【正文】 上述弱點(diǎn)都可以用功率 MOSFET 加以克服，因為 MOSFET 是多子器件，無電荷儲存效應(yīng)，因此開關(guān)速度快，工作頻率高。MOSFET 是一種電壓控制的器件，輸入阻抗高，平均驅(qū)動功率小，因而驅(qū)動電路也相對簡單。其次，MOSFET 具有負(fù)電流系數(shù)，器件不易產(chǎn)生過熱點(diǎn)，也不易發(fā)生二次擊穿，故安第 3 章 松耦合變壓器的原理及其設(shè)計19全工作區(qū)較大。但是 MOSFET 也存在著自身不空忽視的弱點(diǎn)::由于只有多子漂流，因此下在基區(qū)中并無電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，導(dǎo)通電阻不會變低，因此在相同的耐壓條件下，MOSFET 的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GTR，因而導(dǎo)通壓降也會高的多，增加了導(dǎo)通損耗。:MOST 阻斷電壓和導(dǎo)通壓降之間存在制約關(guān)系，增加基區(qū)厚度固然可以提高耐壓值，但同時也提高了導(dǎo)通壓降，為了折中，不得不增加芯片面積，這使得芯片面積利用率和電流密度都下降。IGBT 集 GTR 和 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)于一體，它具有輸入阻抗高，開關(guān)損耗低、墓于 DSP 的非接觸式電源技術(shù)的研究飽和壓降低、通斷速度快、熱穩(wěn)定性能好和驅(qū)動電路簡單的長處，又具有耐高壓和承受電流大的優(yōu)點(diǎn)。處 1982 年 IGBT試制成功以來，IGBT 已經(jīng)發(fā)展到了損耗更低、更快，容量更大的第三代。綜上述，IGBT 已經(jīng)在目前的功率變換器中得到了廣泛的運(yùn)用，所以本文選用了IGBT 作為功率開關(guān)器件。 驅(qū)動電路設(shè)計圖 IPM 驅(qū)動電路（1）控制信號輸入如圖 所示，由 DSP 產(chǎn)生的六路 PWM 信號需要經(jīng)光耦隔離芯片 HCPL4504后再輸入 IPM?？刂菩盘栞斎攵隧氝B接上拉電阻，以防止由于 dU/dt 的作用而產(chǎn)生誤動作。（2）IPM 的自保護(hù)功能IPM 有精良的內(nèi)置保護(hù)電路以避免因系統(tǒng)失控或過載而使功率器件損壞。內(nèi)置保護(hù)功能的框圖如圖 35 所示。如果 IPM 模塊其中有一種保護(hù)電路動作，IGBT柵極驅(qū)動單元就會關(guān)斷電流并輸出一個故障信號(Fo) 。河北理工大學(xué)信息學(xué)院20驅(qū)動電源欠壓鎖定 UVFo 過壓保護(hù) OC＆短路保護(hù) SC過熱保護(hù) OT圖 IPM 內(nèi)置保護(hù)電路示意圖當(dāng) UV，OC，SC，OT 四路電路中任何一路或幾路出現(xiàn)異常 IPM 將輸出相應(yīng)的低電平信號，則 FO 為低電平。（3）泵升電路當(dāng)負(fù)載進(jìn)入制動狀態(tài)時，反饋電流將向中間直流回路電容充電，導(dǎo)致直流電壓上升，產(chǎn)生所謂的泵升電壓。如果不對此電壓進(jìn)行限制，它將造成 IGBT 的永久損壞。產(chǎn)生泵升電壓是電動機(jī)制動過程不可避免的現(xiàn)象，為此要給制動過程提供一條能量釋放路徑。智能模塊 IPM 內(nèi)含有制動單元，IPM 利用制動控制口 BR和制動輸出口 B 組成泵升保護(hù)電路，使濾波電容存儲的能量消耗在制動電阻 R5上，確?？刂葡到y(tǒng)可靠安全地工作。 控制電路設(shè)計 DSP 控制器DSP 選用 TI 公司的電機(jī)控制專用芯片 TMS320LF2407A，該芯片是基于TMS320CZXX 型 16 位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器的新型 DSP 控制器。除具備高速處理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)外，功率驅(qū)動單元的硬件開關(guān)模式較之軟件開關(guān)模式，有更低開關(guān)損耗、更短周期、電機(jī)電流諧波更好等優(yōu)點(diǎn)。