基于C8051F410的新型大功率三相逆變器設(shè)計(jì)

孫靈芳 紀(jì)慧超

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

隨著環(huán)境污染問(wèn)題的不斷升溫，人們對(duì)清潔能源越發(fā)重視，風(fēng)能及太陽(yáng)能等清潔能源得到廣泛應(yīng)用，因此風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電具有非常好的發(fā)展前景，但利用風(fēng)能發(fā)出的交流電的幅值隨著風(fēng)速的大小而改變，太陽(yáng)能發(fā)出的電是直流電，交流負(fù)載不能直接使用，基于對(duì)這些問(wèn)題的考慮，必須使用逆變器來(lái)解決，因此逆變器的好壞也變得越發(fā)重要。與其他逆變器相比，筆者介紹了一種更為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方案，不但能夠產(chǎn)生穩(wěn)定、高效的正弦波而且能夠承受大功率負(fù)載，輸出波形的幅值和頻率自動(dòng)跟蹤設(shè)定值，這些參數(shù)可以在觸摸屏上顯示和控制。

1 總體方案①

該設(shè)計(jì)總體方案是以型號(hào)為C8051F410的單片機(jī)為核心，包括頻率相位測(cè)量模塊、輸出反饋測(cè)量模塊、脈寬時(shí)間調(diào)整電路、邏輯處理電路、HCP-316J芯片驅(qū)動(dòng)電路、HCP-316J芯片驅(qū)動(dòng)電路供電電源、正弦波濾波器、三相變壓器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

頻率相位測(cè)量模塊主要測(cè)量經(jīng)過(guò)三相變壓器升壓后的三相正弦交流電波形的頻率。反饋測(cè)量模塊采集的數(shù)據(jù)作為C8051F410單片機(jī)調(diào)整輸出電壓的反饋信號(hào)，因此可以根據(jù)設(shè)定的電壓值來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。邏輯處理電路將C8051F410輸出的SPWM波形在同一時(shí)刻進(jìn)行高低電平邏輯取反，然后將兩路相反邏輯的SPWM作為某一相電上下兩個(gè)橋臂的輸入來(lái)控制絕緣柵雙極型晶體管IGBT的打開(kāi)與關(guān)斷。脈寬時(shí)間調(diào)整電路控制IGBT打開(kāi)的死區(qū)時(shí)間，保證上下橋臂的IGBT不在同一時(shí)刻打開(kāi)。A、B、C三相驅(qū)動(dòng)電路由兩個(gè)大功率驅(qū)動(dòng)芯片HCP-316J實(shí)現(xiàn)，六路HCP-316J芯片驅(qū)動(dòng)電路工作需要獨(dú)立的電源，六路驅(qū)動(dòng)電源模塊采用單端反激原理制作。輸出的A、B、C高電壓SPWM波經(jīng)過(guò)正弦濾波器進(jìn)行濾波后輸出高效的正弦波，再經(jīng)過(guò)三相變壓器進(jìn)行升壓后可得到負(fù)載需要的工作電壓，為負(fù)載的正常工作提供穩(wěn)定電源，延長(zhǎng)負(fù)載的使用壽命。系統(tǒng)中需要顯示的數(shù)據(jù)、設(shè)置的參數(shù)和系統(tǒng)的啟/停都可以由觸摸屏完成。

2 原理與設(shè)計(jì)

主要的硬件電路包括以下5部分：C8051F410單片機(jī)工作外圍電路、HCP-316J芯片驅(qū)動(dòng)電路、HCP-316J芯片驅(qū)動(dòng)電路電源、脈寬時(shí)間調(diào)整電路和正弦濾波電路，下面針對(duì)各部分內(nèi)容依次作出詳細(xì)介紹。

2.1 C8051F410單片機(jī)工作外圍電路

C8051F410單片機(jī)芯片內(nèi)部具有一個(gè)高速8051控制器內(nèi)核，指令結(jié)構(gòu)呈流水線：70%的指令執(zhí)行時(shí)間為一到兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，其速度可達(dá)50MIPS，4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，16位可編程計(jì)算器陣列PCA，內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器為24.5MHz，硬件搭建的SMBus/I2C 、增強(qiáng)型UART和SPI串行接口，片內(nèi)具有上電復(fù)位功能、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器，多達(dá)24 個(gè)I/O端口等其他內(nèi)部資源。結(jié)合以上內(nèi)部資源設(shè)計(jì)C8051F410單片機(jī)片上系統(tǒng)(圖2)，其中包括C8051F410單片機(jī)片上系統(tǒng)程序下載的JATG接口、電源退耦、基準(zhǔn)濾波電路、復(fù)位電路。

