矿用大功率逆变电源电路的设计

矿用大功率逆变电源电路的设计
周成虎
【摘要】采用C8051F020单片机进行控制,设计了矿用逆变电源电路,电源电路以数字正弦脉宽脉位调制(SPWPM)控制算法.经试验,结果证明该电源电路可行,具有输出电压自动调节、过压保护、输入过压保护及过热保护等功能.
【期刊名称】《煤矿机电》
【年(卷),期】2013(000)005
【总页数】3页(P33-35)
【关键词】逆变器;脉宽调制;单片机控制
【作者】周成虎
【作者单位】郑州市艺达建设工程咨询有限公司,河南郑州450005
【正文语种】中文
【中图分类】TN86;TM464
1 矿用大功率逆变电源系统
为提高系统的实时性和可靠性，用单片机C8051F020生成SPWM及输出电压的闭环控制，设计了矿用逆变电源电路，逆变电源系统框图如图1所示。

图1 逆变电源系统框图
由图1看出，整个电路分为:全桥逆变主电路，驱动电路和保护电路。

直流蓄电池电源输入，经滤波输入到桥式逆变电路。

采用IRF840作为功率器件，IR2110作
为MOSFET的驱动电路。

PWM发生器在单片机的控制下，通过驱动电路对输出脉冲进行调制就可改变输出电压和频率，再经输出变压器隔离，电容滤波后获得正弦波形输出供给负载。

2 系统硬件电路设计及原理
2.1 主电路拓扑结构及工作原理
全桥变换器拓扑结构如图2所示。

功率变压器T1接在开关管VT1、VT2的连接点与 VT3、VT4的连接点之间。

在每个周期内VT2、VT3与VT4、VT1交替导通，导通时间由单片机PWM控制。

变压器初级电压为正弦波，幅值为正、负方波电压［1］。

其全桥变换器有两个输出，即主输出U0和反馈输出Uf。

电路工作过程为，斜对角的两个开关管(VT2和VT3或VT4和VT1)同时导通，两组开关管交替导通半个周期，若忽略开关管的导通压降，则施加到变压器的初级电压是幅值为Vdc、宽度为Ton(受反馈环控制)交变信号。

当输入电压Vdc上升或下降时，脉宽调制器将以同样的比例减小或增大脉宽来保持输出电压恒定［2］。

图2 全桥变换拓扑结构图
2.2 单片机产生正弦脉宽调制SPWM波的原理
用C8051F020的PCA计数器产生SPWM波形的基本原理是:在高速输出且允许中断方式下，在中断服务程序中将事先计算好的SPWM波形的脉冲宽度累加到捕捉/比较模块寄存器PCAOCPn(高8位PCAOCPHn和低8位PCAOCPLn)中，这样在捕捉/比较模块寄存器和计数器/定时器相匹配时，就得到相应的SPWM波形不断交替的高低电平。

SPWM波形的脉冲宽度采用查表法，使用软件给定一系列固定的采样点数，根据需要调节振幅系数，输入初始相位，运行并保存就能得到所需的数据。

用该仿真软件计算得到的一组PWM采样点数据如下所示。

2.3 驱动电路设计
驱动电路如图3所示。

其IR2110采用自举电路，具有独立的高端和低端输出通道。

它采用施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定，开通与关断传输延迟时间是接近匹配的(失配时间不大于10 ns)，开通传输延迟时间比关断传输延迟时间长25 ns，这样保证了功率管在工作时不会发生重叠导通。

为了更加安全起见，可在功率管的栅极上加一电阻与二极管网络，可进一步延迟功率管的导通，对其关断没有影响，这就相当于增加了死区时间。

图3 驱动电路原理图
输出逆变电路采用了全桥拓扑结构，主要选择了两个IR2110驱动器构成全桥驱动电路。

由于单片机产生的SPWM的幅度较小，而IR2110的输入电压幅度在10～15 V之间，这样就需要加上光耦，把单片机产生的SPWM的信号电压的幅度放大。

本文采用高速光耦6N137。

3 软件设计
主程序流程图如图4所示，在系统初始化过后首先设置输出频率，然后计算SPWM脉宽，根据所设频率选择调制比N，计算脉宽并确定最大值。

在SPWYM 输出程序中，设置PCA特殊功能寄存器并启动计数器输出SPWM波形。

在中断服务程序中根据CCFn的值判断匹配捕捉/比较模块，然后根据该模块CEX 引脚的电平状态，判断是否将SPWM波形的高电平脉宽值累加到捕捉/比较模块
寄存器上。

同时，根据脉宽数据指针与最大值是否相等来确定SPWM周期，当载波比N发生变化时，最大值会被修正。

图4 软件流程图
4 实验结果
实验电源为48 V蓄电池，输出电压V0=660 V，输出电流I0=0～1.5 A，开关频
率fs=1 kHz。

实验波形如图5所示。

实验证明该系统工作稳定可靠。

图5 负载电压波形
5 结语
通过采用C8051单片机进行控制，并以数字正弦脉宽位调制(SPWM)控制算法，
所设计的矿用大功率逆变电源电路具有运算精度高、时间可调节性强的特点。

同时，通过改变SPWM波脉宽计算的办法，可实现单极性SPWM波形。

该电源电路经
试验，已取得较好的效果。

参考文献:
［1］Barker P P.Ultra capacitors for use in power quality and distributed resource applications［C］//Power Engineering society Summer Meeting，IEEE.2002，3(18):1516-1523.
［2］李开彦，贺攀，干磊.PWM技术优化的实现与应用［J］.煤炭技术，2011，30(9):66-69.。