一種簡易數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數字控制方案，分析了其系統結構與工作原理，實驗結果表明：輸出波形達到要求，實現簡單，成本低，方案可行。

關鍵詞：數字控制；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現，但脈沖穩定性和抗干擾能力差。市售的用于三相逆變電源的數字控制集成芯片，如HEF4752等，又存在運算速度受處理器的字長因素影響、價格昂貴等問題。本文介紹了一種用高頻開關電源代替變壓器升壓和隔離的三相逆變電源系統，提出了一種新型實用的預置相位PWM數字控制方案，其基本思想是將SPWM對應于開關管的脈寬通過仿真預先計算出來，轉換為十六進制數后存儲于EPROM內。經地址掃描、鎖存后，將預置于EPROM內的數值轉換成對應的觸發脈沖，以驅動逆變器主電路開關管。逆變控制電路僅采用一片EPROM及幾片集成芯片構成，整個控制器硬件結構簡單，降低了成本。

2? 系統結構與工作原理

??? 圖1給出了本文所提出的三相中頻逆變電源的系統原理框圖。該系統由推挽式開關電源與三相逆變電源有機地結合起來，是通過直流－交流－直流－交流的變流方式完成的，逆變電路部分調制比不變，通過調節推挽電路的占空比達到穩定交流輸出電壓的目的。其主要組成部分有主電路、檢測保護電路和控制電路。

圖1? 三相逆變電源原理框圖

2.1? 推挽升壓電路

??? 根據電路輸入電壓低，電流大的實際特點，對比了目前常用的推挽式、半橋式、全橋式的優缺點后，升壓電路采用了推挽變換電路，其電路結構如圖2所示。它具有使用功率開關器件數量少、驅動電路簡單等優點。控制集成芯片采用TL494，芯片提供了一個內部基準電壓(5V±1％),其內部誤差放大器有一個共模電壓范圍，工作電壓范圍寬(8～40V),最高工作頻率可達300kHz，在CT腳和放電腳之間用單個電阻連接可對死區時間進行調整。

圖2? 推挽升壓電路

??? 假設變壓器變比為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，只要調節占空比D即可調節直流側輸出電壓V_o1，從而改變交流輸出電壓，其中D由電壓反饋環節反饋并經PID調節器處理后送至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置相位PWM波的數字控制方案，逆變器六個開關管的開關狀態同某一調制比的SPWM脈沖相對應（本實驗電路中調制比為0.98），其出發點是由一片EPROM來存儲這六個開關管的開關狀態，同一橋端開關管之間相位互差120°,同橋臂上下開關管互補導通且有死區。其逆變驅動電路如圖3所示。

圖3? 三相逆變驅動電路

??? 預置于EPROM內的數值由多種方式產生，常見的是先計算出來并存表，對應于不同的基波頻率，按一定規律算出相對應的脈寬，再轉換成數值。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程序加死區處理后得到如圖4所示的控制開關管的脈沖波形。

(a)對應開關管V_T1

(b)對應開關管V_T4

圖4? 對應開關管的控制脈沖

可見，同一橋臂兩開關管V_T1與V_T4的控制脈沖滿足互補導通關系。將一個周期取樣，高電平“1”對應開關管導通，低電平“0”對應開關管關斷，就可將一周期內任一時刻六個開關管的開關狀態對應于二進制數010110、010100、110100......依此類推，可得出任一時刻的六個開關管開關狀態。將這些二進制數據轉換為十六進制后存儲于EPROM內，再經如圖5所示的SPWM波生成原理圖轉換后，就可將這些存儲于EPROM內的數據轉換成任一時刻開關管對應的狀態。修改MATLAB程序，可得到不同的開關頻率，也可改變調制比和輸出的基波頻率。

圖5? SPWM波生成原理圖

??? 2）驅動電路

??? 本文采用的是由IR2130為核心元件及其外圍元器件構成的驅動電路，電路結構簡單，集成度高，集控制電路、電平轉換、低阻抗輸出和識別保護等為一體。僅需一路輔助電源供電，較常規的驅動電路省去了三路輔助電源，幾個外圍分立元器件就可使三相橋式電路的邏輯控制信號與MOS柵極器件完整連接。

2.3? 檢測與保護電路

??? 檢測電路主要有直流輸入電流檢測、推挽直流輸出電壓檢測、交流輸出電壓檢測等。根據直流輸入電流的檢測結果，可判斷推挽環節和逆變環節有無過載和短路現象，若有，則通過保護電路封鎖控制信號脈沖使推挽升壓電路和逆變電路均停止工作；交流輸出電壓檢測電路一方面將電壓反饋至推挽環節的調整電路以調整逆變器的輸出電壓，另一方面送至保護電路，當輸出電壓過高時封鎖輸出電壓脈沖，以上保護信號還可轉換成對應的電壓信號送至IR2130的腳9（Itrip端），當該信號大于其內置的0.5V參考電位時，IR2130就封鎖六路開關管的驅動信號，起到了雙重保護作用。

3? 實驗結果

??? 根據上述理論，設計了一臺樣機。主要技術指標為

??? 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。

3.1? 電路參數

??? 推挽升壓電路??? 功率管選用兩只2SK1506并聯，開關頻率為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，開關頻率為10kHz。

3.2? 實驗結果

??? 圖6為同一橋臂上下兩管（開關管V_T1、V_T4）的驅動波形，可見，死區時間的加入使兩管的驅動波形不完全滿足互補導通關系。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，滿足預定的性能指標。

圖6? MOSFET的驅動波形(5V/div，100μs/div)

上管對應V_T1的驅動波形

下管對應V_T4的驅動波形

圖7? 逆變器輸出電壓波形（50V/div,2.5ms/div）

4? 結語

??? 理論分析和實驗結果都表明，本文提出的這種新型、簡易的三相逆變電源的數字控制方案是一種可行的SPWM控制方案。由于采用了數字控制方案，它具有較強的抗干擾能力，可靠性高，而且實現簡單、電路成本低，具有較高的性價比。