一種簡(jiǎn)易數(shù)字控制的三相逆變電源的研制

摘要：研制了一種新型的三相逆變電源，采取了一種新型的SPWM數(shù)字控制方案，分析了其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：輸出波形達(dá)到要求，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低，方案可行。

關(guān)鍵詞：數(shù)字控制；三相逆變電源；推挽電路

1  引言

    逆變電路較為常用的是SPWM控制方式。這種方式較容易用模擬電路實(shí)現(xiàn)，但脈沖穩(wěn)定性和抗干擾能力差。市售的用于三相逆變電源的數(shù)字控制集成芯片，如HEF4752等，又存在運(yùn)算速度受處理器的字長因素影響、價(jià)格昂貴等問題。本文介紹了一種用高頻開關(guān)電源代替變壓器升壓和隔離的三相逆變電源系統(tǒng)，提出了一種新型實(shí)用的預(yù)置相位PWM數(shù)字控制方案，其基本思想是將SPWM對(duì)應(yīng)于開關(guān)管的脈寬通過仿真預(yù)先計(jì)算出來，轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)后存儲(chǔ)于EPROM內(nèi)。經(jīng)地址掃描、鎖存后，將預(yù)置于EPROM內(nèi)的數(shù)值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖，以驅(qū)動(dòng)逆變器主電路開關(guān)管。逆變控制電路僅采用一片EPROM及幾片集成芯片構(gòu)成，整個(gè)控制器硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了成本。

2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

    圖1給出了本文所提出的三相中頻逆變電源的系統(tǒng)原理框圖。該系統(tǒng)由推挽式開關(guān)電源與三相逆變電源有機(jī)地結(jié)合起來，是通過直流－交流－直流－交流的變流方式完成的，逆變電路部分調(diào)制比不變，通過調(diào)節(jié)推挽電路的占空比達(dá)到穩(wěn)定交流輸出電壓的目的。其主要組成部分有主電路、檢測(cè)保護(hù)電路和控制電路。

圖1  三相逆變電源原理框圖

2.1  推挽升壓電路

    根據(jù)電路輸入電壓低，電流大的實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)比了目前常用的推挽式、半橋式、全橋式的優(yōu)缺點(diǎn)后，升壓電路采用了推挽變換電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。它具有使用功率開關(guān)器件數(shù)量少、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)?？刂萍尚酒捎肨L494，芯片提供了一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(5V±1％),其內(nèi)部誤差放大器有一個(gè)共模電壓范圍，工作電壓范圍寬(8～40V),最高工作頻率可達(dá)300kHz，在CT腳和放電腳之間用單個(gè)電阻連接可對(duì)死區(qū)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

圖2  推挽升壓電路

    假設(shè)變壓器變比為N₂/N₁，D為V₁、V₂控制脈沖的占空比，則輸出電壓V_o1為

    V_o1=2DV_in(N₂/N₁)(1)

由式（1）可知，只要調(diào)節(jié)占空比D即可調(diào)節(jié)直流側(cè)輸出電壓V_o1，從而改變交流輸出電壓，其中D由電壓反饋環(huán)節(jié)反饋并經(jīng)PID調(diào)節(jié)器處理后送至TL494的反饋輸入端（管腳3）。

2.2  逆變電路

    1)控制電路

    本文采用了一種新型的預(yù)置相位PWM波的數(shù)字控制方案，逆變器六個(gè)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)同某一調(diào)制比的SPWM脈沖相對(duì)應(yīng)（本實(shí)驗(yàn)電路中調(diào)制比為0.98），其出發(fā)點(diǎn)是由一片EPROM來存儲(chǔ)這六個(gè)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，同一橋端開關(guān)管之間相位互差120°,同橋臂上下開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通且有死區(qū)。其逆變驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3  三相逆變驅(qū)動(dòng)電路 [!--empirenews.page--]

    預(yù)置于EPROM內(nèi)的數(shù)值由多種方式產(chǎn)生，常見的是先計(jì)算出來并存表，對(duì)應(yīng)于不同的基波頻率，按一定規(guī)律算出相對(duì)應(yīng)的脈寬，再轉(zhuǎn)換成數(shù)值。本文通過建立起三相逆變電路SPWM控制的模型，采用MATLAB仿真，M-file程序加死區(qū)處理后得到如圖4所示的控制開關(guān)管的脈沖波形。