圖2 C8051F410外圍電路

2.2 HCP-316J芯片驅(qū)動(dòng)電路

A、B、C三相驅(qū)動(dòng)電路[1]由6個(gè)HCP-316J驅(qū)動(dòng)芯片及相應(yīng)的外圍器件構(gòu)成，兩個(gè)HCP-316J芯片驅(qū)動(dòng)電路輸出一相交流電，其中兩個(gè)HCP-316J芯片驅(qū)動(dòng)電路分上下橋臂，上橋臂控制的IGBT連接高壓直流電正極，下橋臂控制的IGBT連接高壓直流電的負(fù)極，每一個(gè)橋臂的輸入前端都具有瞬態(tài)抑制二極管(TVS)，可以起到防雷擊、防過(guò)電壓、抗干擾及吸收浪涌功率等功能。而且在HCP-316J芯片輸入端有大功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF540起到互鎖作用，這樣有效防止輸入電平的邏輯在同一時(shí)刻相同，在輸入端就避免了因相同的電平邏輯而使IGBT同時(shí)打開(kāi)引起的短路事故。當(dāng)輸出正向電壓欠壓或IGBT短路時(shí)，通過(guò)光耦輸出故障信號(hào)反饋給C8051F410進(jìn)行處理[2]。HCP-316J芯片輸出端14腳是IGBT短路電流檢測(cè)輸入端，將兩個(gè)二極管串連與100Ω電阻同時(shí)接入HCP-316J芯片14腳，能夠提高總體的反向耐壓，從而提高驅(qū)動(dòng)電壓等級(jí)。HCP-316J芯片驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)，IC間電流達(dá)150A，CE間電壓1 200V，提升驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載能力。因?yàn)镮GBT的正偏電壓應(yīng)為12～15V；負(fù)偏壓應(yīng)為-2～-10V，所以制作的開(kāi)關(guān)電源，輸出+15V和-5V兩路直流電，分別將兩路電源連接NPN三極管和PNP三極管的集電極，芯片輸出的SPWM波同時(shí)控制NPN三極管和PNP三極管的基集，使得輸出高為+15V的電壓，低為-5V的電壓，保證IGBT的充分打開(kāi)與關(guān)斷。最后將IGBT的上橋臂漏極(C極)連接高壓直流電的正極，下橋臂源極(E極)連接高壓直流的電負(fù)極，上橋臂源極(S極)和下橋臂漏極(C極)連接處輸出想要得到的高壓SPWM波形。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路電源

驅(qū)動(dòng)電源采用單端反激[3]的原理設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源，將交流電接入開(kāi)關(guān)電源后，首先進(jìn)入瞬變?yōu)V波電路，即EMI，主要抑制電源瞬變中的尖峰，然后進(jìn)入整流橋進(jìn)行整流，整流之后將正端給初級(jí)線圈，初級(jí)線圈之間接兩個(gè)箝位二極管[4]，防止高電壓對(duì)TOP221Y[5]的損壞，兩路副邊線圈公地，取其中一路輸出電壓作為反饋信號(hào)，通過(guò)光耦隔離控制反饋邊輸入TOP221Y調(diào)整端的電流最后起到穩(wěn)定調(diào)節(jié)輸出的作用。

2.4 脈寬時(shí)間調(diào)整電路

由于IGBT在打開(kāi)與關(guān)斷的時(shí)候具有一個(gè)死區(qū)時(shí)間[6]，為了避免上下橋臂同時(shí)打開(kāi)，為每一個(gè)橋臂設(shè)計(jì)一個(gè)如圖3所示的脈寬時(shí)間調(diào)整電路，將由C8051F410單片機(jī)輸出的SPWM波與經(jīng)過(guò)邏輯器件輸出的SPWM分別接入脈寬時(shí)間調(diào)整電路，有效控制IGBT的開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間，其中開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間可以由電阻與電容決定，二極管起到保護(hù)作用。

圖3 脈寬時(shí)間調(diào)整電路

經(jīng)過(guò)脈寬時(shí)間調(diào)整電路后輸出的波形如圖4所示，可以看到SPWM波上升沿和下降沿變得平緩，而且在上升沿達(dá)到足夠打開(kāi)上橋臂IGBT電壓時(shí)，下降沿電壓已經(jīng)能夠關(guān)閉下橋臂IGBT，因此避免了邏輯沖突，有效解決了IGBT通斷的死區(qū)時(shí)間問(wèn)題。

圖4 調(diào)整后波形

2.5 正弦濾波

由于C8051F410單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為24.5MHz，經(jīng)過(guò)內(nèi)部寄存器配置為分頻為6.125MHz，配置的可編程計(jì)算器陣列PCA為8位，因此一個(gè)周期需要跟新256次，則載波頻率為：

