PWM控制电路的基本构成及工作原理

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基于DSP 的三相SPWM 变频电源的设计

变频电源作为电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。现代变频电源以低功

耗、高效率、电路简洁等显著优点而备受青睐。变频电源的整个电路由交流 -直流-交流-滤波等部分构成，输出电压和电

流波形均为纯正的正弦波，且频率和幅度在一定范围内可调。

本文实现了基于TMS320F28335的变频电源数字控制系统的设计，通过有效利用TMS320F28335丰富的片上硬件资 源，实现了 SPWM 的不规则采样，并采用PID 算法使系统产生高品质的正弦波，具有运算速度快、精度高、灵活性好、 系统扩展能力强等优点。

系统总体介绍

根据结构不同，变频电源可分为直接变频电源与间接变频电源两大类。本文所研究的变频电源采用间接变频结构即

交-直-交变换过程。首先通过单相全桥整流电路完成交 -直变换，然后在DSP 控制下把直流电源转换成三相 SPWM 波形 供给后级滤波电路，形成标准的正弦波。变频系统控制器采用 TI 公司推出的业界首款浮点数字信号控制器 TMS320F28

335,它具有150MHz 高速处理能力，具备32位浮点处理单元，单指令周期 32位累加运算，可满足应用对于更快代码 开发与集成高级控制器的浮点处理器性能的要求。与上一代领先的数字信号处理器相比，最新的

F2833x 浮点控制器不 仅可将性能平均提升50%，还具有精度更高、简化软件开发、兼容定点 C28x TM 控制器软件的特点。系统总体框图如

图1所示。

图1系统总体框图

（1）整流滤波模块：对电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的直流电压。

（2）三相桥式逆变器模块：把直流电压变换成交流电。其中功率级采用智能型

IPM 功率模块，具有电路简单、可 靠性高等特点。 （3）LC 滤波模块：滤除干扰和无用信号，使输出信号为标准正弦波。

（4） 控制电路模块：检测输出电压、电流信号后，按照一定的控制算法和控制策略产生 SPWM 控制信号，去控制

IPM 开关管的通断从而保持输出电压稳定，同时通过 SPI 接口完成对输入电压信号、电流信号的程控调理。捕获单元完

成对输出信号的测频。

（5） 电压、电流检测模块：根据要求，需要实时检测线电压及相电流的变化，所以需要三路电压检测和三路电流

检测电路。所有的检测信号都经过电压跟随器隔离后由 TMS320F28335的A/D 通道输入。

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（6）辅助电源模块：为控制电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证系统工作稳定可靠。

系统硬件设计

变频电源的硬件电路主要包含 6个模块：整流电路模块、IPM电路模块、IPM隔离驱动模块、输出滤波模块、电压

检测模块和TMS320F28335数字信号处理模块。

整流电路模块

采用二极管不可控整流电路以提高网侧电压功率因数，整流所得直流电压用大电容稳压为逆变器提供直流电压，该电路由6只整流二极管和吸收负载感性无功的直流稳压电容组成。整流电路原理图如图2所示。

图2整流电路原理图

IPM电路模块

IPM由高速、低功率IGBT、优选的门级驱动器及保护电路组成。IGBT （绝缘栅双极型晶体管）是由BJT （双极型三极管）和MOS （绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件。GTR饱和压降低，载流密度大，

但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压。因而IPM具有高电流密度、低饱和电压、高耐压、高输入阻

抗、高开关频率和低驱动功率的优点。本文选用的IPM是日本富士公司的型号为6MBP20RH060的智能功率模块，该智能功率模块由6只IGBT管子组成，其IGBT的耐压值为600V，最小死区导通时间为3口。

IPM隔离驱动模块

由于逆变桥的工作电压较高，因此DSP的弱电信号很难直接控制逆变桥进行逆变。美国国际整流器公司生产的三相桥式驱动集成电路IR2130,只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件。

IR2130驱动其中1个桥臂的电路原理图如图3所示。C1是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，D 1可防止上桥臂导通时直流电压母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏。R1和R2是IGBT的门极驱动电阻，一般可

采用十到几十欧姆。R3和R4组成过流检测电路，其中R3是过流取样电阻，R4是作为分压用的可调电阻。IR2130的H

IN1〜HIN3、LIN1〜LIN3作为功率管的输入驱动信号与TMS320F8335的PWM连接，由TMS320F8335控制产生PWM 控制信号的输入，FAULT与TMS320F8335引脚PDPINA连接，一旦出现故障则触发功率保护中断，在中断程序中封锁 PWM信号。

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图3 IR2130驱动其中1个桥臂的电路原理图

输出滤波模块

采用SPWM控制的逆变电路，输出的SPWM波中含有大量的高频谐波。为了保证输出电压为纯正的正弦波，必须采用输出滤波器。本文采用LC滤波电路，其中截止频率取基波频率的 4.5倍，L=12mH , C=10（i F。

电压检测模块

电压检测是完成闭环控制的重要环节，为了精确的测量线电压，通过TMS320F28335的SPI总线及GPIO 口控制对

输入的线电压进行衰减/放大的比例以满足A/D模块对输入信号电平（0-3V）的要求。电压检测模块采用256抽头的数字电位器AD5290和高速运算放大器AD8202组成程控信号放大/衰减器，每个输入通道的输入特性为 1M D输入阻抗+30pF<电压检测模块电路原理图如图4所示。

图4电压检测电路原理图

系统软件设计

系统上电后按照选定的模式自举加载程序，跳转到主程序入口，进行相关变量、控制寄存器初始化设置和正弦表初始化等工作。接着使能需要的中断，启动定时器，然后循环进行故障检测和保护，并等待中断。主要包括三部分内容：定时器周期中断子程序、A/D采样子程序和数据处理算法。主程序流程图如图 5所示。

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