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(hào)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(duì)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(shí)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(duì)其綜合電氣系統(tǒng)中的各電氣設(shè)備進(jìn)行性能測(cè)試與故障診斷時(shí)，需要400Hz中頻逆變電源為其提供真實(shí)的模擬工作環(huán)境，以完成信號(hào)的采集與處理，從而判斷出系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對(duì)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(cè)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(cè)試設(shè)備內(nèi)部，減小了測(cè)試設(shè)備的體積，提高了測(cè)試設(shè)備的可靠性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(guò)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(diǎn)：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(dòng)；3）內(nèi)置專用HVIC，可直接由DSP驅(qū)動(dòng)；4）輸入接口電路采用高電平驅(qū)動(dòng)，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(jì)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(jì)時(shí)，選用其中兩相（U、V）。PS21964模塊既可單電源驅(qū)動(dòng)，又可多電源驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)采用多電源驅(qū)動(dòng)方式。在電路中，R18為電流檢測(cè)電阻，實(shí)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(jì)算公式計(jì)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(shí)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(hào)，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(shí)鐘、復(fù)位、外部存儲(chǔ)、JTAG仿真接口等電路，其設(shè)計(jì)時(shí)可參考產(chǎn)品手冊(cè)推薦電路進(jìn)行選擇。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用EVA事件管理器模塊的PWM1～PWM4輸出4路PWM波信號(hào)。

1.6 驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路

（1）封鎖PWM控制信號(hào)保護(hù)。

IPM的PWM控制信號(hào)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(hào)送入74LS640的使能端。當(dāng)IPM沒(méi)有故障發(fā)生時(shí)，74LS640選通，IPM正常工作；IPM發(fā)生故障時(shí)，74LS640截止，封鎖所有IPM的控制信號(hào)，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(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選取IPM時(shí)，若留出足夠的余量，IPM一般情況下不容易損壞，但有時(shí)仍有損壞情況發(fā)生，分析其原因，均為發(fā)生過(guò)流，通過(guò)測(cè)量微處理器輸出的PWM信號(hào)，發(fā)現(xiàn)同一橋臂的控制信號(hào)在主電路為高壓大電流情況下很容易疊加干擾信號(hào)，致使同一橋臂的兩個(gè)IGBT發(fā)生直通，導(dǎo)致模塊損壞。為此我們?cè)O(shè)計(jì)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(gè)IGBT不能同時(shí)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(shí)現(xiàn)；+3.3V主要用于DSP系統(tǒng)，采用TPS7333芯片實(shí)現(xiàn)；+15V電源用于IPM模塊，采用金升陽(yáng)公司的B0515實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

雙極性SPWM控制信號(hào)采用對(duì)稱規(guī)則采樣法實(shí)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(jì)算方法，首先將這些數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)，并存入數(shù)組，在程序運(yùn)行時(shí)調(diào)用。標(biāo)準(zhǔn)三角波是利用DSP計(jì)數(shù)器的連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式實(shí)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(hào)經(jīng)濾波采樣后，與給定信號(hào)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(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。

輸出過(guò)壓保護(hù)采用限幅比較法，反饋信號(hào)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(hào)，中斷主電路運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)輸出過(guò)壓保護(hù)。

系統(tǒng)軟件由初始化模塊和定時(shí)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(shí)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(shí)器中斷模塊的主要工作是通過(guò)片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器采樣輸出電壓，作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的反饋信號(hào)，通過(guò)給定信號(hào)與反饋信號(hào)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(jì)算得到每一個(gè)周期的脈沖寬度，以獲得四路PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)IPM的控制。其流程圖如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)

將研制的115V、400Hz中頻逆變電源接500W電阻性負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)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(shí)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(cè)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。