林春景，崔 曉，劉杰鋒

（1.廣東白云學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510450；2.廣州東芝白云菱機(jī)電力電子有限公司，廣東 廣州 510450）

0 引 言

在某些偏僻地區(qū)或家庭中僅有單相供電，但卻又要用到三相負(fù)載，這時(shí)就必須將單相220 V交流電源轉(zhuǎn)換為三相對(duì)稱380 V交流電源。為了解決這個(gè)問題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一個(gè)3 kW單相變?nèi)喙╇娤到y(tǒng)。大多數(shù)單相變?nèi)嚯娐凡捎萌郟WM控制方式，相位差120°，這種供電方案會(huì)含有較高的三次諧波，供給三相電機(jī)時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，本文利用EG8030芯片產(chǎn)生功能完善的自帶死區(qū)控制的三相純正弦波信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)三相對(duì)稱380 V交流供電。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證

為了產(chǎn)生三相對(duì)稱380 V交流供電，同時(shí)實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、可靠性好且具備保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)的方案有如下兩種。

1.1 采用斬波升壓電路

如圖1所示，220 V交流電經(jīng)橋式整流濾波會(huì)產(chǎn)生0.9～1.4倍的直流電壓，正常負(fù)載時(shí)為260 V左右，經(jīng)斬波升壓后為直流540 V，為三相橋式逆變電路提供電源。此電路由三相純正弦波發(fā)生器產(chǎn)生，通過驅(qū)動(dòng)電路來控制，從而產(chǎn)生三相對(duì)稱380 V交流供電。

圖1 斬波升壓電路

1.2 采用工頻變壓電路

如圖2所示，220 V交流電經(jīng)橋式整流濾波會(huì)產(chǎn)生0.9～1.4倍的直流電壓，正常負(fù)載時(shí)為260 V左右，為三相橋式逆變電路提供電源，此電路由三相純正弦波發(fā)生器產(chǎn)生，通過驅(qū)動(dòng)電路來控制，從而產(chǎn)生三相對(duì)稱92 V交流電，再經(jīng)工頻變壓器升壓電路變成三相對(duì)稱380 V交流電。

圖2 工頻變壓電路

上述兩個(gè)方案都能產(chǎn)生三相對(duì)稱380 V交流電，有三相不對(duì)稱保護(hù)功能，但方案1采用斬波升壓電路雖然體積小，重量輕，但是可靠性差，而由于方案2工頻升壓電路的隔離，使得電動(dòng)機(jī)對(duì)逆變器的沖擊較小，可靠性高，所以決定采用方案2進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)主要模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 三相對(duì)稱純正弦波電路設(shè)計(jì)

要產(chǎn)生三相對(duì)稱純正弦波電路，需采用EG8030 SPWM芯片（如圖3）。它是一款數(shù)字化且功能完善的自帶死區(qū)控制的三相純正弦波逆變發(fā)生器芯片，其配置的4種工作模式可應(yīng)用于DC-DC-AC兩級(jí)功率變換架構(gòu)或DC-AC單級(jí)工頻變壓器升壓變換架構(gòu)。外接16 MHz晶體振蕩器，能產(chǎn)生高精度、失真和諧波都很小的三相SPWM信號(hào)，并具備完善的采樣結(jié)構(gòu)，能夠采集電流信號(hào)、溫度信號(hào)以及三相電壓信號(hào)，實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓和各項(xiàng)保護(hù)功能。芯片采用CMOS工藝，內(nèi)部集成SPWM正弦發(fā)生器、死區(qū)時(shí)間控制電路、幅度因子乘法器以及軟啟動(dòng)電路。

圖3 EG8030結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 三相同步開環(huán)穩(wěn)壓模式設(shè)置

本項(xiàng)目采用三相同步開環(huán)調(diào)壓模式，它是EG8030最簡(jiǎn)單的一個(gè)工作模式。芯片工作在開環(huán)模式，用戶通過調(diào)節(jié)VOLADJ腳的電壓直接控制三相SPWM的調(diào)制深度MA、MB以及MC，且三相調(diào)制深度MA=MB=MC。VOLADJ腳上0～5 V的電壓對(duì)應(yīng)調(diào)制深度MA的0～100%。MA=50%時(shí)，輸出三相電壓有效值。

