基于320F2812PGFA的中頻數(shù)字逆變電源的設計

航天科工慣性技術有限公司 張福亮 趙振江

引言

目前所內(nèi)的彈上和地面中頻電源主要采用線性變換的方式，該變換方式具有電磁兼容性好、可靠性高等優(yōu)點，但同時存在效率低、體積大、指標一致性較差等缺點。而基于數(shù)字控制的中頻逆變電源可以從效率、體積等方面彌補線性電源的不足，采用數(shù)字控制系統(tǒng)，可以方便實現(xiàn)先進的控制算法，使得數(shù)字電源能夠適應于非線性負載，具有良好的動態(tài)性能。同時，數(shù)字化高頻逆變電源會造成比較嚴重的電磁干擾，需要在系統(tǒng)設計中針對交流輸出濾波結構和濾波參數(shù)、控制以及驅動電路著重設計。

本文闡述了基于采用320F2812PGFA數(shù)字控制芯片的方案進行了中頻數(shù)字電源的完整設計，其硬件組成主要包括控制電路、檢測電路、驅動電路、主功率電路以及輔助電源部分。通過對設計方案的仿真驗證，實現(xiàn)了雙閉環(huán)瞬時控制，最后試驗初步驗證了該設計方案的可行性。

1.硬件電路設計

采用單相全橋逆變電路，輸出濾波采用二階LC模式，單相輸出電壓為115V/400Hz，1.5KW。

圖1 主電路結構圖

1.1 主電路及濾波器設計（見圖1）

該部分電路主要包括全橋電路、輸出濾波部分、輸出變量檢測部分。

根據(jù)樣機輸出功率指標，功率器件電壓應力為180V，電流應力為18.4A，根據(jù)1.5～2倍的裕量為準則，選定功率MOSFET IXFH40N30為主開關管。

輸出濾波部分采用差模濾波與共模濾波相結合的濾波方式。差模濾波部分為傳統(tǒng)的LC二階濾波電路：

1）濾波電感設計

輸出濾波器的電流紋波決定了電感的最小值，取額定電流值10%作為紋波設計：

式中，ΔI表示紋波電流。

計算電感量的方程組為：

式中，VDC表示直流母線電壓，uo表示交流輸出瞬時電壓，L表示濾波電感，D(t)表示占空比，f表示開關頻率。

則可以得出：

進一步有：

為了確保電網(wǎng)電壓波動時，逆變器能夠向電網(wǎng)中有效回饋電流，取Vdc=180V，開關頻率f=25.6kHz，得：

實際電路中取電感為0.6mH，而該電感計算值僅為靜態(tài)電感值，當系統(tǒng)額定功率運行時，根據(jù)輸入電壓考慮直流偏置影響，實際運行參數(shù)大概為0.3～0.4mH。

2）濾波電容的設計

電容和電感構成的LC低通濾波器，對高于其諧振頻率的高次諧波將以40dB/decade衰減，設計其諧振頻率為10～20倍的基波頻率，本文取10。

式中，fs表示基波頻率，代入數(shù)據(jù)得，C=5.3μF。考慮到實際電容購買的通用性，實際工程中取電容為6.8μF。

圖2 驅動電源原理圖

輸出電壓、電流檢測分別采用磁隔離霍爾元器件CSB2-10m A、CSNE151-100。

3）共模濾波器設計

共模濾波器采用共模電感和Y電容相結合的方式，在交流輸出端，本系統(tǒng)中選擇Y電容兩端增加共模電感的結構，抑制系統(tǒng)輸出共模干擾的同時，也可以抑制外界負載產(chǎn)生的共模干擾進入系統(tǒng)。共模電感采用鐵鎳材料環(huán)形磁芯，該型材具有高磁導率，不易飽和，高頻濾波效果好的特點，并且對外電磁輻射較低，適用于共模濾波電感。

1.2 控制電路設計

該控制電路采用TI公司專門為電力電子行業(yè)設計的高速控制芯片320F2812，該控制芯片通過內(nèi)部倍頻，時鐘頻率可以達到150M，內(nèi)置12位高精度AD轉換器以及CAN、SCI、SPI等多種外設，尤其是專門適用于電力電子控制的EVA和EVB事件管理器，方便了系統(tǒng)設計并可以利用其高速性能實現(xiàn)電力電子中高性能控制方案設計。

由于通用CPU上電初始化為高電平，所以采用反向邏輯芯片74HC240作為電平轉換芯片并驅動后級電路，同時為防止DSP內(nèi)部弱信號數(shù)字地與模擬地之間交叉干擾，采用電感隔離的方式抑制高頻串擾信號。

