6n138引腳圖

6n138特征

描述：

高共模瞬態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實現采用8引腳雙列直插式封裝的光電探測器。用于光電二極管和輸出級啟用的獨立引腳TTL兼容飽和電壓高速操作。

進入基地終端可以調整增益帶寬。

6N138非常適合TTL應用，因為300％最小電流傳輸比率，LED電流為1.6 mA可以使用一個裝置和一個裝置進行操作用一個2.2kΩ的上拉電阻進行負載。

6N139最適合低功耗邏輯應用涉及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：由于該設備的幾何尺寸較小，應該是采用靜電放電（ESD）預防措施進行處理。正確接地將防止進一步的損壞和/或降級可能是由ESD引起的。

電氣特性

封裝

6n138應用電路圖（一）

變頻器根據主電路的設計不同，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。變頻器的電流流入改善功率因數用的電容器，由于其充電電流造成變頻器過電流（OCT），所以不能起動，作為對策，請將電容器拆除后運轉，甚至改善功率因數，在變頻器的輸入側接入AC電抗器是有效的。本文設計的變頻器屬于交-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所構成，如圖1所示。

PM20CSJ060內部集成6個IGBT、柵極驅動電路、欠電壓、過流、過熱、短路等保護電路以及故障信號輸出電路。P， N分別為直流輸入正負端；U， V， W為三相交流電壓輸出端；VUP1~VUPC， VVP1~VVPC， VWP1~VWPC， VN1~VNC是4組獨立的驅動電源，前3組分別供給U， V， W 3個上橋臂元件，第4組電源供給3個下橋臂元件和制動回路元件；UP， VP，WP， UN， VN， WN分別為6個IGBT的基極驅動輸入信號，它們都是低電平有效的電平信號，與外部控制電路之間通過光電隔離；F0是IPM模塊內故障檢測電路的輸出信號，當其為低電平時，表示模塊發生了過流、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，即使外部控制電路不采取措施，模塊也會通過自保護電路封鎖基極驅動信號，從而將自己保護起來。

圖1 變頻器主電路

1） 控制電路設計

變頻器控制電路以ARM單片機LPC2292為控制核心，主要由電源電路、交流電壓電流檢測電路、直流電壓檢測電路、故障檢測與處理電路、PWM脈沖輸出電路、LCD顯示和鍵盤輸入電路等構成。使用的交流供電電源，無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”。為了產生可變的電壓和頻率，該設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，其科學術語為“inverter”（逆變器）。由于變頻器設備中產生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器，變頻器也可用于家電產品。使用變頻器的家電產品中不僅有電機（例如空調等），還有熒光燈等產品。用于電機控制的變頻器，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節電源供電的頻率。汽車上使用的由電池（直流電）產生交流電的設備也以“inverter”的名稱進行出售。變頻器的工作原理被廣泛應用于各個領域。例如計算機電源的供電，在該項應用中，變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動及電源的瞬間斷電。

電源電路

控制電路所需的電源除了4組IGBT驅動電源+15V以外，單片機LPC2292本身也需要工作電源，其CPU內核需要+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個三端穩壓器LM7815來實現的；而+1.8V和+3.3V電源則利用三端穩壓器LM7805和LDO芯片（低壓差電源芯片）共同來實現。

交流電流電壓檢測電路

交流側的每相電流檢測采用的是TA17系列電流互感器TA17-04，由運算放大電路將互感器輸出的電流信號轉換成對應的電壓信號，供單片機采樣。圖2（a）所示的是其中A相的電流檢測電路。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交流電流電壓檢測電路

直流電壓檢測電路

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

故障檢測與處理電路

PM20CSJ060有自保護功能，當出現過流、欠壓、短路或過熱時，IMP的柵極驅動單元就會關斷電流并輸出一個故障信號（FO）；當U， V或W相的任一個上橋臂出現故障時，也會從相應的輸出端輸出故障信號，另外系統增加的過壓/欠壓保護電路也有兩個故障輸出端。

