6n138引腳圖

6n138特征

描述：

高共模瞬態(tài)免疫力非常高電流比與5300 VRMS絕緣一起通過耦合和集成高增益的LED實(shí)現(xiàn)采用8引腳雙列直插式封裝的光電探測(cè)器。用于光電二極管和輸出級(jí)啟用的獨(dú)立引腳TTL兼容飽和電壓高速操作。

進(jìn)入基地終端可以調(diào)整增益帶寬。

6N138非常適合TTL應(yīng)用，因?yàn)?00％最小電流傳輸比率，LED電流為1.6 mA可以使用一個(gè)裝置和一個(gè)裝置進(jìn)行操作用一個(gè)2.2kΩ的上拉電阻進(jìn)行負(fù)載。

6N139最適合低功耗邏輯應(yīng)用涉及CMOS和低功耗TTL。 400％的電流保證僅有0.5mA的LED電流的傳輸比從0°C到70°C。

注意：由于該設(shè)備的幾何尺寸較小，應(yīng)該是采用靜電放電（ESD）預(yù)防措施進(jìn)行處理。正確接地將防止進(jìn)一步的損壞和/或降級(jí)可能是由ESD引起的。

電氣特性

封裝

6n138應(yīng)用電路圖（一）

變頻器根據(jù)主電路的設(shè)計(jì)不同，可以分為交-交、交-直-交變頻器和電壓型、電流型變頻器，它們均有各自的特點(diǎn)。變頻器的電流流入改善功率因數(shù)用的電容器，由于其充電電流造成變頻器過電流（OCT），所以不能起動(dòng)，作為對(duì)策，請(qǐng)將電容器拆除后運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至改善功率因數(shù)，在變頻器的輸入側(cè)接入AC電抗器是有效的。本文設(shè)計(jì)的變頻器屬于交-直-交電壓型，它的主電路由三相全波整流、電容濾波和智能功率模塊PM20CSJ060所構(gòu)成，如圖1所示。

PM20CSJ060內(nèi)部集成6個(gè)IGBT、柵極驅(qū)動(dòng)電路、欠電壓、過流、過熱、短路等保護(hù)電路以及故障信號(hào)輸出電路。P， N分別為直流輸入正負(fù)端；U， V， W為三相交流電壓輸出端；VUP1~VUPC， VVP1~VVPC， VWP1~VWPC， VN1~VNC是4組獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源，前3組分別供給U， V， W 3個(gè)上橋臂元件，第4組電源供給3個(gè)下橋臂元件和制動(dòng)回路元件；UP， VP，WP， UN， VN， WN分別為6個(gè)IGBT的基極驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)，它們都是低電平有效的電平信號(hào)，與外部控制電路之間通過光電隔離；F0是IPM模塊內(nèi)故障檢測(cè)電路的輸出信號(hào)，當(dāng)其為低電平時(shí)，表示模塊發(fā)生了過流、短路、欠電壓或過熱中的某種故障，它只是向外部控制電路提供指示信號(hào)，即使外部控制電路不采取措施，模塊也會(huì)通過自保護(hù)電路封鎖基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而將自己保護(hù)起來(lái)。

圖1 變頻器主電路

1） 控制電路設(shè)計(jì)

變頻器控制電路以ARM單片機(jī)LPC2292為控制核心，主要由電源電路、交流電壓電流檢測(cè)電路、直流電壓檢測(cè)電路、故障檢測(cè)與處理電路、PWM脈沖輸出電路、LCD顯示和鍵盤輸入電路等構(gòu)成。使用的交流供電電源，無(wú)論是用于家庭還是用于工廠，其電壓和頻率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz），等等。通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC）。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學(xué)術(shù)語(yǔ)為“inverter”（逆變器）。由于變頻器設(shè)備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產(chǎn)品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器，變頻器也可用于家電產(chǎn)品。使用變頻器的家電產(chǎn)品中不僅有電機(jī)（例如空調(diào)等），還有熒光燈等產(chǎn)品。用于電機(jī)控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。但用于熒光燈的變頻器主要用于調(diào)節(jié)電源供電的頻率。汽車上使用的由電池（直流電）產(chǎn)生交流電的設(shè)備也以“inverter”的名稱進(jìn)行出售。變頻器的工作原理被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。例如計(jì)算機(jī)電源的供電，在該項(xiàng)應(yīng)用中，變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動(dòng)及電源的瞬間斷電。

