SA828在航空電源中的應用

摘要：闡述了以SA828為核心組成的航空逆變電源的設計，通過對SA828生成SPWM信號的原理進行分析，詳細討論了硬件和軟件的設計方法。功率為4kW的樣機證明，效果良好。

關鍵詞：逆變電源；集成電路SA828；正弦脈寬調制

1? 引言

??? 航空電源一般都是將直流或交流（380V/50Hz）電逆變成交流115V/400Hz電源，以供雷達、飛機等設備使用。完成該變換的方法有多種，但由于其生成SPWM信號較復雜，造成航空逆變電源的整體性能下降，并易出現變壓器偏磁和輸出諧波含量大的缺陷。而采用大規模數字集成芯片SA828，通過單片機與SA828的接口生成SPWM信號，則不需改變外圍電路就能重新設置載波頻率、調制頻率、死區時間，從而減小了硬件開發周期，使生成信號簡潔可靠，避免了分立元器件的離散性，提高了輸出波形的品質因數。它克服了HEF4752調制頻率低，SLE4520單邊調制產生波形不對稱的缺點，是SA818、SLE4520、HEF4752等波形發生器的理想替代品。

2? 系統結構與信號生成

2．1? 原理結構圖

??? 系統結構如圖1所示。主電路主要完成整流逆變功能。不可控整流電路對輸入電網電壓直接整流，通過LC濾波電路，產生平滑的高壓直流。逆變電路采用SPWM，濾除高頻諧波，經變壓器隔離，輸出理想正弦波。電壓、頻率信號通過A/D轉換后，數據經CPU處理，送到SA828控制寄存器，產生SPWM信號，通過改變SA828控制寄存器輸出，實現調頻調壓的功能。

圖1? 系統原理框圖

2．2? SA828功能簡介

??? SA828是MITEL公司近年來推出的三相SPWM電機控制數字集成芯片，它可以實現全數字化三相逆變器所需要的6路SPWM控制信號，屬于規則采樣雙邊調制波，很適合用于輸出為正弦波的逆變電源。該芯片雙列直插式28引腳如圖2所示。該系列有SA828－1、SA828－2兩種型號產品，有關寄存器各狀態位的功能以及各寄存器的使用方法參閱文獻[1]。基準正弦是存儲在SA828內部的ROM正弦表。當寫完初始化數據后，立即生成0°－90°的正弦波。該正弦波通過相位與控制邏輯拓展形成三相6路SPWM信號。該信號再經過取消窄脈沖電路，送到脈沖延遲電路，生成死區時間，然后送到各引腳出口。于是由內部硬件直接產生SPWM信號，這樣保證SPWM信號生成的可靠性。

圖2? SA828引腳示意圖

2.3? 硬軟件設計

??? 采用AT89C51單片機與SA828配合來生成SPWM信號，這樣外圍的硬件結構比較簡潔。由于ADC0809片內無時鐘，單片機時鐘為12M，從ALE引腳輸出為4分頻后滿足ADC0809對時鐘頻率的要求。對電壓和頻率調節的處理采用中斷方式，當啟動ADC0809后，由IT1來捕獲中斷信號，經8個時鐘周期后，轉換結束，CPU取走存入ADC0809內部三態鎖存器中的數據。

??? SA828的SETTRIP為外部故障電路的輸出端，一旦任意一電路出現故障時，保護電路對SA828的6路SPWM信號進行封鎖，這樣能很快封鎖驅動信號，保護功率單元器件。整個核心硬件原理圖如圖3所示。

圖3? 硬件原理圖

2．4? 關鍵參數的設置

??? 載波頻率的設計關系到濾波電路體積大小、功率模塊損耗及輸出波形品質。為了上下兼顧，取載波頻率fCARR=11．7kHz，由式（1）得則n=2，為了滿足頻率可調（400±30Hz），調制頻率下限為零，只需設置最高即可，若m=16，由式（2）調制頻率范圍為0～488．2Hz。

