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H桥的驱动电路和电压电流检测电路的设计

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。

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2021-04-07 14:08
关注你了,感谢分享
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daichao
LV.4
3
2021-04-09 10:33
楼主写的很清楚,还有后续吗?
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2021-04-14 08:42
@daichao
楼主写的很清楚,还有后续吗?
硬件分析的不错,楼主如果能结合程序分析最好了
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lkings
LV.6
5
2021-04-16 21:41
用一个电感取样电流是不是成本更低
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唐先森
LV.2
6
2021-04-18 15:50
不错不错不错
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鲁珀特
LV.4
7
2021-04-20 12:38

关于系统的测量精度,我个人感觉不是简单的把所有精度简单的相加,而是取系统中分系统的最da的精度,采样电阻千分之五 实际精度就是1%,12位ADC远远小于1%,故总体精度应为1%

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yuanbao
LV.1
8
2021-04-21 09:13

还有进一步更新吗?

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2021-04-22 22:39

电流检测精度咋样?

0
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pzg1989
LV.4
10
2021-04-23 17:30

讲的很详细,但是有一点我觉的要说一下,检测精度不仅仅受关键器件的精度影响,还会受一般器件的影响。

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cwm4610
LV.6
11
2021-05-20 13:18

1.对于Mosfet的H桥电路,能否具体详细介绍下,电路的连接方式。Mosfet的具体型号,上管和下管高压侧的电压?

2. 电流检测:DSP用的是哪家的方案?

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飞翔2004
LV.10
12
2021-05-21 12:53
@鲁珀特
关于系统的测量精度,我个人感觉不是简单的把所有精度简单的相加,而是取系统中分系统的最da的精度,采样电阻千分之五实际精度就是1%,12位ADC远远小于1%,故总体精度应为1%

ADC精度的提升不单单取决与采用电阻的精度,最好的方式用差分输入的ADC,这样能有效避免输入共模干扰。

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2021-05-27 15:18

ACS712可以采样220的交流信号?

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2021-05-28 20:02
@鲁珀特
关于系统的测量精度,我个人感觉不是简单的把所有精度简单的相加,而是取系统中分系统的最da的精度,采样电阻千分之五实际精度就是1%,12位ADC远远小于1%,故总体精度应为1%

三种驱动H桥的效率计算方法但PNP管需要比NPN管多不然PNP发热严重

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yujunice
LV.5
15
2021-05-29 17:19

为什么H桥驱动电路H桥驱动芯片输出脚到MOS管栅极的电阻2.2K,电流就很大,而用小于100OHM的就很小呢?

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2021-06-11 09:20

为了学习你这个电路特意去看了下TLP250的datasheet,5脚是GND,8脚是VCC,你这个是原理图画错了,还是必须得这么接,感觉电路不通啊,谢谢!

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