電源電路

控制電路所需的電源除了4組IGBT驅(qū)動(dòng)電源+15V以外，單片機(jī)LPC2292本身也需要工作電源，其CPU內(nèi)核需要+1.8V電源；I/O端口需要+3.3V電源。因此控制電路需要3種電壓的電源。4組+15V的電源我們是通過4個(gè)三端穩(wěn)壓器LM7815來(lái)實(shí)現(xiàn)的；而+1.8V和+3.3V電源則利用三端穩(wěn)壓器LM7805和LDO芯片（低壓差電源芯片）共同來(lái)實(shí)現(xiàn)。

交流電流電壓檢測(cè)電路

交流側(cè)的每相電流檢測(cè)采用的是TA17系列電流互感器TA17-04，由運(yùn)算放大電路將互感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，供單片機(jī)采樣。圖2（a）所示的是其中A相的電流檢測(cè)電路。TA17-04的輸入電流范圍為0~40A，輸出電流范圍為0~20mA，而單片機(jī)的采樣電壓范圍為0~3V，所以取反饋電阻Rf1=150Ω。

圖2交流電流電壓檢測(cè)電路

直流電壓檢測(cè)電路

直流電壓檢測(cè)是通過取濾波電容兩端電壓，經(jīng)過電阻分壓后轉(zhuǎn)換成0~5V電壓信號(hào)，然后經(jīng)過線性光電耦合器6N138整定為0~3V的電壓信號(hào)，通過電壓跟隨器輸出供單片機(jī)A/D通道采樣。

故障檢測(cè)與處理電路

PM20CSJ060有自保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)過流、欠壓、短路或過熱時(shí)，IMP的柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)（FO）；當(dāng)U， V或W相的任一個(gè)上橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，也會(huì)從相應(yīng)的輸出端輸出故障信號(hào)，另外系統(tǒng)增加的過壓/欠壓保護(hù)電路也有兩個(gè)故障輸出端。

PWM脈沖輸出電路

驅(qū)動(dòng)IPM內(nèi)部的六路IGBT的PWM脈沖先是從LPC2292內(nèi)部PWM脈寬調(diào)制器輸出的，然后通過光耦隔離后再送到IMP的六路脈沖輸入端。

2）保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

雖然PM20CSJ060有過流、欠壓、短路或過熱等自保護(hù)功能，但為了提高系統(tǒng)的可靠性和更好地保護(hù)IGBT，我們還是增加了一套快速而準(zhǔn)確的保護(hù)環(huán)節(jié)以防止各種故障的發(fā)生對(duì)系統(tǒng)造成的損壞。

欠壓/過壓保護(hù)電路

由于IGBT集電極與發(fā)射極之間的耐壓和承受反向壓降的能力有限，而電網(wǎng)的電壓波動(dòng)非常大，從而會(huì)導(dǎo)致直流回路過壓或欠壓，因此要設(shè)置直流電壓欠壓/過壓保護(hù)電路，以保護(hù)IGBT和其他元件不被損壞。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的欠壓/過壓保護(hù)電路，如圖3所示。圖中6N138為一個(gè)線性光電隔離器，輸出電壓信號(hào)與直流回路電壓成正比，當(dāng)直流回路電壓過低時(shí)，從6N138的VO端輸出一個(gè)較低電壓，與臨界欠電壓值相比較，小于則經(jīng)比較器LM393比較后輸出低電平的欠壓故障信號(hào)；當(dāng)直流回路電壓過高時(shí)，從6N138的VO端輸出一個(gè)較高電壓，與臨界過電壓值相比較，大于則經(jīng)比較器LM393比較后也輸出低電平的過壓故障信號(hào)。

圖3欠壓/過壓保護(hù)電路

限流起動(dòng)保護(hù)電路

此電路是用來(lái)防止在電機(jī)起動(dòng)過程中，電容充電電流過大而損壞整流管。當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流很大，為了保護(hù)整流管，在主電路上串了一個(gè)限流電阻R1，定時(shí)15s后，單片機(jī)就控制繼電器將常開觸點(diǎn)閉合，使限流電阻R1短路，結(jié)束限流起動(dòng)過程，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

