一种基于DSP的电力机车备用电源三相逆变器设计与实现

一种基于 DSP的电力机车备用电源三相逆变器设计与实现

何强 1 任虎 2 冯索夫 3

1. 国能朔黄铁路发展有限公司 河北肃宁 062350

2.国能朔黄铁路发展有限公司 河北肃宁 062350

3.株洲中车电力机车配件有限公司 湖南株洲 412000

【摘要】本文设计了一种用于电力机车在无网压状态下使用的三相大功率逆变电源的设计实现方法，分析了逆变电源的基础理论，选定采用组合式三相半桥逆变主电路结构和双极性SPWM 波控制方案。重点研究了IGBT驱动关键技术

介绍了以TMS320LF2407A芯片为核心的DSP控制电路、保护电路和辅助电路；完成了输出电压和 电流采样软件、双极性SPWM的PID电压调节闭环控制软件，通过对原理样机的实验，结果表明，该电源设计方案可行，达到了性能指标要求

关键词:三相逆变电源；DSP；双极性SPWM控制；IGBT ；设计

概 述

铁路线上运行的电力机车在开天窗期间无法从接触网获取电能。在严冬和酷暑的季节，司机要使用机车本身自带的蓄电池给司机室加热或降温。而电力机车自带的蓄电池原本是设计用于机车控制系统的其容量偏小，特别是目前使用的和谐系列电力机车对蓄电池电量的需求更大；司机在开天窗期间为保证基本的生活需求，就会造成机车蓄电池亏电，使接触网恢复供电时，机车却无法升弓，从而造成事故，因此设计一套满足司机在开天窗期间为保证基本的生活需求的备用电源系统是必要的。本设计方案是用锂电池组组成的DC96V通过斩波升压及逆变后为负载提供3AC440V交流电源；目前大功率三相逆变电源的技术日趋成熟，但实际设计实现中还是有许多研究探讨的地方。本文先分析了逆变电源的基础理论，然后重点研究了IGBT驱动关键技术和介绍了以TMS320LF2407A芯片为核心的DSP控制电路。

一、逆变电源相关理论和设计基础

逆变电源是电力电子技术的主要应用领域之一,伴随着电力电子器件大容量、高频化、易驱动、智能模块化的飞速发展，大功率逆变器的发展也日趋高性能化。

推动大功率逆变电源技术发展的主要有4个方 面的因素：逆变技术、微处理器和数字控制技术、 PWM控制技术、计算机仿真技术。

逆变系统的核心，是完成逆变功能的逆变电路。 此外逆变系统还需要产生和调节驱动脉冲的电路即控制电路，还要有保护电路、辅助电源电路、输入电路和输出电路等。这些电路构成了逆变系统的基本结构，其系统结构框图如图1所示。

图1 逆变系统的基本结构框图

输入电路，是对输入电能进行处理，以实现逆变器输入所需的直流电的电路。

控制电路，用于按要求产生和调节一系列控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，配合主电路完成 逆变功能。这一部分对于逆变系统的性能至关重要。

本系统输入能源是由电池组提供的标称值为96V。因此要 进行DC/DC变换器，将逆变器的输入电压变换成适合逆变电路工作所需的直流电压值。逆变系统离不开完善的保护措施，保护电路主要有直流侧过压保护、直流侧欠压保护、过载保护、短路保护特别是IGBT的驱动和保护和过热保护等。

二、硬件系统设计与实现

2.1 系统的基本结构：

图2 系统的基本结构

系统逆变电源为DC96V输入，由平波电感L和IGBTQ7及二极管D1组成Boost升压电路，将直流电压稳定为DC650V。稳压后的电源经过储能环节至全桥逆变，全桥逆变由Q1-Q6组成，根据控制指令输出适宜频率和电压的交流电源。

2.2逆变器的基本结构

组合式三相电源逆变部分采用三相半桥结构， 以此为据设计组合式三相逆变系统基本结构。电池电压经过BOOT电路升至逆变所需要的电压，通过软启动电路减少冲击电流。 直一交逆变部分采用三相半桥结构，将直流电转化 为一定电压频率的正弦交流电，它是本电源的核心,

逆变单元采用三相半桥结构，可以减小体积。通过采用PWM控制技术，利用IPM开关频率较高的特点，使输出电压波形得到改善。逆变桥输出接L、C滤波电路，滤波后即可得到正弦波。

