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H桥的驱动电路和电压电流检测电路的设计
阅读: 150 |  回复: 2 楼层直达

2021/03/31 20:34:07
1
电气小青年
电源币:0 | 积分:5 主题帖:5 | 回复帖:1
LV1
士兵

此前做电机控制实验,其中H桥的驱动电路原理图如图1所示。

由于DSP的Epwm模块产生的输出电压只有3.3V,而开关管采用的是IRF540N,其开通电压需要达到十几伏特,无法直接驱动开关管。本文采用东芝的TLP250驱动芯片。其芯片的输入侧采用光耦隔离的设计,提高了驱动信号的安全性和抗干扰性。输出侧的两个三极管互补导通,即光耦输入导通时,输出上三极管导通,输出下三极管关断;输入侧关断时,输出上三极管关断,输出下三极管关断。TLP250具有输出电流小,能耗低等特点常用于IGBT或功率MOSFET的驱动电路中。

在TLP250应用的驱动电路中,常采用自举电路的方式实现上桥臂MOSFET的浮地驱动。采用自举方式既可以简化上桥臂的驱动电路,也可减少隔离电源的使用,这常应用在中小功率驱动设计方案中。

图中二极管D1和电解电容C6构成了该驱动电路的自举电路。其中GND-T是上下桥臂的交点,即下桥臂MOSFET的漏极,而GND为下桥臂MOSFET的源极。当U1的输入为低电平时,PWM U_T和GND_T均为低电平,此时+15V通过二极管对电解电容充电;当U1的输入为高电平,GND_T点电位被抬高到30V左右,PWM U_T和GND_T之间有电容,两端电压不突变,所以C6的上边那端就充当了电源的效果,这就起到了自举的作用。

驱动电路如图1

  

以下公式详细说明了自举电容提供的最小电荷应为:

             

其中: Qg为场效应管的栅极电荷;f为工作频率;

Iqbs(max)为驱动电路的静态电流;ICbs(leak)为自举电容的漏电流;

Qls为每个周期内,电平转换电路中的电荷要求: 500V/600V  IC 为5nc 1200V IC为20nc

自举电容必须有能力提供这些电荷,并保持其电压,否则栅源电压之间将会产生大量纹波,还可能会低于栅源之间的欠压值,使驱动无输出。因此,自举电容Cbs的电荷应为最小值的二倍,则得到最小电容容值为:

其中:VD为自举二极管正向压降值;VLs为负载压降值。

在功率MOSFET导通时,自举二极管必须能够阻止自举电容向电源Vcc回馈电荷,应选择快恢复二极管,且二极管的额定电流值ID=Qbs*f。

最后确定工作频率10Khz时,自举电容选的直插式电解电容47μF。

如图2电压检测原理图是由四个运算放大电路和一个高线性光耦HCNR201组成。HCNR201可用于隔离模拟信号具有0.01%低非线性、低成本和良好的稳定性应用在许多场合当中。

首先将电压信号输入到同相相加运算电路,将输出结果输入到反相积分电路,然后通过高线性光耦HCNR201,最后输出到V_VS_OUT。其中Vol是经过Va、Vb、Vc或者直流电压Udc输入的差分放大电路输出的,以Va、Vb为例可得输出方程为:

因R9=R10=470KΩ,R11=R15=10KΩ,所以Vol=(Vb-Va)/47

而Volt_Bump为直流偏置电压,其值为+5V的分压部分,大小为1.67V左右。

当直流侧输入电压0-47V时,电压采样输出为1.67V~2.67V;当交流侧输入电压-47V~47V时,电压采样输出为0.67V~2.67V。

图2 电压检测原理图

  

如图3为电流检测原理图,其中电流采样为高性能霍尔元件ACS712TELC-20A,可实时检测到电机定子电流,和直流电流。ACS712TELC-20A是目前Allegro芯片中典型元件,具有80KHZ带宽,总输出误差为1.5%、体积小、价格低等优势目广泛应用于变频器,伺服驱动,控制器等多个工控领域。

电流首先经过高性能霍尔元件ACS712TELC-20A,输出后经过OP27G光耦隔离组成的差分放大电路,最后经过低通滤波电路得到C VS_OUT输入到DSP中。

根据采样芯片ACS712TELC-20A采样电流和输出电压的关系为:

I_SAMPLE= -0.1×I+2.5               

对OP27G组成的差分放大电路进行“虚短和虚断”计算,可得

因为R1=12KΩ,R2=5.1KΩ,R4=47KΩ,R5=39KΩ代入上式得

当直流侧电流的0~5.45A,此时C_VS_OUT的范围为1.72V~3V;交流侧电流的正常范围为-5.45A~5.45A,此时C_VS_OUT的范围为0~3V。

图3为电流检测原理图

  

与其余器件构成低通滤波器,采样电阻精度可达千分之五。DSP的AD芯片是12位精度,故电流整体采样精度可达0.5244%,进而为后期运算保证了检测精度。

 

动态过程由系统的带宽所决定,硬件采样电压、电流前经过了低通滤波器(截止频率3000Hz),经过滤波后的电压电流动态响应迅速,但谐波量对于瞬时无功的计算仍有影响,经过对闭环伯德图的分析,设置算法的控制带宽最终为600Hz左右,保定了动态过程。

2021/04/07 14:08:46
2
自由前行
电源币:0 | 积分:3 主题帖:2 | 回复帖:12
LV2
班长
关注你了,感谢分享
2021/04/09 10:33:47
3
daichao
电源币:30 | 积分:3 主题帖:50 | 回复帖:45
LV4
连长
楼主写的很清楚,还有后续吗?
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