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一種高性價比的SPWM逆變器的設(shè)計

2016-11-25 09:00:42朱穎莉
電子設(shè)計工程 2016年18期
關(guān)鍵詞:南京航空航天大學(xué)電感南京

朱穎莉

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 南京 210031)

一種高性價比的SPWM逆變器的設(shè)計

朱穎莉

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 南京 210031)

由于燃料能源的不斷減少及其對環(huán)境危害的日益嚴(yán)重,人們把眼光投向了太陽能、風(fēng)能等清潔且儲量巨大的可再生能源的開發(fā),而逆變就是將這些可再生能源得以利用的關(guān)鍵技術(shù)。本文采用Microchip公司的30F3011單片機(jī),設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡單,性價比較高的逆變系統(tǒng),詳細(xì)闡述了SPWM控制器、功率管驅(qū)動電路、低通濾波器、采樣電路的設(shè)計,由Matlab仿真證實其性能完全可滿足普通民用供電的要求。

逆變;數(shù)字控制;SPWM;電壓外環(huán)

逆變器(DC/AC)就是一種將低壓(12或24 V或48 V)直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?20 V交流電的電子設(shè)備,在新能源供電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。根據(jù)逆變器中輸出的電能去向分類逆變器得:1)無源逆變(即某用電設(shè)備);2)有源逆變(即回饋電網(wǎng))。通常情況下,逆變器發(fā)展的過程為:方波型→階梯波型→SPWM型[1]。SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)技術(shù),是指調(diào)制信號正弦化的PWM技術(shù)。SPWM具有開關(guān)頻率固定、輸出電壓只含有固定頻率的高次諧波分量、濾波器設(shè)計簡單等一系列優(yōu)點,成為目前應(yīng)用最為廣泛的逆變用PWM技術(shù)[2-4]。

隨著時代的發(fā)展,微電子科技興起,開始取代模擬控制模式,微處理器具有成本低、性能好的特點,其市場價格也很合理,使得單片機(jī)控制的逆變器的應(yīng)用得到極大提高,數(shù)字控制取代模擬控制的趨勢已經(jīng)勢在必行[5-7]。目前,德州儀器(Texas Instruments)、MOTOROLA、ADI和Microchip公司相繼推出了適用于逆變電源數(shù)字控制的DSP芯片,單片機(jī)可以對逆變器進(jìn)行控制,這種數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用使得逆變器有著明顯的競爭優(yōu)勢。本文的研究對象是單相恒壓恒頻(CVCF)無源逆變器是在由12 V至350 V的DC/DC升壓的基礎(chǔ)上,可以將直流電轉(zhuǎn)化為交流電。

1 數(shù)字控制SPWM逆變器的設(shè)計

1.1 數(shù)字SPWM控制器

在圖1中有、、和開關(guān)管組合,也是這種主電路(全橋單向)的逆變橋,而由單片機(jī)產(chǎn)生如圖2所示的四路信號來控制4個開關(guān)管,故是整個逆變系統(tǒng)的核心[8-9]。

圖1 逆變單向電路

整個程序的設(shè)計思路為:將一個工頻50 Hz均分為400份,也就是每隔50μs計算一個SIN[N],將此SIN表預(yù)先存入單片機(jī)。主程序在運行時,每隔50μs就中斷一次,相應(yīng)的SIN[N]數(shù)值可以通過查表得到。初始化單片機(jī)Timer2定時器8分頻,定時器周期PR2=50N即每計數(shù)50次產(chǎn)生一次中斷,在中斷程序中根據(jù)N值重置PR2;由OC1、OC2、OC3、OC4分別控制逆變橋的四個功率管,OC2、OC4產(chǎn)生50 Hz的工頻信號來控制S2、S4,OC1、OC3產(chǎn)生20 kHz的信號來控制 S1、S3;但是在主程序中,A/D的轉(zhuǎn)換始終進(jìn)行著,將ADCON3寄存器轉(zhuǎn)換時間和取樣時間設(shè)置為最大值63Tcy,粗略估算一下在一個工頻周期中將取樣2 000次以上,足以取到正弦波的峰值,保留一個工頻周期中A/D轉(zhuǎn)換的最大值Vmax同Vref比較作為前級DC/DCPWM調(diào)節(jié)的依據(jù)。

圖2 逆變波型圖

1.2 功率開關(guān)管和驅(qū)動電路

在選取開關(guān)管時,必須要求開關(guān)管能夠具有抗電流和耐壓的能力。圖2中的主電路開關(guān)管中輸入的電壓就是電壓應(yīng)力。

電感電流指輸入開關(guān)管中的電流,表示符號為iLf,即輸出負(fù)載電流i0和濾波電流icf兩部分。阻性負(fù)載狀況下i0與icf相位存90°在的差值,因此最大開關(guān)管電流為i0與icf處于阻性滿載狀況下的均方值。電容濾波電流的輸出值為Icf=2π×f0× Cf×V0=0.1 A;電感濾波電流的值,均為有效值。開關(guān)管中電壓與電流需保持一定的裕量,型號為IXGH40N60C2D1的開關(guān)管IXYS公司定為IGBT。查閱器件手冊,IXGH40N60C2D1的關(guān)斷時間最大為130 ns(125℃),故設(shè)定死區(qū)時間為1μs。

專業(yè)芯片能夠協(xié)助全橋逆變電路中隔離驅(qū)動的啟動,因為橋臂上管是懸浮著的。本設(shè)計采用公司的專用驅(qū)動芯片,這是內(nèi)部設(shè)有多個獨立通道,可用于同時驅(qū)動多個高壓、高頻IGBT和MOSFET器件的專用芯片[10]。適用于反向電壓,可以耐得起高的瞬間電壓。圖3為的外圍電路。