三相系统共有完全相同的3套单相电路，通过软件控制三相正弦电压互差120*，即可得到所要求的三相电源。相电压输出采用有效值控制闭环结构。利用传感器输出与电压有效值成比例的信号，对其进行双重滤波（电路滤波和数字滤波）后，送与DSP处理器，根据得到的偏差信号对调制度M进行调整,产生相应的PWM控制脉冲，经驱动电路，作用于逆变桥，从而可以控制输出电压有效值与给定值相同， 实现稳定的正弦交流电输出。

通过外部监控电路实现电源频率的调整，频率调整采用基本同步调制方式，载波比N固定不变，fr的改变通过A/D转换通道送与DSP处理器，进而改变心实现输出频率改变。稳定频率通过对给定标准 正弦波频率进行控制而实现。由于采用晶振得到基准频率，电源输出频率精度及稳定性均大为提高。

2.3 DSP控制系统电路设计

组合式三相逆变器TM S320LF2407A DSP控制系统，主要由TM S320LF2407A芯片子系统、供电电路、A/D输入电路、上电保护电路等组成。TMS320LF2407A芯片子系统主要包括时钟、复位、外部存储JTAG仿真接口等组成电路，其设计时可参考产品手册推荐电路进行选择。以下主要进行控制系统核心部分具体电路设计。

2.4 IGBT驱动保护电路的研究设计

为解决中、大功率等级IGBT的可靠驱动问题，本文提出了驱动电路的关键参数设计方案。同时，在逆变器极端工况下研究了IGBT的相关特性，提出了极端工况IGBT的保护措施，包括IGBT栅极电压应力防护、VCE电压应力抑制、过流与短路等工况的保护措施及工作原理。对电压应力抑制的关键方案：有源钳位、高级有源钳位、软关断等特性进行理论分析，并给出解决实际问题的应用电路。通过双脉冲试验验证了提出的相关理论的科学性以及给出的解决方案的可行性。

　 IGBT在本项目中承担着功率变换和能量传输的关键作用。据有关工程应用技术数据显示，由于IGBT损坏而造成的各类变流设备发生故障的概率超过90%。IGBT的应用可靠性问题，相当大的比重在于其驱动可靠性及其保护的设计。我们对IGBT驱动进行了研究，从IGBT的驱动电路设计要点、栅极保护电路、电压应力防护以及过流与短路保护等方面展开，给出IGBT可靠驱动的理论分析及电路解决方案。

2.4.1 IGBT驱动关键参数

　　逆变设备的核心器件IGBT在功率变换中起着关键作用。IGBT本身的工作特性，直接影响着逆变器的性能，而直接影响IGBT工作性能的驱动电路，其设计的合理性也就决定逆变器的各项性能指标。

　　第一，IGBT驱动电路要根据具体的IGBT参数设计驱动电路的功率，包括驱动的平均功率与瞬时峰值功率。驱动电路的功率直接决定其能否稳定驱动相应的IGBT，保证IGBT可靠开关动作。驱动电路的功率要根据IGBT具体规格而定，主要涉及栅极电荷QG。第二，IGBT的关断电流拖尾效应也是驱动电路设计所要研究的问题之一。采用负向的栅源电压可将IGBT快速关断，从而防止电流拖尾效应。负向的驱动关断电压也可抑制米勒效应，防止IGBT误导通。第三，要保证IGBT低的通态损耗，就必须使其在安全导通时有较低的饱和压降，这样就要求较高的驱动开通电压，但不能超过其限值±20V，因此，选择15V为开通电压。第四，要尽量减小驱动电路的功率，负向的关断电压大小可以有效优化驱动功率。过低的负向关断电压必然造成较大的驱动功率，因此，根据相关数据资料，选择负向10V的电压来可靠关断，且驱动功率也有所减小。第五，IGBT寄生参数对功率回路及驱动电路的影响也必须要重视，输入电容、米勒电容、输出电容等直接影响IGBT的开关动作特性及驱动电路的各项参数。图1所示为IGBT驱动电路的基本构成。

图4 IGBT驱动电路的基本构成

2.4.2 IGBT栅极保护分析

　　IGBT栅极G与发射极E间氧化膜厚度较小，极易由于过电压而击穿。一般的IGBT，其G、E间最高耐压为±20V，超过此电压范围将会损坏IGBT。为此，在驱动电路设计中增加此处的保护功能，保证IGBT安全可靠。