(1)

C8051F410選擇定時(shí)器2，定時(shí)器2中斷一次為0.1ms，即0.1ms更新一次碼表內(nèi)的數(shù)值，所以定時(shí)器1s刷新10 000次，即要產(chǎn)生50Hz波形，一個(gè)周期內(nèi)定時(shí)器更新200次，所以正弦表內(nèi)的正弦點(diǎn)一個(gè)周期不得大于200個(gè)點(diǎn)，又因?yàn)辄c(diǎn)數(shù)越多波形越好所以選擇一個(gè)周期更新200點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生50Hz的基波頻率。

根據(jù)正弦濾波器的工作電壓、額定功率、載波頻率及基波頻率等參數(shù)制作正弦濾波器[7，8]原理圖如圖5所示。將A、B、C三相分別接入U(xiǎn)、V、W端，用高速數(shù)據(jù)采集儀測(cè)得A、B、C三相直接的線電壓波形如圖6所示。

圖6 三相正弦波

3 人機(jī)接口

人機(jī)接口采用eview觸摸屏組態(tài)，組態(tài)界面如圖7所示。利用RS-232接口與C8051F410單片機(jī)進(jìn)行通信，在此操作界面上能夠顯示設(shè)備的參數(shù)信息同時(shí)能夠?qū)?shù)設(shè)置給定值：給定頻率、跟蹤頻率及給定幅值、跟蹤幅值及設(shè)備故障等信號(hào)，可啟動(dòng)或停止設(shè)備，手/自動(dòng)切換和歷史信息顯示。這樣不但便于操作員直接觀察設(shè)備信息，而且利于參數(shù)的設(shè)置，使得整套逆變器設(shè)計(jì)更人性化。

圖7 人機(jī)接口操作界面

4 調(diào)試實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，第一次將高壓直流電接入IGBT[9]，供電電源短路，將IGBT拆下測(cè)試，發(fā)現(xiàn)IGBT器件損壞，利用高速采集儀保存的數(shù)據(jù)查看驅(qū)動(dòng)IGBT柵極(G極)的SPWM波形(圖8)。可以看到在打開(kāi)的同時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈的抖動(dòng)，導(dǎo)致高壓直流電發(fā)生正負(fù)極短路，于是流經(jīng)IGBT的IC電流增大，導(dǎo)致IGBT[10]損壞，根據(jù)負(fù)載參數(shù)重新計(jì)算驅(qū)動(dòng)電容、電阻的匹配值，如圖9所示。

圖8 SPWM抖動(dòng)波形

圖9 主要參數(shù)匹配電路

設(shè)IC為IGBT打開(kāi)的電流，IC=20A使得IGBT立即開(kāi)通，輸出低電平V=2V，因?yàn)镽41和C57關(guān)系到IGBT開(kāi)通的快慢和開(kāi)關(guān)損耗，增加C57可以減小dIC/dt，計(jì)算可得R41為：

R41=[VCC_3-1-(V+V_-5)]/IC=0.8Ω

(2)

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)，C55起充電延時(shí)作用，當(dāng)芯片開(kāi)始工作，IGBT的漏極(C極)電壓大于7V，在無(wú)C55的情況下會(huì)發(fā)出短路信號(hào)，直接關(guān)斷輸出。在芯片正常工作時(shí)，IGBT的漏極(C極)電壓瞬間升高后立即恢復(fù)正常，如果沒(méi)有C55也會(huì)發(fā)出故障信號(hào)，致使IGBT誤動(dòng)作。然而C55值取得過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)反應(yīng)變慢，并且在飽延時(shí)時(shí)間內(nèi)就燒壞IGBT，起不到保護(hù)作用，假設(shè)C3取值100pF，其延時(shí)時(shí)間T=C3×U/I=2.3μs，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)重新計(jì)算匹配電阻R41、電容C57、C55之后，測(cè)得的SPWM波形[11]如圖10所示，上升沿和下降沿都很平緩無(wú)抖動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖10 參數(shù)調(diào)整后SPWM波形

5 結(jié)束語(yǔ)

基于C8051F410的新型大功率三相逆變器經(jīng)過(guò)調(diào)試實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜉敵龈咝Х€(wěn)定的正弦交流電，對(duì)大功率負(fù)載供電時(shí)能夠穩(wěn)定輸出。并且與其他逆變器的設(shè)計(jì)不同，本設(shè)計(jì)方法將各部分功能進(jìn)行了模塊化，各部分功能通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性后做出詳細(xì)介紹。針對(duì)逆變實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題做出分析，最后給出解決方案，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性，因此此設(shè)計(jì)方法具有非常好的可移植性。

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