唐 寧，初振東

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng) 110032）

1 引 言

在對(duì)高壓大電流絕緣柵驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證的過(guò)程中，通常需要驗(yàn)證不同的母線(xiàn)電壓、不同的負(fù)載電阻以及不同頻率下驅(qū)動(dòng)器的工作特性。高壓大電流絕緣柵驅(qū)動(dòng)器通常應(yīng)用在母線(xiàn)電壓較高、負(fù)載電流較大的場(chǎng)合，應(yīng)用驗(yàn)證過(guò)程中，必須確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性[1]。

因此，設(shè)計(jì)一種高壓大電流絕緣柵驅(qū)動(dòng)器驗(yàn)證平臺(tái)，使具有一定的保護(hù)機(jī)制，確保應(yīng)用驗(yàn)證過(guò)程中系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性[2]。同時(shí)，驗(yàn)證平臺(tái)具有一定的靈活性，可以驗(yàn)證不同頻率、不同母線(xiàn)電壓和不同負(fù)載電流下絕緣柵驅(qū)動(dòng)器的工作特性。

2 功能概述

高壓大電流絕緣柵驅(qū)動(dòng)器驗(yàn)證平臺(tái)的功能框圖如圖1所示。系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)共同組成。下位機(jī)主要以Cortex-M4 系列的ARM 為核心，完成整個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)的信號(hào)采集和時(shí)序控制等功能；上位機(jī)主要具有參數(shù)配置和報(bào)表存儲(chǔ)等功能。

圖1 高壓大電流絕緣柵驅(qū)動(dòng)器驗(yàn)證平臺(tái)功能框圖

通過(guò)按鍵輸入可以調(diào)節(jié)頻率，控制器可根據(jù)當(dāng)前按鍵調(diào)節(jié)的頻率，產(chǎn)生PWM 信號(hào)，控制絕緣柵驅(qū)動(dòng)器。絕緣柵驅(qū)動(dòng)器的后級(jí)接有MOSFET 和IGBT，以形成負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路?？烧{(diào)高壓電源經(jīng)過(guò)流保護(hù)器后，為系統(tǒng)提供母線(xiàn)電壓[3]。通常通過(guò)阻性負(fù)載來(lái)驗(yàn)證絕緣柵驅(qū)動(dòng)器在高壓大電流情況下的工作情況，因此，針對(duì)不同負(fù)載進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證時(shí)，可以通過(guò)繼電器切換負(fù)載阻值。為實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器對(duì)系統(tǒng)的工作電壓和工作電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，當(dāng)電壓或者電流超標(biāo)時(shí)，及時(shí)進(jìn)行錯(cuò)誤處理，以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性[4]。系統(tǒng)配有液晶顯示器，可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的基本配置及工作狀態(tài)。控制器通過(guò)通信接口電路，可以與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。上位機(jī)可以對(duì)系統(tǒng)的工作模式和參數(shù)進(jìn)行配置，同時(shí)存儲(chǔ)相應(yīng)的工作報(bào)表等。上位機(jī)具有自動(dòng)驗(yàn)證模式，可以根據(jù)配置對(duì)不同頻率、不同母線(xiàn)電壓、不同負(fù)載電阻情況下驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)驗(yàn)證，并存儲(chǔ)驗(yàn)證結(jié)果，從而提高驗(yàn)證效率。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 控制器最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在高壓大電流絕緣柵驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用驗(yàn)證系統(tǒng)中，需要產(chǎn)生高速的PWM 脈沖[5]，控制絕緣柵驅(qū)動(dòng)器，因此選用ST 公司的STM32F407 嵌入式處理器。該處理器具有多路硬件PWM 控制器，可以通過(guò)硬件方式產(chǎn)生PWM 脈沖，速度快，穩(wěn)定性較高。另外，STM32F407 處理器具有一定的抗干擾性能，能夠穩(wěn)定工作在復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境中。

STM32F407 嵌入式處理器內(nèi)置高速AD 轉(zhuǎn)換器，在高壓大電流絕緣柵驅(qū)動(dòng)器驗(yàn)證平臺(tái)中可以用于數(shù)據(jù)采集，主要采集母線(xiàn)電壓和負(fù)載電流信息，以便在系統(tǒng)過(guò)壓和過(guò)流時(shí)及時(shí)采取保護(hù)措施，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該嵌入式處理器還內(nèi)置CAN 控制器，可以用于搭建通信接口電路，使得下位機(jī)系統(tǒng)可以穩(wěn)定地與上位機(jī)建立通信。CAN 總線(xiàn)的物理層芯片選用TI 公司的 SN65HVD251，該芯片兼容 ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)，通信速率可達(dá)到1Mbps，端口的ESD 防護(hù)電壓大于9kV。STM32F407 嵌入式處理器內(nèi)置獨(dú)立看門(mén)狗單元，可以有效地提高系統(tǒng)的抗干擾性能。

3.2 顯示電路設(shè)計(jì)