而 F2407A 擁有專用于電機(jī)控制的事件管理器模塊 EVA 和 EVB，只需設(shè)置事件管理器中的周期寄存器和比較寄存器，便可實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動單元的硬件開關(guān)模式。 DSP 的特點(diǎn)及資源TMS320LF2407A 采用高性能 CMOS 技術(shù)，使得供電電壓降較低到 ；基于改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，40MIPS 的執(zhí)行速度使得單指令周期僅為 25ns。它具有高速信號處理和數(shù)字控制功能；同時還集成了單片電機(jī)控制應(yīng)用方案所需的外設(shè)功能，能有效的減少系統(tǒng)組件數(shù)量。F2407A 片內(nèi)的時間管理器為電機(jī)提供高速、高效和全變速的先進(jìn)控制技術(shù)。另外還有 47 個 1/0 引腳。功能框圖如圖 37 所示。 系統(tǒng)設(shè)計中所用的 DSP 硬件資源第 3 章 松耦合變壓器的原理及其設(shè)計21（1）事件管理器(EVA/B)模塊每個 24x 器件都包括兩個事件管理器 EVA 和 EVB，每個事件管理器模塊包括通用定時器、比較單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路。F2407A 上有 4個通用定時器，每個通用定時器可通過定時器控制寄存器配置，有上溢、下溢、周期和比較四種中斷資源。同時 GP 定時器為其它子模塊提供時基，T1 和 T3適用于所有比較單元和 PWM 電路，T2 和 T4 適用于捕獲單元和正交脈沖計數(shù)操作。全比較單元利用可編程的死區(qū)控制電路編程產(chǎn)生 6 路 PWM 波形生成的輸出。帶死區(qū)控制的 PWM 輸出對長度為 0~2048 個 CPU 時鐘周期，脈沖寬度的變換量最小為一個 CPU 時鐘周期?？身憫?yīng)功率驅(qū)動保護(hù)中斷。F2407A 的 4 個比較器可以產(chǎn)生四個附加的獨(dú)立比較或高精度 PWM 波形。捕獲單元提供對不同事件或跳變的捕獲功能，可編程實(shí)現(xiàn)捕獲上升沿跳變和下降沿跳變。當(dāng)捕獲輸入引腳檢測到跳變時，T2 或 T3 被捕獲并存儲在兩級 FIF0 堆棧中。兩個捕獲輸入端 CAPI/2 可用于正交編碼器脈沖的 QEP 電路接口。（2）ADC 模塊F2407A 包括兩個帶采樣/保持的各 8 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，具有自動排序能力，一次可執(zhí)行最多 16 個通道的自動轉(zhuǎn)換，可工作在 8 個自動轉(zhuǎn)換的雙排序器工作方式或一組 16 個自動轉(zhuǎn)換通道的單排序器工作方式。A/D 轉(zhuǎn)換模塊的啟動可以有事件管理器模塊中的事件源啟動、外部信號啟動、軟件立即啟動等三種方式。另外，F(xiàn)2407A 有兩個二級 FIF0 結(jié)果寄存器用于存放轉(zhuǎn)換結(jié)果。（3）串行通信口F2407A 設(shè)有一個異步串行外設(shè)通信口（SCI ）和一個同步串行外設(shè)通訊口（SPI） ，用于與上位機(jī)、外設(shè)及多處理器之間的通信。SCI 即通用異步收發(fā)器（UART）支持 RS232 和 RS485 的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)全雙工通信模式，用來與上位機(jī)的通信；SPI 可用于同步數(shù)據(jù)通信，典型應(yīng)用包括F2407A 之間構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)和外部 I/O 擴(kuò)展，如顯示驅(qū)動。 DSP 接口電路（1）JTAG 接口電路程序的在線調(diào)試和仿真通過 JTAG(Joint Test Action Group)標(biāo)準(zhǔn)測試接口連接相應(yīng)的控制器，從而不但能控制和觀察系統(tǒng)中處理器的運(yùn)行，測試每一塊芯片，還可以用這個接口來下載程序。在 TMS320 系列中，和 JTAG 測試口同時工作的還有一個分析模塊。它支持?jǐn)帱c(diǎn)的設(shè)置和程序內(nèi)存、數(shù)據(jù)存儲器、DMA的訪問，程序的單步運(yùn)行和跟蹤，以及程序的分支和外部中斷的計數(shù)等。