邱興陽

(湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建莆田 351254)

1 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和變頻技術(shù)的發(fā)展，越來越多的交流電源中運(yùn)用先進(jìn)的功率電子器件和高頻逆變技術(shù)，而自關(guān)斷的電力電子器件在逆變器中的應(yīng)用大大提高了交流電源的性能，使傳統(tǒng)的工頻整流電源的材料減少80%～90%，節(jié)能20%～30%，動態(tài)反應(yīng)速度提高2～3個數(shù)量級，因此正日益應(yīng)用于工業(yè)各生產(chǎn)領(lǐng)域[1]。而在眾多工業(yè)生產(chǎn)中，對逆變器在小型化、快速性、低噪音、抗干擾等方面都提出了新的更高的要求。逆變技術(shù)的基礎(chǔ)與核心部件是電力電子開關(guān)器件，逆變技術(shù)的發(fā)展與電力電子器件的發(fā)展是密切相關(guān)的。IPM是一種以IGBT為主體的功率器件，將輸出功率元件IGBT及其門極驅(qū)動、控制和過流、過壓、過熱、短路、欠壓鎖定等多種保護(hù)與故障檢測電路集成在同一模塊內(nèi)的大功率器件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、驅(qū)動簡單、體積小、重量輕和效率高的優(yōu)點(diǎn)[2]。本文基于單片機(jī)與IPM智能功率模塊研制的調(diào)壓調(diào)頻高壓電源由于其效率高、體積小、重量輕等特點(diǎn)在工控、民用等領(lǐng)域?qū)⒌玫搅藦V泛的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)的組成及原理

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成方框圖如圖1所示。系統(tǒng)由單相整流濾波電路、BUCK調(diào)壓電路、IPM逆變電路、勵磁升壓變壓器、濾波電路、電壓采樣電路(含A/D轉(zhuǎn)換電路)、單片機(jī)控制模塊、光電隔離電路、電壓顯示電路等組成。

圖1 系統(tǒng)的組成方框圖

單相220V交流電經(jīng)整流濾波后變?yōu)橹绷麟?，送至Boost調(diào)壓電路(經(jīng)PWM控制)后，產(chǎn)生電壓和頻率可調(diào)的直流方波電壓信號，此信號作為IPM逆變電路的輸入電壓，通過方波脈沖控制方式(PFM控制)將直流方波電壓轉(zhuǎn)換為交流電，勵磁升壓變壓器是用來升高調(diào)頻逆變電路的輸出電壓。電壓采樣電路對濾波輸出電壓進(jìn)行采樣，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送至單片機(jī)控制模塊，單片機(jī)控制模塊主要用來產(chǎn)生Boost調(diào)壓電路的PWM信號(電壓調(diào)節(jié)控制)和IPM逆變電路的PFM信號(頻率調(diào)節(jié)控制)，從而控制系統(tǒng)的輸出電壓；同時(shí)單片機(jī)控制模塊通過接收IPM故障輸出信號，對系統(tǒng)電路出現(xiàn)的過壓、過流及短路等故障進(jìn)行檢測和控制，若系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，將立即封鎖PWM和PFM控制信號。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 單相整流濾波電路

單相整流濾波電路如圖2所示，220V交流電經(jīng)橋式整流和電容C11濾波后將交流電變?yōu)橹绷麟?，為了防止交流電源接通時(shí)對電容充電產(chǎn)生瞬間脈沖大電流而損壞整流橋，在整流濾波電路之間加了電阻R11用來抑流。當(dāng)電容充電完成后，與電阻并聯(lián)的繼電器常開觸點(diǎn)J1將閉合，電阻將被短路，系統(tǒng)正常工作同時(shí)減小系統(tǒng)的工作損耗。RS用來檢測電流信號，送至單片機(jī)從而控制J1觸點(diǎn)的動作。

圖2 單相整流濾波電路

3.2 Boost調(diào)壓電路

Boost調(diào)壓電路如圖3所示。輸入端接單相整流濾波電路的輸出電壓U01，L21為升壓電感(選擇磁體較大和線圈粗的電感)，V21采用Motorola公司生產(chǎn)的 MTM7N45大功率場效應(yīng)管，為了減小電路的損耗，應(yīng)降低二極管的反向恢復(fù)電流[3]，V22采用反向恢復(fù)時(shí)間很短的MUR1520型二極管，濾波電容C21用來穩(wěn)定調(diào)壓電路的輸出電壓Uod。Boost調(diào)壓電路采用PWM脈寬控制具有正向壓降小、反向電流小和阻斷電阻高等優(yōu)點(diǎn)，能有效地提高轉(zhuǎn)換器的效率[4]。