(a)對(duì)應(yīng)開關(guān)管V_T1

(b)對(duì)應(yīng)開關(guān)管V_T4

圖4  對(duì)應(yīng)開關(guān)管的控制脈沖

可見，同一橋臂兩開關(guān)管V_T1與V_T4的控制脈沖滿足互補(bǔ)導(dǎo)通關(guān)系。將一個(gè)周期取樣，高電平“1”對(duì)應(yīng)開關(guān)管導(dǎo)通，低電平“0”對(duì)應(yīng)開關(guān)管關(guān)斷，就可將一周期內(nèi)任一時(shí)刻六個(gè)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制數(shù)010110、010100、110100......依此類推，可得出任一時(shí)刻的六個(gè)開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)。將這些二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制后存儲(chǔ)于EPROM內(nèi)，再經(jīng)如圖5所示的SPWM波生成原理圖轉(zhuǎn)換后，就可將這些存儲(chǔ)于EPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成任一時(shí)刻開關(guān)管對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。修改MATLAB程序，可得到不同的開關(guān)頻率，也可改變調(diào)制比和輸出的基波頻率。

圖5  SPWM波生成原理圖

    2）驅(qū)動(dòng)電路

    本文采用的是由IR2130為核心元件及其外圍元器件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，集控制電路、電平轉(zhuǎn)換、低阻抗輸出和識(shí)別保護(hù)等為一體。僅需一路輔助電源供電，較常規(guī)的驅(qū)動(dòng)電路省去了三路輔助電源，幾個(gè)外圍分立元器件就可使三相橋式電路的邏輯控制信號(hào)與MOS柵極器件完整連接。

2.3  檢測(cè)與保護(hù)電路

    檢測(cè)電路主要有直流輸入電流檢測(cè)、推挽直流輸出電壓檢測(cè)、交流輸出電壓檢測(cè)等。根據(jù)直流輸入電流的檢測(cè)結(jié)果，可判斷推挽環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)有無過載和短路現(xiàn)象，若有，則通過保護(hù)電路封鎖控制信號(hào)脈沖使推挽升壓電路和逆變電路均停止工作；交流輸出電壓檢測(cè)電路一方面將電壓反饋至推挽環(huán)節(jié)的調(diào)整電路以調(diào)整逆變器的輸出電壓，另一方面送至保護(hù)電路，當(dāng)輸出電壓過高時(shí)封鎖輸出電壓脈沖，以上保護(hù)信號(hào)還可轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)送至IR2130的腳9（Itrip端），當(dāng)該信號(hào)大于其內(nèi)置的0.5V參考電位時(shí)，IR2130就封鎖六路開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，起到了雙重保護(hù)作用。

3  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    根據(jù)上述理論，設(shè)計(jì)了一臺(tái)樣機(jī)。主要技術(shù)指標(biāo)為

    蓄電池電壓在22～26V之間變化；

    輸出交流電壓為110V±3％；

    頻率為400Hz±0.1％；

    輸出功率為500W。 [!--empirenews.page--]

3.1  電路參數(shù)

    推挽升壓電路    功率管選用兩只2SK1506并聯(lián)，開關(guān)頻率為40kHz。

    逆變電路    輸出濾波電感為1mH，濾波電容為5μF，功率管選用IRF840，開關(guān)頻率為10kHz。

3.2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    圖6為同一橋臂上下兩管（開關(guān)管V_T1、V_T4）的驅(qū)動(dòng)波形，可見，死區(qū)時(shí)間的加入使兩管的驅(qū)動(dòng)波形不完全滿足互補(bǔ)導(dǎo)通關(guān)系。圖7為三相（圖中僅示出兩相）逆變電源輸出電壓波形，由圖可見其輸出波形正弦度較好，滿足預(yù)定的性能指標(biāo)。

圖6  MOSFET的驅(qū)動(dòng)波形(5V/div，100μs/div)

上管對(duì)應(yīng)V_T1的驅(qū)動(dòng)波形

下管對(duì)應(yīng)V_T4的驅(qū)動(dòng)波形

圖7  逆變器輸出電壓波形（50V/div,2.5ms/div）

4  結(jié)語

    理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，本文提出的這種新型、簡(jiǎn)易的三相逆變電源的數(shù)字控制方案是一種可行的SPWM控制方案。由于采用了數(shù)字控制方案，它具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可靠性高，而且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、電路成本低，具有較高的性價(jià)比。