一种新型SPWM中频电源的研制

2006-05-07 15:49:46来源: 电源技术应用

重量轻、可靠性高的中频电源。逆变器采用MICROCHIP公司的PIC16C73作为CPU,单相SPWM波形发生器SA838产生SPWM波形,富士混合集成驱动电路EXB840构成隔离驱动保护电路,主电路采用高压整流模块和IGBT模块,组成高效智能的逆变电源。全系统简洁明了,维修便捷,具有实用价值。

    逆变电源载波频率20kHz,交流输入三相160V~260V,交流输出单相115±2V,频率400Hz,功率2kW,效率85%,线性负载谐波畸变率<5%。

2 电源硬件电路

    图1为电源硬件结构框图,它有以下几个组成部分:

2.1 小型三相发电机

    该机采用普通民用三相发电机,这种产品技术较为成熟,目前种类齐全且价格低廉。

2.2 PIC16C73单片机控制电路

    PIC单片机采用RISC结构,具有高速度,低功耗,驱动能力强大的优点,其低价OTP技术和小巧的体积便于用户保密技术和产品商品化。PIC16C73带有5个8位A/D口,4kEPROM,内置看门狗。

2.3 SPWM波形发生器

    常规的脉宽调制技术多通过模拟电路实现,线路复杂,温度稳定性欠佳,而后出现的数字化电路则依据预想的数学模型数据查表进行控制,控制精度受写入ROM的数据结构影响。以上方法皆调试繁琐,工作量较大。

    SA838是MITEL公司专为单相逆变电路设计的SPWM波形发生器,尤其与CPU组成的系统操作数字化,抗干扰能力强,接口简单,通用性好。在电路不变的情况下,通过软件修正,就可改变逆变器的性能指标,大大提高了调试效率,降低了产品成本。

2.4 隔离驱动电路

    采用富士混合集成电路EXB840,由于其直接驱动能力不足,且容易使IGBT误导通,为使IGBT正常可靠地工作,必须增加一级互补驱动和提高负压。

2.5 逆变器主电路

    为防止逆变器工作时产生的电磁干扰影响其它设备,特设置LC滤波器。输入的三相电压通过三相整流模块,经过两只电解电容滤波供给半桥逆变器。为限制合闸瞬间的冲击电流,整流模块和电容之间串联了100Ω电阻,合闸5s后通过继电器短路该电阻。

2.6 显示及报警

    显示系统运行时关键参数数值,提示系统工作状态。由LED及相关仪表组成。

3 SA838的结构和工作原理

    SA838采用MOTEL总线标准,易与大部分微处理器接口连接,运行参数一旦设定完毕,仅当需改变方式时,才需CPU介入,使用十分方便。

3.1 管脚说明

    SA838为20脚双列直插或扁平小外形封装。图2为SA838管脚标示。

    (1)MOTEL微机接口总线,其中AD0~AD7数据/地址线复用,INTEL模式中,ALE信号下降沿锁存地址,WR上升沿写入数据,RD空闲不用。但必须置高或与CPURD相连接,Motorola模式中,地址由AS下降沿锁存,数据由DS下降沿写入,片选CS供选通用,CLK为控制时钟输入。

    (2)SPWM波形输出口,由PWMT和PWMB组成。

    (3)单相SPWM输出及控制通道,主要包含:

    1)自动紧急保护关断口SETTRIP

    2)输出状态指示

    3)复位端口

    4)电源VDD为+5V电源端,Vss为接地端

3.2 功能特点

    (1)全部数字化操作,输出波形精度高,温度稳定性好,抗干扰能力强。

    (2)工作频率范围宽。三角波载频率最高可选择至24kHz(当时钟频率为12.288MHz时)调制频率精度高达12位。

    (3)工作方式灵活。SA838极易与CPU接口连接,其工作参数:载频率、调制频率、输出幅值、脉冲取消时间、脉冲延迟时间等等,都可通过CPU很方便地写入,并只在需改变工作方式时才刷新。

3.3 内部结构

    图3为SA838的内部结构框图,SA838主要由三部分组成。

    (1)接收存储处理命令单元:由总线及其控制、寄存器R0~R4,24位初始化寄存器,24位控制寄存器组成。

    (2)SPWM波形发生器:由地址发生器、波形ROM和相位控制逻辑组成。

    (3)输出通道及其保护单元:由脉冲取消、脉冲延时和关闭锁定组成。

3.4 工作原理

    SA838通过RST复位后,将微处理器传送的各种预置参数通过寄存器R0-R4分别写入24位初始化寄存器和24位控制寄存器,初始化寄存器中的内容一经设置,运行中不能再改变,而控制寄存器中的内容则可跟踪控制对象的运行状况随时调整。波形ROM只存有0°~90°的波形幅值,由于正弦波四象限的对称关联性,SA838通过相位逻辑控制,根据CPU预置参数值,即可产生所需的0°~360°波形,再经过脉冲取消电路以过滤干扰脉冲,通过脉冲延时电路加入死区时间,最终两路TTL电平的互补PWM波形输出。

3.5 控制方式

    根据文献1确定SA838相关工作参数后,依图4编程。

3.6 CPU对SA838工作时序控制

    依照严格的时序进行控制,关系到SA838能否可靠地接收CPU指令,对于SA838诸信号端口,工作流程如图5。

    必须强调的是:SA838对时钟信号的强弱较敏感,依附CPU内部时钟电路产生的时钟信号根本不能使SA838工作,必须用独立构造的外部振荡电路生成工作时钟。另外,PIC系列CPU管脚与MCS系列相比有其自身的特殊性,无法沿用SA838与MCS系列芯片的接口原则,必须深刻理解SA838的工作时序,才可能做出正确的软硬件设计。

4 保护及抗干扰措施

4.1 保护措施

    (1)硬件保护通过电流和电压互感器对逆变器输出监测,EXB840对IGBT的过流过压情况监控,一旦受控对象异常,关机信号直接通过SA838的SETTRIP端关闭PWM输出,并送往CPU处理。

    (2)软件保护CPU可以应硬件电路送来的保护要求执行关机,也可以根据自身的测试数据进行独立判断。

3.2 抗干扰措施

    (1)稳定洁净的电源是CPU系统工作的首要条件,采用高品质的进线滤波器,可以极大地改善各主要控制芯片的工作环境。

    (2)PCB板走线的合理趋向和分布。

    (3)利用PIC内的Watchdogtimer防止CPU死机。

    (4)对IGBT的栅极驱动电路,采用Kelvin接地。

5 逆变器控制软件设计

    控制的基本思路是:通过对输出值的循环采样,确认控制对策。软件流程如图6。

6 试验情况

    实验室内,400W的离心风机和1000W的线性负载同时作为负载,输出正弦波失真度<3%,实验波形见图7(a)。

    现场常温实验,利用某装备做复杂组合负载,工作频率400Hz,电压115V,电流10.62A,相关实验波形如图7(b)、7(c)所示,结果表明大大改善了该装备的工作条件,达到了预期效果。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2059.html
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