圖3 Boost調(diào)壓電路

3.3 IPM逆變電路

IPM全橋逆變電路如圖4所示，在任何時(shí)刻，逆變橋同一個橋臂上、下兩個開關(guān)管都不能同時(shí)導(dǎo)通。S1、S4和S2、S3分別組成兩組電子開關(guān)，工作時(shí)這兩組開關(guān)輪流導(dǎo)通，從而將前級的直流電UOd轉(zhuǎn)換為交流電，為后級的勵磁變壓器提供試驗(yàn)電壓[5]。

圖4 IPM逆變電路

全橋逆變電路采用三菱公司生產(chǎn)的PM100CSA120智能功率模塊。該IPM的最高工作電壓為1200V，最大電流為100A，最高工作頻率可達(dá)520kHz，其內(nèi)部直接集成了高速、低功耗的IGBT芯片和優(yōu)化的柵極驅(qū)動與保護(hù)電路，可以連續(xù)、自動地監(jiān)測功率器件的電流，實(shí)現(xiàn)高速的過流保護(hù)和短路保護(hù)，同時(shí)內(nèi)部還直接集成了欠壓和過熱保護(hù)電路[6]。該驅(qū)動電路采用了模塊化設(shè)計(jì)，簡化了逆變單元的設(shè)計(jì)，內(nèi)部的引線電感極小，使系統(tǒng)更穩(wěn)定。

3.4光電隔離驅(qū)動電路

PFM脈沖頻率調(diào)制信號與PM100CSA120智能功率模塊的連接如圖5所示。

圖5 IPM光電隔離驅(qū)動電路

PFM控制信號通過IR2105和光耦PC817構(gòu)成光電隔離驅(qū)動電路去控制PM100CSA120智能功率模塊的逆變。PM100CSA120內(nèi)部含有6個IGBT單元，本系統(tǒng)是單相電源，因此只需采用其中的4個單元。在使用中選擇U、V兩相來控制輸入與輸出端。圖5中的2、6、19腳為IPM故障輸出信號(即過流、短路、欠壓和過熱等)，這些信號直接送至單片機(jī)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，單片機(jī)將顯示故障標(biāo)志并封鎖PFM信號的輸出，起到保護(hù)的作用。

3.5電壓采樣電路

為了使調(diào)頻調(diào)壓高壓電源的輸出電壓更加穩(wěn)定和調(diào)節(jié)，必須對輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，因此需對LC濾波器濾波后的交流正弦電壓進(jìn)行采樣，電壓采樣電路如圖6所示。A1、R41、C41構(gòu)成一階低通有源濾波器， A2、A3、R42～R46、D41、D42構(gòu)成全波整流放大電路。輸入信號Uf取自電源輸出濾波電路，電壓互感器的變比為1000∶1。Uf經(jīng)有源濾波器濾波、全波整流放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路后，再送至單片機(jī)的I/O口，通過單片機(jī)來控制和調(diào)節(jié)高壓電源輸出電壓。

圖6 電壓采樣電路

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個系統(tǒng)的核心工作，它決定調(diào)頻調(diào)壓電源的輸出特性，如電壓、頻率范圍及穩(wěn)定度，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，保護(hù)功能的完善，工作可靠性等[7]。系統(tǒng)首先設(shè)置STC89C52的狀態(tài)控制寄存器來確定調(diào)制波的模式和輸出頻率，利用內(nèi)部的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生調(diào)壓的PWM信號和調(diào)頻的PFM信號，其次通過采樣的反饋信號設(shè)置比較寄存器，調(diào)整電壓和頻率調(diào)節(jié)按鍵，調(diào)用中斷程序，改變比較寄存器中的值，就可以改變PWM的占空比和PFM的頻率，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)頻功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)簡化流程如圖7所示，圖中的緩啟動是指啟動后系統(tǒng)的輸出電壓由

低逐漸升高的過程。

圖7 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)簡化流程圖

5 結(jié)語

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)芯片和IPM智能功率模塊構(gòu)成調(diào)壓調(diào)頻高壓電源，電壓幅值和頻率可獨(dú)立調(diào)節(jié)而互不影響，具有電壓調(diào)頻范圍寬而精確，調(diào)幅范圍廣而誤差小的優(yōu)點(diǎn)，該電源還具有短路、欠壓、過流和過熱保護(hù)等完善的保護(hù)功能，有效地保護(hù)電源的工作安全。本系統(tǒng)采用模塊化的電路設(shè)計(jì)，具有損耗小、效率高、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，電路的內(nèi)部引線電感極小，使得系統(tǒng)工作更穩(wěn)定可靠，將在工控、民用等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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