IGBT由于栅极过压而损坏的情况，一般有两种。第一，在逆变设备出厂后的运输途中，或未投入运行时，由于静电电荷不断积累，G、E间的静电电压持续增大，当超过IGBT G、E间所能承受的电压范围后，将会击穿IGBT的栅极氧化膜，从而损坏IGBT。第二，IGBT在变流器正常运行中，由于电路中的电压、电流及磁场的突变，在G、E间产生电压尖峰，也会对IGBT产生很大的威胁。以上两个工况需要通过IGBT栅极保护电路设计来解决。第一，为防止静电电荷不断积累而使G、E间电压增大，在G、E间直接放电阻，将静电电荷释放，电阻值一般为10kohm。第二，采用G、E间增加TVS管(瞬变电压抑制二极管)来抑制电路中电流与磁场等相关物理量突变而引起的栅极过电压。或者，也可在栅极与驱动的正向电源上增加钳位的肖特基二极管来将栅极的电压尖峰释放在电源上。图5所示为IGBT栅极保护设计。

图5 IGBT栅极保护设计

2.4.3 IGBT电压应力抑制

　　有关数据表明，IGBT在其整个生命周期中，因电路中超过其所能承受的电压而击穿损坏的占整个IGBT失效类型的比例较大。为此，在IGBT驱动电路设计中，有关其过电压防护问题显得尤为重要。

IGBT出现过电压的现象主要由于电路中过大的电流变化率而导致，如式(1)所示。其中，VCE为IGBT集电极与发射极两端电压;Ls为电路中杂散电感;di/dt为IGBT电流的变化率，此处一般为电流的下降速率。由式(1)可见，关断电压应力大小主要取决于两方面：第一，电路中的杂散电感量;第二，电流的变化率。这两个方面直接决定应力的大小。因此，减小电压应力的方法有两种：第一，尽量减小线路中的杂散参数，即寄生电感量，但该方法的成效有限;第二，通过电路的设计，减小电流变化率，从而降低电压应力。本文中主要针对第二种方法进行研究。

式1

　　对于电路中较大的电流变化，主要发生在电流较大时，IGBT的关断状态，包括逆变器过流或短路等状态。为保证此刻IGBT关断电压应力不超标，就应该将电流变化率减小。流过IGBT的电流变化率主要由其关断的速度决定，因此，可以通过减小IGBT关断速度来减小电流变化率。而减小关断速度的方法一般有两种：第一，采用有源钳位的方法，当采集到电压应力过高时，利用相关电路将该信号反馈给栅极，即主动给栅极注入电流，使正在关断的IGBT再次开通，从而减小电流变化率，减小电压应力;第二，驱动电路中采集IGBT的电压应力，在电压应力过高时采用相关逻辑电路，将其缓慢关断，等效与较大的栅极驱动电阻值，从而减小电流变化率，进而减小电压应力。

图6为有源钳位电路工作原理图，由TVS管和恢复二极管构成。当集电极电位过高时，TVS被击穿，有电流流进门极，门极电位得以抬升，从而使关断电流变化率减小，进而减小尖峰。这个钳位过程的本质是一个负反馈环路，给定的是TVS击穿点，被控对象是集电极电位。

图6 有源钳位电路工作原理图

　　当检测到IGBT的VCE较高时，触发软关断有效，将IGBT的关断速度减缓，从而减小电流的变化率，抑制电压应力。软关断的过程可以等效为IGBT的关断电阻Roff变大的状态，如图7所示。

图7 软关断等效路图

2.4.4 IGBT过流及短路保护

　　(1)IGBT过电流保护

逆变器在一般工作时，过流是一种较为常见的状态。在过流时，承担功率变换的IGBT由于工作电流增大会直接影响其可靠性。在高频变流器中，IGBT一般工作在开、关状态，充当高频的开关器件，因此处在开、关状态的IGBT一般有两种状态：关断(或称为截止)和导通(即饱和导通)。处在导通状态的IGBT的饱和压降很小，因此，IGBT本身的导通损耗就会很小。但是，当IGBT发生过流时，如果没能及时处理，IGBT的电流持续上升，一般的IGBT的工作电流大概为额定电流的3到4倍时，会发生退饱和的现象，即IGBT会退出饱和导通区，进入放大即线性区。在线性区内，IGBT的VCE电压较高，而且工作电流又很大，IGBT的瞬时功率将会较大。对IGBT来说，超过其安全工作区，有过功率损坏的风险。