為抑制功率電路部分對控制電路板的干擾，控制電路板采用四層布線，增加了電源和地的內(nèi)層，降低地線環(huán)路阻抗，增強控制電路板適應環(huán)境能力，同時，系統(tǒng)采用層疊布局方式，將控制電路板平行固定在功率板下面，這種布局方式可以有效抑制強電（尤其是感容性元件）對弱電信號的電磁干擾。

1.3 檢測電路設計

電路采用交流霍爾傳感器檢測輸出變量，則需要將采樣交流量轉化為直流量并進行電壓量級變換進入DSP內(nèi)置AD，同時在不影響系統(tǒng)動態(tài)響應的前提下，又通過硬件電路配置了二階低通模擬濾波器，可充分抑制檢測信號中的干擾。同時對輸出進行過流以及短路保護，過載通過CPU軟件進行判斷，當過載120%并維持180s時，系統(tǒng)判斷為過載，關閉系統(tǒng)。而當系統(tǒng)電流超過120%時，認為短路，直接關閉系統(tǒng)，并進行故障提示。

1.4 輔助電源設計

如圖2所示，輔助供電電源，一部分為驅動芯片供電，另一部分為控制電路以及檢測電路供電，該輔助電源采用單端反激控制方式，該電路就具有結構控制簡單，對輸入電壓范圍要求比較低，元器件少等優(yōu)點。

圖3 系統(tǒng)控制原理圖

2.控制方案設計

近幾年，為了克服傳統(tǒng)控制方案的不足，許多改進的控制方案都成為研究熱點。應用較多的有：電壓單環(huán)PID控制，電壓電流雙閉環(huán)控制，滯環(huán)控制，重復控制，滑模變結構控制等。其中，采用瞬時值控制方案可以在運行過程中實時地調(diào)控輸出電壓波形，提高逆變電源的供電質(zhì)量。目前，采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案是高性能逆變電源的發(fā)展方向之一。雙閉環(huán)控制方案的電流內(nèi)環(huán)加大了逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，使得逆變器動態(tài)響應加快，輸出電壓的諧波含量減小，非線性負載適應能力加強。

在雙閉環(huán)控制方案中，又分為電容電流內(nèi)環(huán)和電感電流內(nèi)環(huán)兩種，基于對逆變電源輸出過載的保護，本文采用了電感電流內(nèi)環(huán)控制方案，起到輸出過載保護的作用。

2.1 雙閉環(huán)控制方案分析

忽略電感L、電容C的寄生電阻，控制框圖如圖3所示。控制方案采用雙環(huán)控制策略，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)控制，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能；外環(huán)是瞬時電壓環(huán)控制，改善輸出電壓的波形，使系統(tǒng)具有較高的輸出精度。其中L為濾波電感值，C為濾波電容值，K2為內(nèi)環(huán)電流檢測系數(shù)，K 1為外環(huán)電壓檢測系數(shù)，KPWM為PWM環(huán)節(jié)等效增益。輸出電壓與給定參考信號相比較得到的誤差信號經(jīng)瞬時電壓PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，其輸出作為內(nèi)環(huán)電流的給定信號。反饋電感電流與內(nèi)環(huán)給定信號比較，誤差信號經(jīng)內(nèi)環(huán)P調(diào)節(jié)器，得到內(nèi)環(huán)的控制信號，即調(diào)制波信號，最后送入PWM控制器，與載波比較產(chǎn)生SPWM脈沖。

由于外環(huán)的瞬時PI調(diào)節(jié)無法完全消除靜差，所以本論文設計中加入了輸出電壓有效值的閉環(huán)控制，充分消除了輸出的穩(wěn)態(tài)誤差。方案中采用的控制器如下：

2.2 控制算法設計

數(shù)字控制部分主要實現(xiàn)閉環(huán)控制功能、過壓過流定時判斷功能，以及實現(xiàn)畸變率控制等指標性能。DSP主要完成模/數(shù)轉換、數(shù)據(jù)的運算和控制信號的輸出；外圍電路主要的作用是輸出模擬信號的采樣、與DSP接口的電平轉換、控制信號的輸出等。

3.實驗結果

圖4 試驗波形

如圖4所示，低壓調(diào)試輸出功率100W，輸出波形正弦度較理想，經(jīng)諧波分析儀測試，輸出電壓畸變率在3%左右，初步實驗驗證了硬件電路以及軟件控制方案的正確性。

4.結語

本文對單相逆變電源進行了硬件以及軟件設計，并著重分析設計了輸出濾波器的結構以及參數(shù)，通過MATLAB仿真并初步試驗，驗證了該設計方案的有效性，為中頻數(shù)字逆變電源的后續(xù)試驗及研發(fā)改進奠定了基礎。

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