一种简易数字控制的三相逆变电源的研制

摘要：研制了一种新型的三相逆变电源，采取了一种新型的SPWM数字控制方案，分析了其系统结构与工作原理，实验结果表明：输出波形达到要求，实现简单，成本低，方案可行。

关键词：数字控制；三相逆变电源；推挽电路

1  引言

    逆变电路较为常用的是SPWM控制方式。这种方式较容易用模拟电路实现，但脉冲稳定性和抗干扰能力差。市售的用于三相逆变电源的数字控制集成芯片，如HEF4752等，又存在运算速度受处理器的字长因素影响、价格昂贵等问题。本文介绍了一种用高频开关电源代替变压器升压和隔离的三相逆变电源系统，提出了一种新型实用的预置相位PWM数字控制方案，其基本思想是将SPWM对应于开关管的脉宽通过仿真预先计算出来，转换为十六进制数后存储于EPROM内。经地址扫描、锁存后，将预置于EPROM内的数值转换成对应的触发脉冲，以驱动逆变器主电路开关管。逆变控制电路仅采用一片EPROM及几片集成芯片构成，整个控制器硬件结构简单，降低了成本。

2  系统结构与工作原理

    图1给出了本文所提出的三相中频逆变电源的系统原理框图。该系统由推挽式开关电源与三相逆变电源有机地结合起来，是通过直流－交流－直流－交流的变流方式完成的，逆变电路部分调制比不变，通过调节推挽电路的占空比达到稳定交流输出电压的目的。其主要组成部分有主电路、检测保护电路和控制电路。

图1  三相逆变电源原理框图

2.1  推挽升压电路

    根据电路输入电压低，电流大的实际特点，对比了目前常用的推挽式、半桥式、全桥式的优缺点后，升压电路采用了推挽变换电路，其电路结构如图2所示。它具有使用功率开关器件数量少、驱动电路简单等优点。控制集成芯片采用TL494，芯片提供了一个内部基准电压(5V±1％),其内部误差放大器有一个共模电压范围，工作电压范围宽(8～40V),最高工作频率可达300kHz，在CT脚和放电脚之间用单个电阻连接可对死区时间进行调整。

图2  推挽升压电路

    假设变压器变比为N₂/N₁，D为V₁、V₂控制脉冲的占空比，则输出电压V_o1为

    V_o1=2DV_in(N₂/N₁)(1)

由式（1）可知，只要调节占空比D即可调节直流侧输出电压V_o1，从而改变交流输出电压，其中D由电压反馈环节反馈并经PID调节器处理后送至TL494的反馈输入端（管脚3）。

2.2  逆变电路

    1)控制电路

    本文采用了一种新型的预置相位PWM波的数字控制方案，逆变器六个开关管的开关状态同某一调制比的SPWM脉冲相对应（本实验电路中调制比为0.98），其出发点是由一片EPROM来存储这六个开关管的开关状态，同一桥端开关管之间相位互差120°,同桥臂上下开关管互补导通且有死区。其逆变驱动电路如图3所示。

图3  三相逆变驱动电路

    预置于EPROM内的数值由多种方式产生，常见的是先计算出来并存表，对应于不同的基波频率，按一定规律算出相对应的脉宽，再转换成数值。本文通过建立起三相逆变电路SPWM控制的模型，采用MATLAB仿真，M-file程序加死区处理后得到如图4所示的控制开关管的脉冲波形。

(a)对应开关管V_T1

(b)对应开关管V_T4

图4  对应开关管的控制脉冲

可见，同一桥臂两开关管V_T1与V_T4的控制脉冲满足互补导通关系。将一个周期取样，高电平“1”对应开关管导通，低电平“0”对应开关管关断，就可将一周期内任一时刻六个开关管的开关状态对应于二进制数010110、010100、110100......依此类推，可得出任一时刻的六个开关管开关状态。将这些二进制数据转换为十六进制后存储于EPROM内，再经如图5所示的SPWM波生成原理图转换后，就可将这些存储于EPROM内的数据转换成任一时刻开关管对应的状态。修改MATLAB程序，可得到不同的开关频率，也可改变调制比和输出的基波频率。

图5  SPWM波生成原理图

    2）驱动电路

    本文采用的是由IR2130为核心元件及其外围元器件构成的驱动电路，电路结构简单，集成度高，集控制电路、电平转换、低阻抗输出和识别保护等为一体。仅需一路辅助电源供电，较常规的驱动电路省去了三路辅助电源，几个外围分立元器件就可使三相桥式电路的逻辑控制信号与MOS栅极器件完整连接。

2.3  检测与保护电路

    检测电路主要有直流输入电流检测、推挽直流输出电压检测、交流输出电压检测等。根据直流输入电流的检测结果，可判断推挽环节和逆变环节有无过载和短路现象，若有，则通过保护电路封锁控制信号脉冲使推挽升压电路和逆变电路均停止工作；交流输出电压检测电路一方面将电压反馈至推挽环节的调整电路以调整逆变器的输出电压，另一方面送至保护电路，当输出电压过高时封锁输出电压脉冲，以上保护信号还可转换成对应的电压信号送至IR2130的脚9（Itrip端），当该信号大于其内置的0.5V参考电位时，IR2130就封锁六路开关管的驱动信号，起到了双重保护作用。

3  实验结果

    根据上述理论，设计了一台样机。主要技术指标为

    蓄电池电压在22～26V之间变化；

    输出交流电压为110V±3％；

    频率为400Hz±0.1％；

    输出功率为500W。

3.1  电路参数

    推挽升压电路    功率管选用两只2SK1506并联，开关频率为40kHz。

    逆变电路    输出滤波电感为1mH，滤波电容为5μF，功率管选用IRF840，开关频率为10kHz。

3.2  实验结果

    图6为同一桥臂上下两管（开关管V_T1、V_T4）的驱动波形，可见，死区时间的加入使两管的驱动波形不完全满足互补导通关系。图7为三相（图中仅示出两相）逆变电源输出电压波形，由图可见其输出波形正弦度较好，满足预定的性能指标。

图6  MOSFET的驱动波形(5V/div，100μs/div)

上管对应V_T1的驱动波形

下管对应V_T4的驱动波形

图7  逆变器输出电压波形（50V/div,2.5ms/div）

4  结语

    理论分析和实验结果都表明，本文提出的这种新型、简易的三相逆变电源的数字控制方案是一种可行的SPWM控制方案。由于采用了数字控制方案，它具有较强的抗干扰能力，可靠性高，而且实现简单、电路成本低，具有较高的性价比。