6n138中文资料及应用电路图 - 全文

6n138引脚图

6n138特征

描述：

高共模瞬态免疫力非常高电流比与5300 VRMS绝缘一起通过耦合和集成高增益的LED实现采用8引脚双列直插式封装的光电探测器。用于光电二极管和输出级启用的独立引脚TTL兼容饱和电压高速操作。

进入基地终端可以调整增益带宽。

6N138非常适合TTL应用，因为300％最小电流传输比率，LED电流为1.6 mA可以使用一个装置和一个装置进行操作用一个2.2kΩ的上拉电阻进行负载。

6N139最适合低功耗逻辑应用涉及CMOS和低功耗TTL。 400％的电流保证仅有0.5mA的LED电流的传输比从0°C到70°C。

注意：由于该设备的几何尺寸较小，应该是采用静电放电（ESD）预防措施进行处理。正确接地将防止进一步的损坏和/或降级可能是由ESD引起的。

电气特性

封装

6n138应用电路图（一）

变频器根据主电路的设计不同，可以分为交-交、交-直-交变频器和电压型、电流型变频器，它们均有各自的特点。变频器的电流流入改善功率因数用的电容器，由于其充电电流造成变频器过电流（OCT），所以不能起动，作为对策，请将电容器拆除后运转，甚至改善功率因数，在变频器的输入侧接入AC电抗器是有效的。本文设计的变频器属于交-直-交电压型，它的主电路由三相全波整流、电容滤波和智能功率模块PM20CSJ060所构成，如图1所示。

PM20CSJ060内部集成6个IGBT、栅极驱动电路、欠电压、过流、过热、短路等保护电路以及故障信号输出电路。P， N分别为直流输入正负端；U， V， W为三相交流电压输出端；VUP1~VUPC， VVP1~VVPC， VWP1~VWPC， VN1~VNC是4组独立的驱动电源，前3组分别供给U， V， W 3个上桥臂元件，第4组电源供给3个下桥臂元件和制动回路元件；UP， VP，WP， UN， VN， WN分别为6个IGBT的基极驱动输入信号，它们都是低电平有效的电平信号，与外部控制电路之间通过光电隔离；F0是IPM模块内故障检测电路的输出信号，当其为低电平时，表示模块发生了过流、短路、欠电压或过热中的某种故障，它只是向外部控制电路提供指示信号，即使外部控制电路不采取措施，模块也会通过自保护电路封锁基极驱动信号，从而将自己保护起来。

图1 变频器主电路

1） 控制电路设计

变频器控制电路以ARM单片机LPC2292为控制核心，主要由电源电路、交流电压电流检测电路、直流电压检测电路、故障检测与处理电路、PWM脉冲输出电路、LCD显示和键盘输入电路等构成。使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz），等等。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC）。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”（逆变器）。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器，变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。汽车上使用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。

电源电路

控制电路所需的电源除了4组IGBT驱动电源+15V以外，单片机LPC2292本身也需要工作电源，其CPU内核需要+1.8V电源；I/O端口需要+3.3V电源。因此控制电路需要3种电压的电源。4组+15V的电源我们是通过4个三端稳压器LM7815来实现的；而+1.8V和+3.3V电源则利用三端稳压器LM7805和LDO芯片（低压差电源芯片）共同来实现。

交流电流电压检测电路

交流侧的每相电流检测采用的是TA17系列电流互感器TA17-04，由运算放大电路将互感器输出的电流信号转换成对应的电压信号，供单片机采样。图2（a）所示的是其中A相的电流检测电路。TA17-04的输入电流范围为0~40A，输出电流范围为0~20mA，而单片机的采样电压范围为0~3V，所以取反馈电阻Rf1=150Ω。

图2交流电流电压检测电路

直流电压检测电路

直流电压检测是通过取滤波电容两端电压，经过电阻分压后转换成0~5V电压信号，然后经过线性光电耦合器6N138整定为0~3V的电压信号，通过电压跟随器输出供单片机A/D通道采样。

故障检测与处理电路

PM20CSJ060有自保护功能，当出现过流、欠压、短路或过热时，IMP的栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号（FO）；当U， V或W相的任一个上桥臂出现故障时，也会从相应的输出端输出故障信号，另外系统增加的过压/欠压保护电路也有两个故障输出端。