??? fCARR=（1）

??? fRANGE=×m（2）

式中：K為系統時鐘；

????? fCARR為載波頻率；

????? fRANGE為調制頻率范圍；

????? m的范圍為2（0－6）；

????? n為分頻比，與SA828寄存器R1的載波頻率選擇字CSS狀態位相對應，其范圍為2（0－5）。

??? 死區時間tpdy是為了避免上下臂直通而設置的延遲時間，其關系如圖4所示。有些窄脈沖可能引起功率管來不及開通，卻要立即關斷，因而設置脈沖取消時間tpd。輸出SPWM信號與脈沖取消時間tpd如圖5所示。脈沖取消時間tpd=輸出最小脈寬＋tpdy；例如，輸出最小脈寬為4μs，tpdy=4μs時，則tpd=8μs。完成初始化編程后，其中R0、R1、R2三寄存器狀態為D0H、81H、28H。

圖4? 脈沖死區時間

圖5? 脈沖取消時間

??? SA828的初始化程序為

??? MOV??? DPTR??? ，＃0FD00H

??? MOV??? A??? ，＃0D0H??? ；8μs

??? MOVX??? @DPTR??? ，A

??? INC??? DPTR

??? MOV??? A??? ，＃81H??? ；11．7kHz，488Hz

??? MOVX??? @DPTR??? ，A

??? INC??? DPTR

??? MOV??? A??? ，＃28H??? ；4μs

??? MOVX??? @DPTR??? ，A

??? INC??? DPTR

??? INC??? DPTR

??? MOVX??? @DPTR，A??? ；R4

??? 對調壓調頻的控制，為了簡化程序算法，縮短軟件時間開銷，采用查表的方式。其A/D轉化的數值作為查表的地址。對于頻率地址，首先對采樣數據進行壓縮后，滿足所有數據在（350～488）Hz范圍內，并使之在（370～430）Hz內具有良好的線性度和可調精度。調壓調頻根據式（3）、（4）進行計算。

??? fpower=×pfs（3）

式中：fRANGE為頻率采樣值；

?????? pfs為SA828寄存器R1的調制頻率選擇字。

??? APOWER=×100％（4）

式中：APOWER為電壓采樣值；

??? A為SA828寄存器R2的調制波幅值選擇字。

??? 控制寄存器的程序為

??? MOV??? A，32H；頻率相對地址

??? MOV??? DPTR，＃0700H；頻率低位首地址

??? MOVC??? A，@A＋DPTR；頻率低8位數據

??? MOV??? DPTR，＃0FD00H

??? MOVX??? @DPTR，A；置SA828R0數據

??? MOV??? A，32H；頻率相對地址

??? MOV??? DPTR，＃0800H；頻率高位首地址

??? MOVC??? A，@A＋DPTR；頻率高8位數據

??? MOV??? DPTR，＃0FD01H

??? MOVX??? @DPTR，A；置SA828R1數據

??? MOV??? A，30H；電壓相對地址

??? MOV??? DPTR，＃0600H；電壓首地址

??? MOVC??? A，@A＋DPTR；電壓數據

??? MOV??? DPTR，＃0FD02H

??? MOVX??? @DPTR，A；置SA828R2數據

??? MOV??? DPTR，＃0FD03H

??? MOVX??? @DPTR，A；送控制字R3

3? 實驗結果

??? 根據上述設計方法制作4kW實驗樣機1臺。其中直流濾波電感為6mH，為了提高產品的可靠性，逆變模塊采用富士6單元IPM6MBP50RA120，輸出逆變濾波電感為800μH，電容為20μF，輸出變壓器變比為250/200。輸出波形如圖6所示，縱坐標50．0V/格；橫坐標500．0μs/格。具體指標如下：

??? 輸入三相??? 380（1±10％）V50Hz

??? 輸出三相??? 115（1±10％）V（400±30）Hz

??? 輸出容量4kW，過載120％，立即保護

??? 電壓穩定度≤1％

??? 三相電壓平衡度≤1％

??? 頻率精度≤1‰

??? 三相相位差（120±2）°

??? THD≤2．5％

圖6? 115V/400Hz輸出波形

4? 結語

??? 用SA828生成SPWM信號，程序簡單，波形一致性好，采用全橋電路，無需附加偏磁電路，與智能模塊IPM相配合，是制作電機控制和小功率正弦波逆變器的理想選擇芯片。