。

信號O1-O6經反相緩沖器74LS240送入死區延時電路，經一片74LS240取反，信號變成U1-U6，信號U1-U6將作為IGBT驅動芯片EXB841的驅動信號輸入。系統的控制芯片是TMS320LF2407，這款芯片是為滿足運動控制應用而設計的。把一個高性能的DSP內核與微處理器的片內外設集成為一個芯片。其目前已成為傳統的微控制單元和昂貴的多片設計的一種廉價替代產品。

圖7 死區電路Fig.7 Dead time circuit

3 實驗驗證

為驗證本系統的有效性，將三相異步電機作為控制對象，進行PWM驅動控制實驗，電機型號為112YR，額定功率：1.1 kW，額定電壓為380 V，定子額定電流為3.9A。異步電機拖動同軸連接的直流發電機組，直流發電機電樞回路串入電阻，勵磁線圈接成他勵形式，對直流發電機的勵磁電流進行切換，當接通勵磁電流時模擬加負載。異步電動機的給定轉速800 r/min。圖8是異步電機轉速達到800 r/min穩定運行后，突加負載，電機轉速的響應曲線。從實驗結果看，系統能夠穩定運行，響應速度較快。

圖8 突加負載響應曲線Fig.8 Response curve when load increasing

4 結語

本文設計了基于MG25Q6ES42 IGBT模塊的變頻器硬件系統，包括IGBT驅動電路、檢測電路、故障報警電路、死區電路。給出了硬件電路的原理圖，對硬件的原理進行了分析。在此平臺上進行了異步電機變頻驅動實驗，實驗結果表明，所設計的硬件系統具有有效性和可行性，對變頻器實驗平臺的設計具有一定的參考價值。

[1] 李愛英，程穎.基于三菱IPM模塊的外圍接口電路設計[J].自動化與儀表，2008，23（1）：57-60.

[2] 鄭瀚，顧榮.基于STM32，IPM模塊的三相步進電機SVPWM驅動器[J].兵工自動化，2012，31（10）：77-79.

[3] 葛利俊，梅瑋，郝鐵軍.基于IPM的新型開關磁阻電機功率變換器電路[J].微電機，2011，44（11）：87-90.

[4] 汪立君，史偉民，楊亮亮.基于STM32微控制器的空間矢量脈寬調制[J].機電工程，2011，28（10）：1226-1230.

[5] 吳小丹，王宇，楊浩，等.變頻恒頻雙饋風力發電系統控制研究[J].電氣傳動，2012，42（2）：17-21. ■