PWM脉冲输出电路

驱动IPM内部的六路IGBT的PWM脉冲先是从LPC2292内部PWM脉宽调制器输出的，然后通过光耦隔离后再送到IMP的六路脉冲输入端。

2）保护电路的设计

虽然PM20CSJ060有过流、欠压、短路或过热等自保护功能，但为了提高系统的可靠性和更好地保护IGBT，我们还是增加了一套快速而准确的保护环节以防止各种故障的发生对系统造成的损坏。

欠压/过压保护电路

由于IGBT集电极与发射极之间的耐压和承受反向压降的能力有限，而电网的电压波动非常大，从而会导致直流回路过压或欠压，因此要设置直流电压欠压/过压保护电路，以保护IGBT和其他元件不被损坏。系统设计的欠压/过压保护电路，如图3所示。图中6N138为一个线性光电隔离器，输出电压信号与直流回路电压成正比，当直流回路电压过低时，从6N138的VO端输出一个较低电压，与临界欠电压值相比较，小于则经比较器LM393比较后输出低电平的欠压故障信号；当直流回路电压过高时，从6N138的VO端输出一个较高电压，与临界过电压值相比较，大于则经比较器LM393比较后也输出低电平的过压故障信号。

图3欠压/过压保护电路

限流起动保护电路

此电路是用来防止在电机起动过程中，电容充电电流过大而损坏整流管。当电机起动时，起动电流很大，为了保护整流管，在主电路上串了一个限流电阻R1，定时15s后，单片机就控制继电器将常开触点闭合，使限流电阻R1短路，结束限流起动过程，进入正常运行状态。

泵升电压保护电路

当电机负载进入制动状态时，反馈电流将向中间直流回路电容充电，导致直流电压上升，产生所谓的泵升电压。如果不对此电压进行限制，它将造成IGBT的永久损坏。产生泵升电压是电机制动过程不可避免的现象。
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3）变频器以太网接口电路的硬件设计

从硬件的角度看，以太网接口电路主要由MAC控制器和物理层接口（PHY）两大部分构成，目前常见的以太网接口芯片，如RTL8019， RTL8029， RTL8039， CS8900等，其内部结构也主要包含这两部分。本文在设计以太网接口电路时，采用RTL8019AS作为以太网接口芯片，接口电路的电路图如图4所示，其中FC-518LS是网络隔离变压器。

前面讲过变频器控制电路的设计，其中实现整个系统控制功能的是微处理器LPC2292。由图4可以看到，实现此变频器的以太网接口功能，采用的微处理器仍然是LPC2292。那么也就是说，LPC2292除了实现SVPWM波形的产生以外，还要负责与外界网络的数据交换。LPC2292采用PHILIPS LPC2292微处理器，可实现高达60MHz工作频率，片内晶体振荡器和片内PLL。LPC2292是一款基于16/32位ARM7TDMI-S，并支持实时仿真和跟踪的CPU，并带有256 k字节（kB）嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。 LPC2292采用144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2路高级CAN通道、PWM输出以及多达9个的外部中断，这款微控制器特别适合自动化、工业控制、汽车、医疗系统、访问控制和故障容限维护总线等应用领域。其内部可用GPIOs范围为76脚（外部存储区）到112脚（单片）。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。

图4以太网接口电路图

6n138应用电路图（二）

数字控制变频器系统主要由主电路和控制电路组成，主电路采用典型的电压型交－直－交通用变频器结构；控制电路主要包括DSP数字控制器，由DSP、驱动电路、检测电路、保护电路以及辅助电源电路组成。主电路和控制电路原理系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

主电路设计

数字控制变频器主电路的原理结构图如图2所示，由滤波、整流、中间滤波、泵升吸收和逆变部分组成。输入功率级采用三相桥式不可控全波整流电路，整流输出经过中间环节大电容滤波，获得平滑的直流电压。逆变部分通过功率管的导通和关断，输出交变的脉冲电压序列。

