基于瑞薩H8／3687的小型發(fā)電機(jī)逆變電源的研制

摘要：提出了一種穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)的小型發(fā)電機(jī)逆變電源的設(shè)計(jì)方案。采用瑞薩科技的工業(yè)級(jí)電機(jī)控制專用處理器H8／3687作為控制核心，產(chǎn)生頻率為12．5 kHz的高額SPWM脈寬調(diào)制信號(hào)，SPWM信號(hào)通過結(jié)合具有高頻抗干擾技術(shù)的驅(qū)動(dòng)電路，將低壓的控制信號(hào)和高電壓信號(hào)隔離開，避免了高壓信號(hào)對控制信號(hào)的影響。最后有效地驅(qū)動(dòng)了組成逆變橋的IGBT。實(shí)驗(yàn)表明，這種小型發(fā)電機(jī)逆變電源能夠在較強(qiáng)的外界干擾下平穩(wěn)運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)220 V／50 Hz交流電的穩(wěn)定輸出，且輸出誤差保持在±3％的范圍內(nèi)。
關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；脈寬調(diào)制；逆變；瑞薩單片機(jī)；H8／3687

    汽油發(fā)電機(jī)組是將發(fā)電機(jī)輸出的原始電壓通過電力電子技術(shù)的處理，然后再輸出給負(fù)載。開發(fā)出體積小運(yùn)行穩(wěn)定可靠的發(fā)電機(jī)逆變電源，能節(jié)省能源并具有廣泛的市場前景。

1 瑞薩H8／3687單片機(jī)簡介
    瑞薩H8／3687單片機(jī)是一種高精度控制的工業(yè)級(jí)電機(jī)專用處理器，運(yùn)行速度高、處理功能強(qiáng)大，具有豐富的片內(nèi)外圍設(shè)備，便于接口和模塊化設(shè)計(jì)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)字馬達(dá)控制、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)各種電源設(shè)備。該單片機(jī)具體性能指標(biāo)如下：1)高性能靜態(tài)COMS技術(shù)，主頻可達(dá)20 MHz，超低功耗設(shè)計(jì)，抗干擾能力強(qiáng)；2)內(nèi)置32 K×16 bit的ROM程序存儲(chǔ)器；3)動(dòng)態(tài)PLL，主頻可由軟件編程修改；4)8通道10位A／D轉(zhuǎn)換器，雙采樣，保持最小轉(zhuǎn)換時(shí)間3．5μs；5)2個(gè)串行通信接口(SCI)、同步時(shí)鐘模式的I2C總線接口。

2 發(fā)電機(jī)逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    發(fā)電機(jī)逆變電源系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。汽油機(jī)的汽缸經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、膨脹和排氣4個(gè)過程，將熱能轉(zhuǎn)變成為機(jī)械能，然后經(jīng)過曲軸連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)，輸出電壓為330～470 V，頻率為150～330 Hz的交流電；經(jīng)過整流電路和大電容濾波電路進(jìn)入單相全橋逆變電路。


    控制電路以瑞薩H8／3687單片機(jī)為核心，產(chǎn)生單相逆變電路工作所需要的SPWM信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路，使得單相全橋逆變主電路輸出高頻脈寬調(diào)制型交流電。該交流電再經(jīng)輸出濾波器處理最后得到穩(wěn)定、純凈的正弦波交流電。輸出母線電壓通過霍爾電流傳感器的采樣并將檢測量送到單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換端口。
2．1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    發(fā)電機(jī)逆變電源的硬件主要由整流電路、濾波電路、單相逆變電路和控制電路組成。整流電路為三相橋式不可控整流電路；整流電路和逆變電路之間采用大電容構(gòu)成加突波吸收器，有效濾除整流環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的高次諧波，防止發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間的相互干擾；經(jīng)過單相全橋逆變電路和LC濾波電路，最后得到所需的單相220 V／50 Hz正弦波交流電輸出。該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的核心是逆變電路中IGBT驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。
2．1．1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    IGBT的驅(qū)動(dòng)電路必須具備2個(gè)功能：1)實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)IGBT柵極的電隔離；2)提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。本設(shè)計(jì)采用2ED020I12-F作為IGBT驅(qū)動(dòng)器，2ED020I12-F不僅體積小而且速度快，工作頻率最高可達(dá)60 kHz，開通和關(guān)斷延時(shí)分別為120 ns和94 ns：并采用高端懸浮自舉電源設(shè)計(jì)，單相橋式電路中，僅用一組電源即可，簡化設(shè)計(jì)和節(jié)省成本。2ED020I12-F用于半橋驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。圖中 C1、VDb分別為自舉電容和二極管，C2為濾波電容。假定在VQ1關(guān)斷期間C1已經(jīng)充電完成。當(dāng)高端輸入為高電平時(shí)，VQ1導(dǎo)通，VQ2關(guān)斷，VCC加到VQ1的柵極和源極之間。隨著VQ1的導(dǎo)通，VQ1源極電壓接近直流母線的正端電壓，由于C1的電壓不能突變，C1上的電壓被抬高，維持VQ1柵極和源極的電位差，令VQ1維持導(dǎo)通。當(dāng)高端輸入為低電平時(shí)，VQ1截止，VQ2導(dǎo)通，C1通過VQ2進(jìn)行充電，迅速為VQ1補(bǔ)充能量，如此循環(huán)反復(fù)。