泵升電壓保護(hù)電路

當(dāng)電機(jī)負(fù)載進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，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(duì)此電壓進(jìn)行限制，它將造成IGBT的永久損壞。產(chǎn)生泵升電壓是電機(jī)制動(dòng)過程不可避免的現(xiàn)象。
?變頻器以太網(wǎng)接口電路#e#

3）變頻器以太網(wǎng)接口電路的硬件設(shè)計(jì)

從硬件的角度看，以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口（PHY）兩大部分構(gòu)成，目前常見的以太網(wǎng)接口芯片，如RTL8019， RTL8029， RTL8039， CS8900等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也主要包含這兩部分。本文在設(shè)計(jì)以太網(wǎng)接口電路時(shí)，采用RTL8019AS作為以太網(wǎng)接口芯片，接口電路的電路圖如圖4所示，其中FC-518LS是網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器。

前面講過變頻器控制電路的設(shè)計(jì)，其中實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)控制功能的是微處理器LPC2292。由圖4可以看到，實(shí)現(xiàn)此變頻器的以太網(wǎng)接口功能，采用的微處理器仍然是LPC2292。那么也就是說(shuō)，LPC2292除了實(shí)現(xiàn)SVPWM波形的產(chǎn)生以外，還要負(fù)責(zé)與外界網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換。LPC2292采用PHILIPS LPC2292微處理器，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz工作頻率，片內(nèi)晶體振蕩器和片內(nèi)PLL。LPC2292是一款基于16/32位ARM7TDMI-S，并支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的CPU，并帶有256 k字節(jié)（kB）嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。 LPC2292采用144腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、2路高級(jí)CAN通道、PWM輸出以及多達(dá)9個(gè)的外部中斷，這款微控制器特別適合自動(dòng)化、工業(yè)控制、汽車、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和故障容限維護(hù)總線等應(yīng)用領(lǐng)域。其內(nèi)部可用GPIOs范圍為76腳（外部存儲(chǔ)區(qū)）到112腳（單片）。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器以及其它各種類型的應(yīng)用。

圖4以太網(wǎng)接口電路圖

6n138應(yīng)用電路圖（二）

數(shù)字控制變頻器系統(tǒng)主要由主電路和控制電路組成，主電路采用典型的電壓型交－直－交通用變頻器結(jié)構(gòu)；控制電路主要包括DSP數(shù)字控制器，由DSP、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路、保護(hù)電路以及輔助電源電路組成。主電路和控制電路原理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

主電路設(shè)計(jì)

數(shù)字控制變頻器主電路的原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，由濾波、整流、中間濾波、泵升吸收和逆變部分組成。輸入功率級(jí)采用三相橋式不可控全波整流電路，整流輸出經(jīng)過中間環(huán)節(jié)大電容濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出交變的脈沖電壓序列。

整流電路將交流動(dòng)力電變?yōu)橹绷麟姡鞠到y(tǒng)采用不可控全波整流模塊6RI75G-120。為防止電網(wǎng)或逆變器等產(chǎn)生的尖峰電壓對(duì)整流電路的沖擊，在直流輸出側(cè)并聯(lián)了一個(gè)可吸收高頻電壓的聚脂乙烯電容C4，取值為0.22 μF。整流電路輸出的直流電壓含有脈動(dòng)成分，逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流及負(fù)載變化也為直流電壓脈動(dòng)，由C1、C2濾波，取值為450 V、470 μF；R2、R3為均壓電阻，取值為5 W、100 kΩ；R1為充電限流電阻。啟動(dòng)變頻器后經(jīng)1 s～2 s，由J2繼電器短路，以減少變頻器正常工作時(shí)在中間直流環(huán)節(jié)上的功耗。逆變部分電路采用EUPEC的FF300R12KE3集成模塊，其內(nèi)部集成了2個(gè)IGBT單元，比較適合變頻逆變驅(qū)動(dòng)，其具體極限參數(shù)：集射極電壓VCES=1 200 V ，結(jié)溫80 ℃時(shí)集射極電流ICE=300 A，結(jié)溫25 ℃時(shí)集射極電流ICE=480 A，允許過流600 A，時(shí)間為1 ms，功率損耗為1 450 W，門極驅(qū)動(dòng)電壓為±20 V。