为此，在逆变器发生过流时，为保证IGBT的安全，需要及时关断。然而，IGBT在过流时关断过快，也就意味着电流变化率较大，这样，按照IGBT电压应力抑制的分析，其关断时会有较大的电压尖峰，对IGBT造成威胁，因此，在关断IGBT时可采用有源钳位或者软关断的方法抑制电压应力。综合以上分析，在IGBT发生过流时，必须将其安全可靠地关断。

(2)IGBT短路保护

　　逆变器在工作时由于负载侧故障而引起短路，输出电流会急剧上升，导致IGBT的工作电流也会对应急剧上升。一般地，对IGBT而言，短路分为两种情况：第一，逆变器的桥臂内发生直通，回流路径很小，其等效负载也非常小，近似为零，一般称为一类短路。第二，逆变器短路点发生在负载侧，等效短路阻抗较大，称为二类短路。二类短路一般也可认为是逆变器较严重的过流发生。在短路发生时刻，如果不采取相关措施，就会导致IGBT快速进入退饱和，如IGBT过流保护分析，其瞬态功耗超过限值而损坏。因此，当短路发生时，要尽快关断IGBT，而且关断的速度要平缓，保证电流变化速率在一定范围，避免关断过快而引起电压应力超过限值而损坏IGBT。

当一类短路发生时，流过IGBT的工作电流上升非常快，在很短时间内达到退饱和电流。如果在此刻将IGBT关断，电压尖峰将非常大，很有可能超过限值。为此，在一类短路发生时，将IGBT缓慢、可靠关断非常重要。为了使得驱动电路在尽可能短的时间内响应电流变化，在有源钳位的方案中增加快速响应措施，使得IGBT驱动能够尽快动作。具体措施如图8所示

图8 快速有源钳位电路

在TVS管上并联陶瓷电容，该电容高频特性较好，能够响应高频的电流变化，当IGBT的集电极电压发生快速变化时，该电容可以通过电流信号将变化及时地反馈给IGBT栅极，这样，栅极由于此电流的注入而从即将关断的状态进入再次开通的状态，对IGBT本身来说，其电流的变化率就不至过快，确保其较小的关断电压尖峰。IZC可通过以下公式（式2）计算得到。对于一类的桥臂直通的短路和二类的较大负载的短路，除采用高级有源钳位的方法外，也可采用软关断的方法处理，二者的区别在于，软关断的瞬时功耗较大，对变流器本身来讲，如果长时间的处于短路状态，效率会有所降低，与此同时，IGBT会有热应力的风险。

式2

2.4.5 试验结果

　　针对1200V/2500A的IGBT，进行双脉冲试验，对设计的IGBT驱动电路基本的驱动能力、栅极保护、电压应力抑制的有源钳位、软关断等功能及性能表现进

图9

试验平台按照图9所示搭建，IGBT模块为半桥结构，其中上管C、E间连接电感L来模拟负载，同时保证上管在试验中处在关断的状态。给下管G、E间输入图中所示的驱动信号，即设置两次开通，且开通与关断的时间T1、T2、T3可控。通过该双脉冲试验，可以有效验证驱动电路在变流器换流时的功能与性能。图10与图11为实验测试波形，两图中通道1均为下管门极与发射极电压VGE;通道2均为下管集电极与发射极电压VCE;通道3均为集电极电流IC。图7中可以看到当达到VCE门限值时，VGE电压上升，延缓了IGBT的关断速度;如图8所示，当检测到较大VCE电压尖峰时，VGE电压缓慢降低，IGBT缓慢关断，从而抑制了电压应力。

图10有源钳位测试波形图 11软关断测试波形



结论：　对于中、大功率变流器的核心开关器件IGBT，其驱动电路不仅仅要保证正常的驱动能力，还要有相关的保护措施，从而在极端工况下保证IGBT的安全、可靠。实现中我们采用的是2SC0108T双通道SCALE™-2+驱动核其驱动脉冲信号是由DSP的程序控制的。

大功率逆变技术研究的发展方向，正由传统脉宽调制硬开关技术和频率调制谐振技术，转向脉宽调制软开关技术。具有电流峰值注入的双闭环控制方法，可以同移相软开关方式相互结合。双闭环调节、移相软开 关控制技术,特别适合在大功率逆变电源中推广应用。 对逆变电源进行模糊自动控制，能够简洁、有效地提高大功率逆变电源控制的快速性、稳定性、准确性和鲁棒性。通过理论研究和模拟实验为电力机车备用大功率逆变电源的生产打下了牢固的理论基础，本文为电力机车做出安全可靠的逆变电源系统做了一些探讨和基本实践。