通過河北理工大學(xué)信息學(xué)院22結(jié)合 TI 的集成開發(fā)環(huán)境 (CCS)與 JTAG 接口，可以很方便地進(jìn)行實(shí)時在線調(diào)試。JTAG 測試口與 DSP 管腳聯(lián)機(jī)如圖 所示。圖 JTAG 測試口與 DSP 管腳聯(lián)機(jī)圖（2）SCI 串口通訊在 DSP 芯片內(nèi)部，嵌入了 SCI 通訊模塊。可以通過接口對 DSP 的內(nèi)部FLASH 進(jìn)行燒寫和仿真通訊。本系統(tǒng)設(shè)計采用的接口是 RS232，其接口芯片采用的是MAXIM 公司的 MAX232，具體電路如圖 所示。圖 保護(hù)電路為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須設(shè)計保護(hù)電路。本系統(tǒng)保護(hù)分為軟件保護(hù)和硬件保護(hù)。軟件保護(hù)通過將檢測值輸入 DSP，通過程序進(jìn)行判斷是否封鎖信號輸出。而硬件保護(hù)電路，則通過邏輯與門來決定是否封鎖輸出信號，其中硬件保護(hù)較之軟件保護(hù)，具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。 過壓、欠壓保護(hù)第 3 章 松耦合變壓器的原理及其設(shè)計23系統(tǒng)中設(shè)置了直流電壓過壓、欠壓保護(hù)電路。因為 IGBT 集射極耐壓及承受反壓的能力有限，而且蓄電池電壓變化范圍較大，會導(dǎo)致直流回路過壓或欠壓，因此應(yīng)設(shè)置直流電壓過壓、欠壓保護(hù)電路。欠壓（過壓）保護(hù)是從主回路中引入信號控制，在這里欠壓（過壓）保護(hù)電路的比較信號取自同光耦的輸出。在過(欠)壓保護(hù)中，當(dāng)采樣電壓高(低)于保護(hù)參考點(diǎn) V2（V1） ，則 VOH(VOL)輸出低電平，與其它故障信號相與后送入DSP 的 PDPINT 中斷口，當(dāng) DSP 的 PDPINT 管腳接收到低電平信號， DSP 將做出相應(yīng)的中斷處理，立即封鎖 PWM 輸出及停止運(yùn)行。1).保護(hù)閾值參數(shù)選擇欠壓保護(hù)電壓： ()VUdc 130%)(*14)0(*1 ?????過壓保護(hù)電壓： 582 ??（）2).電路參數(shù)計算將可調(diào)電阻 調(diào)至 6K 得2R39。2欠壓保護(hù)參考電壓設(shè)置： *%*39。220221 ?????????????????RCTIVUVRDF取 ，則將 調(diào)至 ，使 A4 正輸入端為 。過壓保護(hù)參考電壓設(shè)置： **39。2202221 ?????????????????RCTIRVUVRDF取 ，將 調(diào)至 ，使 A5 負(fù)輸入端為 10V。524河北理工大學(xué)信息學(xué)院24圖 過流保護(hù)IGBT 雖可承受短時間的過流，但一旦超出安全區(qū)，則將被永久性地?fù)p壞。所以要設(shè)置快速的過流保護(hù)電路。系統(tǒng)在直流回路設(shè)置一個電阻，通過該電阻把電流轉(zhuǎn)換成電壓信號后接入圖 保護(hù)電路中，形成過流保護(hù)。當(dāng)發(fā)生過流故障，OC 輸出低電平，與其它故障信號相與后送入 DSP 的 PDPINT 中斷口，當(dāng) DSP 的 PDPINT 管腳接收到低電平信號， DSP 將做出相應(yīng)的中斷處理，立即封鎖 PWM 輸出及停止運(yùn)行。圖 過壓保護(hù)電路過流保護(hù)的工作原理很簡單，通過采取主電路電阻 兩端的電壓做減法16R第 3 章 松耦合變壓器的原理及其設(shè)計25運(yùn)算，則 A7 輸出為 , 與 A8 正1621721587 *RIURUout ?????????7out端輸入（3V）作比較，當(dāng) 時，OC 輸出為低，即當(dāng) 時，Vout37? ??OC 輸出為低。 故障信號的處理前面講述的過流、過壓、欠壓保護(hù)信號，最后要在 DSP 中處理，只要其中有一個信號發(fā)出低電平，則 DSP 立即中斷響應(yīng)。原理圖如圖 。這部分是DSP 接收保護(hù)信號的電路，當(dāng)其中一路保護(hù)信號為低時，則 PDPINT 將接收到一個低電平信號，此時 DSP 將停止發(fā)生 PWM 波。