PWM脈沖輸出電路

驅動IPM內部的六路IGBT的PWM脈沖先是從LPC2292內部PWM脈寬調制器輸出的，然后通過光耦隔離后再送到IMP的六路脈沖輸入端。

2）保護電路的設計

雖然PM20CSJ060有過流、欠壓、短路或過熱等自保護功能，但為了提高系統的可靠性和更好地保護IGBT，我們還是增加了一套快速而準確的保護環節以防止各種故障的發生對系統造成的損壞。

欠壓/過壓保護電路

由于IGBT集電極與發射極之間的耐壓和承受反向壓降的能力有限，而電網的電壓波動非常大，從而會導致直流回路過壓或欠壓，因此要設置直流電壓欠壓/過壓保護電路，以保護IGBT和其他元件不被損壞。系統設計的欠壓/過壓保護電路，如圖3所示。圖中6N138為一個線性光電隔離器，輸出電壓信號與直流回路電壓成正比，當直流回路電壓過低時，從6N138的VO端輸出一個較低電壓，與臨界欠電壓值相比較，小于則經比較器LM393比較后輸出低電平的欠壓故障信號；當直流回路電壓過高時，從6N138的VO端輸出一個較高電壓，與臨界過電壓值相比較，大于則經比較器LM393比較后也輸出低電平的過壓故障信號。

圖3欠壓/過壓保護電路

限流起動保護電路

此電路是用來防止在電機起動過程中，電容充電電流過大而損壞整流管。當電機起動時，起動電流很大，為了保護整流管，在主電路上串了一個限流電阻R1，定時15s后，單片機就控制繼電器將常開觸點閉合，使限流電阻R1短路，結束限流起動過程，進入正常運行狀態。

泵升電壓保護電路

當電機負載進入制動狀態時，反饋電流將向中間直流回路電容充電，導致直流電壓上升，產生所謂的泵升電壓。如果不對此電壓進行限制，它將造成IGBT的永久損壞。產生泵升電壓是電機制動過程不可避免的現象。
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3）變頻器以太網接口電路的硬件設計

從硬件的角度看，以太網接口電路主要由MAC控制器和物理層接口（PHY）兩大部分構成，目前常見的以太網接口芯片，如RTL8019， RTL8029， RTL8039， CS8900等，其內部結構也主要包含這兩部分。本文在設計以太網接口電路時，采用RTL8019AS作為以太網接口芯片，接口電路的電路圖如圖4所示，其中FC-518LS是網絡隔離變壓器。

前面講過變頻器控制電路的設計，其中實現整個系統控制功能的是微處理器LPC2292。由圖4可以看到，實現此變頻器的以太網接口功能，采用的微處理器仍然是LPC2292。那么也就是說，LPC2292除了實現SVPWM波形的產生以外，還要負責與外界網絡的數據交換。LPC2292采用PHILIPS LPC2292微處理器，可實現高達60MHz工作頻率，片內晶體振蕩器和片內PLL。LPC2292是一款基于16/32位ARM7TDMI-S，并支持實時仿真和跟蹤的CPU，并帶有256 k字節（kB）嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過30%，而性能的損失卻很小。 LPC2292采用144腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、8路10位ADC、2路高級CAN通道、PWM輸出以及多達9個的外部中斷，這款微控制器特別適合自動化、工業控制、汽車、醫療系統、訪問控制和故障容限維護總線等應用領域。其內部可用GPIOs范圍為76腳（外部存儲區）到112腳（單片）。由于內置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網關、協議轉換器、嵌入式軟件調制解調器以及其它各種類型的應用。

圖4以太網接口電路圖

6n138應用電路圖（二）

數字控制變頻器系統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－交通用變頻器結構；控制電路主要包括DSP數字控制器，由DSP、驅動電路、檢測電路、保護電路以及輔助電源電路組成。主電路和控制電路原理系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

