小功率智能化中頻逆變電源的研制 小型化和高性能

研制一種基于TMS320LF2407A數(shù)字信號處理器和PS21964智能功率模塊（IPM）的智能化SPWM中頻逆變電源控制系統(tǒng)。對中頻逆變電源的功率主電路、控制電路以及保護(hù)電路等進(jìn)行了詳細(xì)闡述。實現(xiàn)了中頻逆變電源小型化和高性能的技術(shù)要求。


0 概述

在武器裝備電氣系統(tǒng)中，400Hz中頻逆變電源是其廣泛使用的電源之一。在對其綜合電氣系統(tǒng)中的各電氣設(shè)備進(jìn)行性能測試與故障診斷時，需要400Hz中頻逆變電源為其提供真實的模擬工作環(huán)境，以完成信號的采集與處理，從而判斷出系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對所發(fā)生的故障進(jìn)行精確定位?，F(xiàn)有的400Hz中頻逆變電源因其體積較大，不能滿足測試設(shè)備小型化的要求，因此，我們研制了一種小功率智能化中頻逆變電源，將其放在測試設(shè)備內(nèi)部，減小了測試設(shè)備的體積，提高了測試設(shè)備的可靠性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖1為中頻逆變電源硬件原理圖。

1.1 整流濾波電路

整流濾波電路是將220V、50Hz交流電通過全橋整流與電容濾波后得到311V直流電供給逆變電路中的IPM模塊，為其提供直流母線電壓。整流橋選用KBL608全橋整流模塊，電容濾波器選用2只450V、470μF的電解電容并聯(lián)。

1.2 逆變電路

逆變電路選用三菱公司的PS21964智能功率模塊。該模塊具有以下特點：1）逆變橋采用第5代平面型IGBT和CSTBT功率芯片，損耗更低；2）采用自舉電路結(jié)構(gòu)，可單電源驅(qū)動；3）內(nèi)置專用HVIC，可直接由DSP驅(qū)動；4）輸入接口電路采用高電平驅(qū)動，增強(qiáng)了模塊自保護(hù)能力；5）具有短路和控制電源欠壓保護(hù)，6）體積小，只有38×24×3.5mm.

由于電源設(shè)計輸出為單相交流電，而PS21964模塊內(nèi)部為三相逆變橋，故在電源設(shè)計時，選用其中兩相（U、V）。PS21964模塊既可單電源驅(qū)動，又可多電源驅(qū)動，設(shè)計時采用多電源驅(qū)動方式。在電路中，R18為電流檢測電阻，實現(xiàn)短路保護(hù)；R12、C5為濾波電路；由于PS21964模塊的故障輸出端為漏極開路型，因此增加了R13上拉電阻。

1.3 中頻變壓器與中頻濾波電路

中頻變壓器采用R型400Hz鐵芯，銅制漆包線繞制，變比為1.05：1.由于系統(tǒng)中的載波頻率為12kHz，因此中頻濾波器的截止頻率選為2kHz，借助中頻變壓器的漏感，根據(jù)計算公式計算可得濾波電容值為20μF，故選用耐壓值為600V的CBB電容。

圖2 中頻逆變電源主電路

1.4 電壓反饋電路

電壓反饋電路是將輸出電壓調(diào)理后反饋給DSP的A/D轉(zhuǎn)換端以實現(xiàn)電壓平均值閉環(huán)反饋控制。

由于輸出電壓為115V、400Hz交流電，首先利用變壓器將輸出電壓將變?yōu)?～5V的電壓信號，經(jīng)全橋整流、電阻分壓后反饋到DSP的ADCIN 01腳。如圖3所示。

1.5 DSP控制電路

TMS 3 2 O L F 2 4 O 7 A D S P控制電路主要由TMS320LF2407A芯片子系統(tǒng)和供電電路組成。TMS320LF2407A芯片子系統(tǒng)主要包括時鐘、復(fù)位、外部存儲、JTAG仿真接口等電路，其設(shè)計時可參考產(chǎn)品手冊推薦電路進(jìn)行選擇。系統(tǒng)設(shè)計時，采用EVA事件管理器模塊的PWM1～PWM4輸出4路PWM波信號。