在平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，顯示電路主要用于系統(tǒng)的工作狀態(tài)監(jiān)視，以及當(dāng)前配置的顯示等，使得系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互性能。顯示器選用12864 液晶顯示器，顯示器的電壓等級(jí)選用3.3V，以便兼容STM32F407 處理器的IO 電平范圍。選用內(nèi)置字庫(kù)的12864 液晶顯示器，可以較為方便地顯示漢字信息。液晶顯示電路的電路圖如圖2所示，其中RB0～RB7 為數(shù)據(jù)端，主要用于讀寫(xiě)寄存器時(shí)的數(shù)據(jù)操作。E 為使能控制端，RW 為讀寫(xiě)操作選擇端，BLK 和BLA 為背光調(diào)節(jié)端。

圖2 顯示電路原理圖

3.3 死區(qū)電路設(shè)計(jì)

絕緣柵驅(qū)動(dòng)器通常用于半橋、全橋或三相橋系統(tǒng)中，因此絕緣柵驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)通常為帶有死區(qū)的互補(bǔ)PWM 信號(hào)。為保證死區(qū)信號(hào)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)硬件死區(qū)電路[6]。死區(qū)電路的原理圖如圖3所示，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器和阻容二極管網(wǎng)絡(luò)后，在電路的輸出端產(chǎn)生帶有死區(qū)時(shí)間的、互補(bǔ)的OUTA 和OUTB 信號(hào)，該兩路信號(hào)可以控制絕緣柵驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行工作。通過(guò)調(diào)節(jié)阻容網(wǎng)絡(luò)中的電阻值或電容值，可調(diào)節(jié)電容的充放電時(shí)間，進(jìn)而調(diào)節(jié)OUTA和 OUTB 之間的死區(qū)時(shí)間[7]。OUTA 和 OUTB 的仿真結(jié)果如圖4所示。該硬件死區(qū)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)方便，具有較好的穩(wěn)定性。

圖3 死區(qū)電路原理圖

圖4 死區(qū)電路仿真結(jié)果圖

3.4 負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)搭建的全橋驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，它通過(guò)四個(gè)大功率MOSFET 搭建全橋驅(qū)動(dòng)電路[8]。電路中MOSFET 的柵極分別接有二極管和阻值較小的電阻。電阻可以在MOSFET 開(kāi)啟的瞬間起到限流的作用，其阻值不宜太大，否則會(huì)影響系統(tǒng)的工作速度；合理設(shè)計(jì)二極管則可有效減少整個(gè)電路的噪聲[9]。通常通過(guò)阻性負(fù)載來(lái)驗(yàn)證絕緣柵驅(qū)動(dòng)器在高壓大電流情況下的工作情況，因此，電路中的VS1 和VS2可接外部負(fù)載電阻，根據(jù)負(fù)載電阻的不同，可以驗(yàn)證不同負(fù)載電流下驅(qū)動(dòng)器的工作情況[10]。R5 和R6 為采樣電阻，可以實(shí)時(shí)采集橋路的工作電流，當(dāng)系統(tǒng)的工作電流超標(biāo)時(shí)，控制器可以迅速切斷系統(tǒng)動(dòng)力電源，以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 全橋電路原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件流程圖如圖6所示，下位機(jī)軟件流程圖如圖7所示。

圖6 上位機(jī)軟件流程圖

圖7 下位機(jī)軟件流程圖

上位機(jī)軟件工作后，首先讀取軟件配置，如果驗(yàn)證開(kāi)始按鈕觸發(fā)，則將配置信息發(fā)送給下位機(jī)。驗(yàn)證開(kāi)始后，上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)讀取下位機(jī)工作參數(shù)，并將工作參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)界面上。下位機(jī)軟件工作后，首先讀取上位機(jī)軟件的配置，然后配置相關(guān)外設(shè)，啟動(dòng)驗(yàn)證后，實(shí)時(shí)將下位機(jī)軟件的工作狀態(tài)反饋給上位機(jī)，若驗(yàn)證過(guò)程中有錯(cuò)誤，則立即結(jié)束驗(yàn)證。

5 系統(tǒng)驗(yàn)證

根據(jù)以上描述，搭建的高壓大電流絕緣柵驅(qū)動(dòng)器驗(yàn)證平臺(tái)如圖8所示。上位機(jī)軟件的實(shí)際工作界面如圖9所示。

圖8 高壓大電流絕緣柵驅(qū)動(dòng)器驗(yàn)證平臺(tái)實(shí)物圖

圖9 上位機(jī)軟件界面效果圖

當(dāng)輸入信號(hào)為互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，絕緣柵驅(qū)動(dòng)器可以產(chǎn)生互補(bǔ)的高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制后級(jí)MOSFET工作，使整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿(mǎn)足驗(yàn)證需要。

6 結(jié) 束 語(yǔ)

依據(jù)高壓大電流絕緣柵驅(qū)動(dòng)器的驗(yàn)證需求設(shè)計(jì)的該款驗(yàn)證平臺(tái)，可驗(yàn)證不同頻率、不同母線(xiàn)電壓、不同負(fù)載電流情況下絕緣柵驅(qū)動(dòng)器的工作性能。整個(gè)系統(tǒng)的上位機(jī)/下位機(jī)配置構(gòu)成，支持了自動(dòng)驗(yàn)證工作模式，根據(jù)配置自動(dòng)完成全參數(shù)驗(yàn)證也得以順利實(shí)現(xiàn)。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，此高壓大電流絕緣柵驅(qū)動(dòng)器驗(yàn)證平臺(tái)效率較高，工作穩(wěn)定，有很高的實(shí)用價(jià)值。