主電路設計

數字控制變頻器主電路的原理結構圖如圖2所示，由濾波、整流、中間濾波、泵升吸收和逆變部分組成。輸入功率級采用三相橋式不可控全波整流電路，整流輸出經過中間環節大電容濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過功率管的導通和關斷，輸出交變的脈沖電壓序列。

整流電路將交流動力電變為直流電，本系統采用不可控全波整流模塊6RI75G-120。為防止電網或逆變器等產生的尖峰電壓對整流電路的沖擊，在直流輸出側并聯了一個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成分，逆變部分產生的脈動電流及負載變化也為直流電壓脈動，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。啟動變頻器后經1 s～2 s，由J2繼電器短路，以減少變頻器正常工作時在中間直流環節上的功耗。逆變部分電路采用EUPEC的FF300R12KE3集成模塊，其內部集成了2個IGBT單元，比較適合變頻逆變驅動，其具體極限參數：集射極電壓VCES=1 200 V ，結溫80 ℃時集射極電流ICE=300 A，結溫25 ℃時集射極電流ICE=480 A，允許過流600 A，時間為1 ms，功率損耗為1 450 W，門極驅動電壓為±20 V。

如圖2所示，TL、RL構成泵升電壓吸收電路，當電機負載進入制動狀態時，反饋電流將向中間直流回路電容充電，導致直流電壓上升。當直流電壓上升到一定值時，控制TL導通，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常閉觸點與R4組成斷電能量釋放電路。當系統發生故障或關機時，繼電器J1斷電，通過其常開觸點，將變頻器與電網斷開；而常閉觸點閉合，利用R4為中間回路大電容所儲存的能量提高釋放通道。

圖2 主電路原理結構圖

以TMS320F2812為核心的數字控制電路如圖3所示。從圖中可以看出，控制系統主要包括：DSP及其外圍電路、信號檢測與調理電路、驅動電路和保護電路。其中，信號檢測與調理電路主要完成對圖2輸出電流和輸出電壓采樣、A/D等功能，DSP產生脈沖信號，通過D/A轉換后驅動功率開關管U1～U6。

圖3 變頻器數字控制系統框圖

TMS320LF240片內集成了采樣保持電路和模擬多路轉換器的雙十位A/D轉換，為了盡量充分利用芯片資源，采用了片內A/D轉換進行設計。使用雙減法電流［6］采樣電路，采樣方案中的運算放大器是TLC2274。第一運放U8A的輸出電壓為：

其中R1=R2，R3=Rn，則：

同樣，第二運放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構成的兩個減法電路上，第一路以Ui減去傳感器采樣結果的中值參考電壓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3.3V的穩壓二極管，對運放輸出電壓起到限幅作用。當Ui值》Uref時，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放中，故而第二路運放不能輸出負電壓，而是鉗位在0V；當Ui值《Uref時，Uo2輸出為正電壓。現樣由于二極管D1在存在使得第一路運放不能輸出負電壓，也是鉗位在0V。在一個正弦波周期內的某一時刻只會有一路信號輸出，這比常規方法采樣窗口要寬一倍，從而提高了采樣精度。

由于電機啟動時的電流非常大或因控制回路、驅動電路等誤動作，造成輸出電路短路等故障，導致過大的電流流過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出過大電流的電路。可以采用2SD315A自身檢測和檢測直流母線的雙重檢測以及在故障發生時，采用軟、硬件同時封鎖的方法。直流母線電壓的變化，對整個逆變系統有較大的影響。當母線電壓過低，電網輸出不能達到系統要求時，需要盡快切斷電源，防止對電機或者逆變系統造成破壞；相反，母線電壓過高，很容易使功率驅動管燒毀。為有效地保護功率IGBT和直流濾波電容，系統設計了母線電壓過欠壓保護電路，故障檢測原理如圖4所示。圖中6N138為一個線性光電隔離器，輸出電壓信號與母線電壓成正比，當通過光電隔離器件后，可以直接供給DSP控制系統進行采樣。同時，將輸出Vlimit信號送至DSP，觸發中斷保護。

圖4 故障檢測原理圖