圖 電源模塊設(shè)計為了滿足 DSP 控制系統(tǒng)對電源的可靠性、精度、寬范圍輸入、隔離等方面的要求，本系統(tǒng)的電源設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方案，共使用三個電源模塊，形成兩級的電源系統(tǒng)。系統(tǒng)的電源是來自汽車的蓄電池 12V 電壓，12V 電壓不能直接應(yīng)用在本系統(tǒng)中，而且電源波動范圍較大，所以要進(jìn)行一些轉(zhuǎn)換。故使用ANSJ 的寬范圍輸入的隔離電源模塊 HDW1512S05 DC/DC 模塊為一級電源模塊，輸入電壓范圍為 918V，功率 15W，有三路電壓輸出+5V 和177。15V，精度177。1%，負(fù)載效應(yīng)小，動態(tài)響應(yīng)快，啟動延時小于 200ms。首先是把 12 伏的電壓轉(zhuǎn)換成 5V 和177。15V 的電壓，+5V 的電壓直接給給 DSP 外部接口芯片供電，177。15V 輸出給霍爾傳感器供電。因為 2407 系列的 DSP 使用的是 的電源，還要把 5V 的電壓轉(zhuǎn)換成 。TI 公司生產(chǎn)的 TPS75733 電源轉(zhuǎn)換芯片作為 5V轉(zhuǎn) 的高性能穩(wěn)壓芯片，并可提供上電復(fù)位信號。該信號接到 DSP 的復(fù)位引腳上。TPS75733 輸出后要接 10uF 和 的電容，以得到穩(wěn)定的 電壓。具體電路如圖 所示。河北理工大學(xué)信息學(xué)院26圖 非接觸式電源系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)非接觸式電源控制系統(tǒng)的整個程序包括主程序和三個中斷程序即定時器中斷程序、串行通信中斷程序以及外部中斷程序組成。系統(tǒng)上電或手動復(fù)位后主程序自動運(yùn)行，它首先將系統(tǒng)初始化，即根據(jù)要求給時鐘及看門狗模塊、1/0 模塊、定時器、SCI 模塊、ADC 模塊、定時器、全比較單元和簡單比較單元的控制寄存器以及等待狀態(tài)發(fā)生器賦值，以便各模塊正常工作，然后開中斷并等待。在主程序中還有一個清看門狗的子程序，負(fù)責(zé)喂狗，如果程序意外飛跑失控，看門狗將在所設(shè)定的時間內(nèi)引起一次中斷，使得系統(tǒng)復(fù)位，程序重新執(zhí)行。系統(tǒng)的主程序流程見圖 。中斷程序 GSRI開通了一個二級中斷源一一串行通訊中斷，它負(fù)責(zé)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，整個中斷系統(tǒng)中它的中斷優(yōu)先級別最高。它的作用是一方面將下位機(jī)的狀態(tài)信息數(shù)字量傳送給上位機(jī)，另一方面它可以根據(jù)上位機(jī)的要求對整個電源系統(tǒng)的控制進(jìn)行啟停操作，或者修改控制參數(shù)。而中斷程序 GSRZ 也只開通了一個二級中斷，即系統(tǒng)的掉電保護(hù)中斷，它由 MAX706 給出的故障電源信號觸發(fā)，當(dāng)MAX706 芯片檢測到電源掉電時，系統(tǒng)響應(yīng)中斷，封鎖所有的 PWM 輸出信號以便保護(hù)功率逆變器件。中斷程序 GSR3 開通了定時器 3 的周期匹配中斷，它定時讀取 1/0 端口以獲取功率器件的保護(hù)信號，刷新 LCD 屏，復(fù)位看門狗等。在主程序中間，如何利用軟件產(chǎn)生、移相控制信號是主程序的關(guān)鍵組成部分，其程序流程如圖 所示。我們在這里采用了 DSP 三個定時/計數(shù)器中的兩個TTZ 來產(chǎn)生四個開關(guān) IGBT 管的移相控制脈沖信號，在該段程序中，首先使能 Tl、 TZ 的全比較操作，接下來設(shè)置死區(qū)控制寄存器，使能 TT2 的全比較死區(qū)操作并設(shè)置合適的死區(qū)時間，然后設(shè)置其比較控制寄存器，使能 TTZ第 3 章 松耦合變壓器的原理及其設(shè)計27的全比較操作，再通過設(shè)置定時器 Tl、T2 的全比較寄存器及其周期寄存器的值來設(shè)置移相控制信號的占空比和頻率，通過設(shè)置定時器 Tl、TZ 的初使值來實(shí)現(xiàn)移相功能，然后通過設(shè)置能用定時器控制寄存器來啟動定時器 Tl、T2 的帶死區(qū)移相 PWM 輸出。