圖3 IR2113驅(qū)動電路

IR2113的工作原理是:IR2113門限電壓處在10~20 V范圍內(nèi),因此Vcc連接的是15 V的電壓,開關(guān)D1可以控制橋臂上下的連通與關(guān)斷。D1開通時,VB等于VCC15 V,并且下管輸入即OC3、OC4為高電平時,VB與L0連通,驅(qū)動下管導(dǎo)通,與此同時,VCC通過D1對C2充電,當(dāng)D1負(fù)端的電壓為VCC時,D1二極管就會斷開,假如上管驅(qū)動的輸入(OC1與OC2)為處于高電平狀態(tài)時,VB會聯(lián)通HO,HO會為VCC15 V開通上管,且C2會借助VB與VS進(jìn)行放電。D1負(fù)端電壓降到D1時開關(guān)啟動下一循環(huán)。循環(huán)的開關(guān)運行使得上下管能夠進(jìn)行交替的驅(qū)動。由圖3可知:傳遞了OC1、OC2、OC3、OC4信號,即

IR2113啟動輸入信號;VDD為信號電源參考,這里通過調(diào)節(jié)電阻R1、R2的值來確定。當(dāng)IR2113芯片中電平達(dá)到VDD值的一半時,輸出電平即為高電平。PIC高電平的值為33V,因此VDD必須超過。由此可見:僅需兩個IR2113芯片就能夠保證電路正常的運行,降低了電路的復(fù)雜程度。

1.3 低通濾波器

在實際應(yīng)用中為了使輸出電壓波型保證在一個良好質(zhì)量,電感值的設(shè)定不能過小或過大。一方面為了減少輸出電壓中的諧波分量,電感值不能取得過小,另一方面電感量增加,體積、重量和損耗也會隨之增加,電感的取值應(yīng)進(jìn)行綜合考慮;濾波電容的取值也亦然,在滿足要求下,盡量取較小容值[11]。

1.4 采樣調(diào)理電路

霍爾的采樣型傳感器可以輸出電壓,我們使用的是型傳感器,其電壓量程能夠滿足的500 V使用場合,流過原邊最大的電流值為10 mA,副邊與原邊的變比滿足2.5:1。該種傳感器的電路圖可見圖4,原邊電流是由經(jīng)過而產(chǎn)生的,其副邊電流由霍爾效應(yīng)而生成,在上副邊電流會生成一個電壓,該電壓就是霍爾采樣值。

圖4 霍爾采樣電路

數(shù)字平臺中的控制器PIC能夠識別的電路電壓為0~33 V,但是霍爾元件只能夠?qū)涣餍盘栠M(jìn)行采集取樣,因為交流信號存在正負(fù)值,需要由如圖5的相關(guān)電路進(jìn)行調(diào)理后才可以輸入到處理器中,并執(zhí)行的轉(zhuǎn)換。

圖5 調(diào)理電路

采樣信號由跟隨電路輸出;U2能夠放大采樣信號,U3表示由U2處理后的信號再加上3.3 V而得到的正向偏置值,因此就可以將交流信號(存在正負(fù)值)轉(zhuǎn)化PIC為能夠識別的正信號,D1和D2組成能夠得到限幅電路,由U3而輸出的電路信號值會大于3.3 V,D1導(dǎo)通;低于oV,D2導(dǎo)通保,限制U3的輸出在0~3.3 V之間,保護(hù)PIC處理器,R1、C1和R9、C2構(gòu)成濾波電路,經(jīng)過調(diào)理電路處理的信號可在PIC芯片內(nèi)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

2 Matlab仿真

本設(shè)計采用SIMULINK/MATLAB仿真來驗證本文電路設(shè)計的可靠性。仿真電路如圖6所示,S1、S2、S3、S4構(gòu)成逆變橋,PWM Generator才生兩路20 k的SPWM信號,S1和S3分別產(chǎn)生相位相差180°頻率為50Hz的方波信號,相與之后的波形如圖所示的OC1和OC2,S4同S1,S2同S3。在逆變橋中,圖7輸出信號V01從LC流過,最后得到圖8中的電壓。

圖6 仿真電路圖

圖7 V01波形

圖8 V0波形

3結(jié) 論

本設(shè)計的逆變器是一款結(jié)構(gòu)和控制較簡單,只有電壓外環(huán)控制,并由于30F3011屬于中等檔次的單片機(jī)不能完成實時控制算法。而其性能指標(biāo)可基本滿足對電壓要求不是太高的用電場合,可廣泛用于太陽能、風(fēng)能、水能資源豐富地區(qū)的民用供電,性價比較高。另可在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)字PI算法,在不增加成本的前提下,進(jìn)一步提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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A cost-effective design of SPWM inverter

ZHU Ying-Li
(Nanjing Railway Vocational and Technical College,Nanjing 210031,China)

Due to the continuous decrease of fuel energy and its increasingly serious damage to the environment,people look to the development of clean and renewable energy of huge reserves such as solar energy,wind energy and etc.And the inverting technology is the key to the use of the renewable energy.Based on single chip microcomputer 30F3011of Microchip Company,a simply-structured inverting system,has been designed,which can provide high performance for low cost.In addition,the design of the SPWM controller,power tube driving circuit,low-pass filter,and sampling circuit has also been presented in this essay.Moreover,Matlabsimulationhasverifiedthatitsperformancecanfullymeettherequirementsofcivilpower.

inverter;digital control;sinusoidal pulse width modulation;voltage outer loop

TN382

A

1674-6236(2016)18-0185-03

2015-09-24 稿件編號:201509169

朱穎莉(1969—),女,江蘇南京人,碩士,工程師。研究方向:電機(jī)控制、電源。

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