2.1.2 EG8030工作在三相同步開環(huán)穩(wěn)壓模式設(shè)置

為了使EG8030工作在三相同步開環(huán)穩(wěn)壓模式，各輸入腳的設(shè)置和輸出腳的連接描述如下。1、2腳設(shè)置為“11”，是三相同步開環(huán)調(diào)壓模式，即通過外部的VOLADJ腳提供一個(gè)模擬信號(hào)控制三相SPWM的調(diào)制深度，0～5 V可設(shè)置0%～100%的調(diào)制深度。5腳（IFB）接負(fù)載電流反饋輸入端，6腳（TFB）接溫度反饋輸入，7腳（BET）接逆變輸入端口電壓檢測(cè)，進(jìn)行過壓和欠壓保護(hù)，8腳（VOLADJ）接三相正弦波反饋電壓閾值，作為三相同步調(diào)壓端，9腳（AVFB）、10腳（BVFB）以及11腳（CVFB）接2.5 V，12腳（PHDIR）為相序反轉(zhuǎn)控制引腳，設(shè)置為“0”時(shí)三相輸出相序?yàn)锳-C-B，設(shè)置為“1”時(shí)三相輸出相序?yàn)锳-B-C。引腳14（ENH）為三相SPWM輸出使能引腳，設(shè)置為“0”時(shí)關(guān)閉三相SPWM信號(hào)輸出，設(shè)置為“1”時(shí)開啟三相SPWM信號(hào)輸出。15腳（SST）為軟啟動(dòng)引腳，設(shè)置為“1”，每次重新啟動(dòng)SPWM輸出時(shí)進(jìn)行3 s軟啟動(dòng)，期間正弦波幅值線性遞增。16腳（CFG）為SPWM配置選擇引腳，設(shè)置為“1”，選擇外部引腳配置，芯片獨(dú)立工作時(shí)使用。26腳（TYPH）、27腳（TYPL）設(shè)置為“00”，分別是輸出低電平打開功率管上管和輸出低電平打開功率管下管。30腳（DT0）和31（DT1）腳設(shè)置為“00”是，1.5 μs死區(qū)時(shí)間。32腳（FS1）和33（FS0）腳設(shè)置為“11”，輸出正弦波頻率為50 Hz。

2.2 三相逆變主電路設(shè)計(jì)

變壓采用三角形-星形接線如圖4所示，負(fù)載為3 kW電動(dòng)機(jī)（YE 3-100L-2），功率因素為0.87，電機(jī)工作相電流。選變壓器3 600 W，原副邊變比為92×1.73/380=0.419，相電流為5.2 A/0.419=12.41 A，則三相逆變主電路工作電流為12.41 A×1.73=21.47 A。采用三相逆變主電路使用智能功率模塊IPM，選用FUJI electric的IGBT-IPM模塊6MBP50RH060，這款I(lǐng)PM模塊內(nèi)部集成6組絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）及其驅(qū)動(dòng)電路，額定電流為50 A（2.32倍），耐壓600 V，內(nèi)部集成了過控制電源欠壓保護(hù)（Under Voltage Protection，UVP）、電流保護(hù)（over current protection，OCP）、短路保護(hù)（Short circuit protection，SCP）以及過熱保護(hù)（管殼過熱TcOH、芯片過熱TjOH）等保護(hù)電路，且可通過向IPM相連的MCU輸出報(bào)警信號(hào)，確保系統(tǒng)停止工作。其原理如圖4所示。

圖4 三相逆變主電路

2.3 各種保護(hù)電路設(shè)計(jì)

2.3.1 過流保護(hù)設(shè)計(jì)

保護(hù)電路如圖5所示，N1、N2通過R測(cè)量IMP主電路電流大小I，R可以在N1、N2并聯(lián)一個(gè)康銅電阻絲來改變大小，通過R1反饋到EG8030的IFB，電流超過額定電流50 A時(shí)，取R=0.1 Ω時(shí)UIFB=IR=5 V，EG8030停止工作，保護(hù)電路。

圖5 保護(hù)電路

2.3.2 過熱保護(hù)設(shè)計(jì)

RT是測(cè)量溫度熱敏電阻，溫度越高其電阻值增大。R5和RT通過分壓，由R2反饋到EG8030的TFB腳，溫度超過額定溫度45 ℃時(shí)，EG8030停止工作，保護(hù)電路。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

電路經(jīng)過安裝和調(diào)試，在額定負(fù)載下經(jīng)測(cè)試其主要指標(biāo)為功率3 kW，輸入電壓為交流220 V（±5%），輸出電壓為交流380 V（±5%），電壓畸變率THDu為2.23%，電流畸變率THDi＜6.21%，工作溫度為-20～52 ℃，響應(yīng)時(shí)間為10 ms，額定效率為85.3%,很好地滿足了實(shí)際需要。

4 結(jié) 論

為了將單相220 V交流電轉(zhuǎn)換為三相380 V對(duì)稱純正弦交流電，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)三相負(fù)載的供電問題，本文提出了基于EG8030芯片為核心的模擬電路，通過工頻變壓電路達(dá)到了相應(yīng)設(shè)計(jì)要求。