如圖2所示，TL、RL構(gòu)成泵升電壓吸收電路，當(dāng)電機(jī)負(fù)載進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，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。當(dāng)直流電壓上升到一定值時(shí)，控制TL導(dǎo)通，使這部分能量消耗在電阻RL上，確保變頻器可靠安全地工作。此外，由J1常閉觸點(diǎn)與R4組成斷電能量釋放電路。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或關(guān)機(jī)時(shí)，繼電器J1斷電，通過其常開觸點(diǎn)，將變頻器與電網(wǎng)斷開；而常閉觸點(diǎn)閉合，利用R4為中間回路大電容所儲(chǔ)存的能量提高釋放通道。

圖2 主電路原理結(jié)構(gòu)圖

以TMS320F2812為核心的數(shù)字控制電路如圖3所示。從圖中可以看出，控制系統(tǒng)主要包括：DSP及其外圍電路、信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路。其中，信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路主要完成對(duì)圖2輸出電流和輸出電壓采樣、A/D等功能，DSP產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管U1～U6。

圖3 變頻器數(shù)字控制系統(tǒng)框圖

TMS320LF240片內(nèi)集成了采樣保持電路和模擬多路轉(zhuǎn)換器的雙十位A/D轉(zhuǎn)換，為了盡量充分利用芯片資源，采用了片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行設(shè)計(jì)。使用雙減法電流［6］采樣電路，采樣方案中的運(yùn)算放大器是TLC2274。第一運(yùn)放U8A的輸出電壓為：

其中R1=R2，R3=Rn，則：

同樣，第二運(yùn)放U8A的輸出電壓為：

從霍爾電流傳感器輸出的Ui=2.5±△V，此電壓先后施加到由TLC2274構(gòu)成的兩個(gè)減法電路上，第一路以Ui減去傳感器采樣結(jié)果的中值參考電壓Uref（2.5V），然后再線性放大到A/D采樣所要求的電壓范圍；第二路則相反，再中值參考電壓Uref減去傳感器輸出電壓Ui，同樣也線性放大到合適的電壓范圍。Z1、Z2為兩個(gè)3.3V的穩(wěn)壓二極管，對(duì)運(yùn)放輸出電壓起到限幅作用。當(dāng)Ui值》Uref時(shí)，Uo1輸出為正電壓，且電壓范圍是0-3.3V，而由于二極管D2的存在使得電流不能注入到運(yùn)放中，故而第二路運(yùn)放不能輸出負(fù)電壓，而是鉗位在0V；當(dāng)Ui值《Uref時(shí)，Uo2輸出為正電壓。現(xiàn)樣由于二極管D1在存在使得第一路運(yùn)放不能輸出負(fù)電壓，也是鉗位在0V。在一個(gè)正弦波周期內(nèi)的某一時(shí)刻只會(huì)有一路信號(hào)輸出，這比常規(guī)方法采樣窗口要寬一倍，從而提高了采樣精度。

由于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流非常大或因控制回路、驅(qū)動(dòng)電路等誤動(dòng)作，造成輸出電路短路等故障，導(dǎo)致過大的電流流過IGBT，且電流變化非常快，元件承受高電壓、大電流，因此需要一種能快速檢測(cè)出過大電流的電路。可以采用2SD315A自身檢測(cè)和檢測(cè)直流母線的雙重檢測(cè)以及在故障發(fā)生時(shí)，采用軟、硬件同時(shí)封鎖的方法。直流母線電壓的變化，對(duì)整個(gè)逆變系統(tǒng)有較大的影響。當(dāng)母線電壓過低，電網(wǎng)輸出不能達(dá)到系統(tǒng)要求時(shí)，需要盡快切斷電源，防止對(duì)電機(jī)或者逆變系統(tǒng)造成破壞；相反，母線電壓過高，很容易使功率驅(qū)動(dòng)管燒毀。為有效地保護(hù)功率IGBT和直流濾波電容，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了母線電壓過欠壓保護(hù)電路，故障檢測(cè)原理如圖4所示。圖中6N138為一個(gè)線性光電隔離器，輸出電壓信號(hào)與母線電壓成正比，當(dāng)通過光電隔離器件后，可以直接供給DSP控制系統(tǒng)進(jìn)行采樣。同時(shí)，將輸出Vlimit信號(hào)送至DSP，觸發(fā)中斷保護(hù)。

圖4 故障檢測(cè)原理圖