1.6 驅(qū)動與保護(hù)電路

（1）封鎖PWM控制信號保護(hù)。

IPM的PWM控制信號經(jīng)帶控制端的三態(tài)收發(fā)器74LS640輸出后送共態(tài)脈沖互鎖電路。IPM的故障輸出信號送入74LS640的使能端。當(dāng)IPM沒有故障發(fā)生時，74LS640選通，IPM正常工作；IPM發(fā)生故障時，74LS640截止，封鎖所有IPM的控制信號，關(guān)斷IPM，達(dá)到保護(hù)目的。如圖4所示。

（2）共態(tài)脈沖互鎖電路。

在使用IPM的過程中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選取IPM時，若留出足夠的余量，IPM一般情況下不容易損壞，但有時仍有損壞情況發(fā)生，分析其原因，均為發(fā)生過流，通過測量微處理器輸出的PWM信號，發(fā)現(xiàn)同一橋臂的控制信號在主電路為高壓大電流情況下很容易疊加干擾信號，致使同一橋臂的兩個IGBT發(fā)生直通，導(dǎo)致模塊損壞。為此我們設(shè)計了共態(tài)脈沖互鎖電路，這樣即使有干擾，甚至由于某種原因，微處理器不能正常輸出，也能保證同一橋臂的兩個IGBT不能同時導(dǎo)通，達(dá)到保護(hù)的目的。電路圖如圖5所示。

1.7 輔助電源電路

該系統(tǒng)的電源主要有+5V、+3.3V和+15V三種。+5V為主電源，采用AC/DC模塊實現(xiàn)；+3.3V主要用于DSP系統(tǒng)，采用TPS7333芯片實現(xiàn)；+15V電源用于IPM模塊，采用金升陽公司的B0515實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本電源的控制軟件主要包括：1）雙極性SPWM控制信號程序設(shè)計；2）平均值穩(wěn)定程序設(shè)計；3）輸出過壓保護(hù)程序設(shè)計。

雙極性SPWM控制信號采用對稱規(guī)則采樣法實現(xiàn)。其中標(biāo)準(zhǔn)正弦波（即調(diào)制波，同輸出正弦波頻率400Hz），采用離線計算方法，首先將這些數(shù)據(jù)計算出來，并存入數(shù)組，在程序運行時調(diào)用。標(biāo)準(zhǔn)三角波是利用DSP計數(shù)器的連續(xù)增/減計數(shù)模式實現(xiàn)的，其載波頻率為12kHz.

平均值穩(wěn)定程序采用PI調(diào)節(jié)，反饋信號經(jīng)濾波采樣后，與給定信號進(jìn)行比較，其偏差送至PI調(diào)節(jié)器，改變調(diào)制度M，從而使輸出電壓維持恒定，實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。

輸出過壓保護(hù)采用限幅比較法，反饋信號經(jīng)濾波采樣后，與限定值進(jìn)行比較，若超出，則輸出保護(hù)信號，中斷主電路運行，實現(xiàn)輸出過壓保護(hù)。

系統(tǒng)軟件由初始化模塊和定時器中斷模塊組成。初始化模塊主要完成中斷控制器、I/O控制器、事件管理器、時鐘管理器、看門狗、A/D轉(zhuǎn)換器等控制寄存器進(jìn)行初始化和相關(guān)變量的初始化，初始化模塊的流程如圖6所示。初始化完成后，DSP程序進(jìn)入死循環(huán)，等待中斷的發(fā)生。定時器中斷模塊的主要工作是通過片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器采樣輸出電壓，作為系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制的反饋信號，通過給定信號與反饋信號進(jìn)行比較，經(jīng)PI控制調(diào)節(jié)，得到相應(yīng)的控制量，經(jīng)規(guī)則采樣法計算得到每一個周期的脈沖寬度，以獲得四路PWM信號，實現(xiàn)對IPM的控制。其流程圖如圖7所示。

3 實驗

將研制的115V、400Hz中頻逆變電源接500W電阻性負(fù)載進(jìn)行實驗，其實驗波形如圖8所示。

4 結(jié)論

本電源采用新型功率器件和數(shù)字控制技術(shù)，實現(xiàn)了中頻逆變電源小型化和高性能的技術(shù)要求，己在某些電氣系統(tǒng)檢測設(shè)備中使用，應(yīng)用證明該電源性能可靠、體積小、重量輕、成本低、可以保證精度，滿足使用要求。