整流电路将交流动力电变为直流电，本系统采用不可控全波整流模块6RI75G-120。为防止电网或逆变器等产生的尖峰电压对整流电路的冲击，在直流输出侧并联了一个可吸收高频电压的聚脂乙烯电容C4，取值为0.22 μF。整流电路输出的直流电压含有脉动成分，逆变部分产生的脉动电流及负载变化也为直流电压脉动，由C1、C2滤波，取值为450 V、470 μF；R2、R3为均压电阻，取值为5 W、100 kΩ；R1为充电限流电阻。启动变频器后经1 s～2 s，由J2继电器短路，以减少变频器正常工作时在中间直流环节上的功耗。逆变部分电路采用EUPEC的FF300R12KE3集成模块，其内部集成了2个IGBT单元，比较适合变频逆变驱动，其具体极限参数：集射极电压VCES=1 200 V ，结温80 ℃时集射极电流ICE=300 A，结温25 ℃时集射极电流ICE=480 A，允许过流600 A，时间为1 ms，功率损耗为1 450 W，门极驱动电压为±20 V。

如图2所示，TL、RL构成泵升电压吸收电路，当电机负载进入制动状态时，反馈电流将向中间直流回路电容充电，导致直流电压上升。当直流电压上升到一定值时，控制TL导通，使这部分能量消耗在电阻RL上，确保变频器可靠安全地工作。此外，由J1常闭触点与R4组成断电能量释放电路。当系统发生故障或关机时，继电器J1断电，通过其常开触点，将变频器与电网断开；而常闭触点闭合，利用R4为中间回路大电容所储存的能量提高释放通道。

图2 主电路原理结构图

以TMS320F2812为核心的数字控制电路如图3所示。从图中可以看出，控制系统主要包括：DSP及其外围电路、信号检测与调理电路、驱动电路和保护电路。其中，信号检测与调理电路主要完成对图2输出电流和输出电压采样、A/D等功能，DSP产生脉冲信号，通过D/A转换后驱动功率开关管U1～U6。

图3 变频器数字控制系统框图

TMS320LF240片内集成了采样保持电路和模拟多路转换器的双十位A/D转换，为了尽量充分利用芯片资源，采用了片内A/D转换进行设计。使用双减法电流［6］采样电路，采样方案中的运算放大器是TLC2274。第一运放U8A的输出电压为：

其中R1=R2，R3=Rn，则：

同样，第二运放U8A的输出电压为：

从霍尔电流传感器输出的Ui=2.5±△V，此电压先后施加到由TLC2274构成的两个减法电路上，第一路以Ui减去传感器采样结果的中值参考电压Uref（2.5V），然后再线性放大到A/D采样所要求的电压范围；第二路则相反，再中值参考电压Uref减去传感器输出电压Ui，同样也线性放大到合适的电压范围。Z1、Z2为两个3.3V的稳压二极管，对运放输出电压起到限幅作用。当Ui值》Uref时，Uo1输出为正电压，且电压范围是0-3.3V，而由于二极管D2的存在使得电流不能注入到运放中，故而第二路运放不能输出负电压，而是钳位在0V；当Ui值《Uref时，Uo2输出为正电压。现样由于二极管D1在存在使得第一路运放不能输出负电压，也是钳位在0V。在一个正弦波周期内的某一时刻只会有一路信号输出，这比常规方法采样窗口要宽一倍，从而提高了采样精度。

由于电机启动时的电流非常大或因控制回路、驱动电路等误动作，造成输出电路短路等故障，导致过大的电流流过IGBT，且电流变化非常快，元件承受高电压、大电流，因此需要一种能快速检测出过大电流的电路。可以采用2SD315A自身检测和检测直流母线的双重检测以及在故障发生时，采用软、硬件同时封锁的方法。直流母线电压的变化，对整个逆变系统有较大的影响。当母线电压过低，电网输出不能达到系统要求时，需要尽快切断电源，防止对电机或者逆变系统造成破坏；相反，母线电压过高，很容易使功率驱动管烧毁。为有效地保护功率IGBT和直流滤波电容，系统设计了母线电压过欠压保护电路，故障检测原理如图4所示。图中6N138为一个线性光电隔离器，输出电压信号与母线电压成正比，当通过光电隔离器件后，可以直接供给DSP控制系统进行采样。同时，将输出Vlimit信号送至DSP，触发中断保护。

图4 故障检测原理图