    VDb和C1是在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)需要嚴(yán)格挑選和設(shè)計(jì)的元器件，既不能太大影響窄脈沖的驅(qū)動(dòng)性能，也不能太小而影響寬脈沖的驅(qū)動(dòng)要求。自舉二極管VDb應(yīng)該選擇反向漏電流小的快恢復(fù)二極管，以減少電荷的損失。[!--empirenews.page--]
2．1．2 IGBT保護(hù)電路設(shè)計(jì)
    2ED020I12-F不能產(chǎn)生負(fù)偏壓，逆變電路中處于關(guān)斷狀態(tài)下的IGBT由于其反并聯(lián)二極管的恢復(fù)過程，將承受C-E電壓的急劇上升，這種現(xiàn)象稱為密勒效應(yīng)。由于密勒效應(yīng)，IGBT門極驅(qū)動(dòng)電壓增加，甚至導(dǎo)致IGWT被導(dǎo)通，上下IGBT直通，橋臂短路。
    針對2ED020I12-F的不足，在上下橋臂的驅(qū)動(dòng)電路中加上由電容和5 V穩(wěn)壓管并聯(lián)組成的負(fù)壓電路。工作原理為，電源電壓為18 V，電源通過電阻R7給電容C6充電，電容C6兩端電壓為+5 V。當(dāng)InL輸入為高電平時(shí)，OUTL輸出為高電壓18 V，這時(shí)加在下橋臂VQ2柵極上的電壓為18 V-5 V=13 V，IGBT正常道通。當(dāng)InL輸入為低電平時(shí)，OUTL輸出為O V，此時(shí)柵極上的電壓為-5 V，實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓；同理適用于上橋臂。
    為使IGBT關(guān)斷時(shí)過電壓能得到有效抑制并減小關(guān)斷損耗，通常為IGBT主電路設(shè)置關(guān)斷緩沖吸收電路。本設(shè)計(jì)中采用RCD型關(guān)斷緩沖吸收電路，電容C7、 C8使IGBT關(guān)斷時(shí)電壓緩升，因此稱為緩壓電容，電阻R3、R4的作用是限制IGBT導(dǎo)通時(shí)電容C7、C8中儲(chǔ)能沿IGBT流過的電流。IG-BT關(guān)斷時(shí)，充電電流在電阻R3、R4上會(huì)產(chǎn)生壓降，二極管VD的作用是旁路電阻上的充電電流，克服過沖電壓。對緩沖吸收電路的要求是：1)盡量減小主電路的布線電感L；2)吸收電容應(yīng)采用低感吸收電容，其引線應(yīng)盡量短，最好直接接在IGBT的端子：3)吸收二極管應(yīng)選用快開通和快速恢復(fù)二極管，以免產(chǎn)生開通過電壓和反向恢復(fù)引起較大的振蕩過電壓。
2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及算法實(shí)現(xiàn)
2．2．1 PWM的基本原理
    如圖3所示，把半個(gè)周期正弦波波形分成n等分，可以把正弦波看成幅值不等的n個(gè)彼此相連寬度相等的脈沖所組成，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。把n個(gè)脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖替代，矩形脈沖和相應(yīng)的正弦等分的面積(沖量)相等，這就是脈寬調(diào)制波形。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，脈寬調(diào)制波形和正弦半波是等效的。在正弦脈寬調(diào)制波形中，各脈沖的幅值都是相等的，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度，就可以改變等效輸出正弦波的幅值。發(fā)電機(jī)逆變電源輸出正弦波交流電為Ursin(wt)，則電壓幅值為Ur。輸出脈沖幅值為Uo，在線計(jì)算出IGBT每個(gè)載波周期內(nèi)的開通時(shí)間為：
   

2．2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    H8／3687主要用于控制和數(shù)據(jù)處理，并具備產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)的功能，通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)IGBT，A／D接口采集電壓檢測和電流檢測的模擬信號(hào)，對關(guān)鍵功率器件的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)的程序流程如圖4所示。載波頻率取12．5 kHz，則載波周期T1=50μs，所以參考波在一個(gè)周期內(nèi)的載波數(shù)為n=12．5 kHz／50Hz=250，可通過式(1)在線計(jì)算出IGBT一個(gè)載波內(nèi)的開通時(shí)間。

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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    建立了以IGBT為逆變器核心的實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)電動(dòng)機(jī)采用HT2700L，2．2 kW，IGBT開關(guān)頻率12．5 kHz，單片機(jī)不采用倍頻，基頻為20 MHz。這里用安捷倫示波器采集單片機(jī)輸出的SPWM信號(hào)波形和逆變電源輸出波形，如圖5和圖6所示。瑞薩H8／3687單片機(jī)產(chǎn)生的單極性SPWM脈沖信號(hào)穩(wěn)定無干擾；逆變電源輸出電壓波形的正弦度很高，波形好，這就說明輸出電壓的總諧波含量較低?；趩螛O性SPWM逆變控制方法有效，逆變電源的軟、硬件設(shè)計(jì)正確合理。



4 結(jié)論
    本設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的瑞薩H8／3687工業(yè)控制單片機(jī)，增強(qiáng)了系統(tǒng)在惡劣條件下工作的穩(wěn)定性；采用了新型的驅(qū)動(dòng)器2ED020I12-F，不僅提高了IGWT工作的可靠性，而且大大簡化了驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，減小了產(chǎn)品體積，減輕產(chǎn)品重量，拓展了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。