包廣清，任士康

（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

近幾年，汽車(chē)已由最初的代步工具逐漸發(fā)展為集辦公娛樂(lè)為一體的交通工具:除了常見(jiàn)的車(chē)載DVD音響系統(tǒng)外，車(chē)載電視、車(chē)載冰箱、筆記本電腦等電器產(chǎn)品也成為人們的需求，而這些電器產(chǎn)品大部分需要220 V，50 Hz的正弦交流電供電，逆變電源能將12 V的直流電壓轉(zhuǎn)換成220 V，50 Hz的交流電供一般電器使用，因此研究一款性能比較高的車(chē)載逆變電源具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的車(chē)載逆變電源采用全橋逆變加工頻變壓器升壓方案，其缺點(diǎn)是效率低、體積大、噪聲大，且伴有嚴(yán)重的啟動(dòng)困難問(wèn)題，無(wú)法滿足人們的要求［1-2］。

該系統(tǒng)前級(jí)升壓電路以TL494為主控芯片，采用推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用高頻變壓器對(duì)12 V直流電壓進(jìn)行隔離升壓；后級(jí)逆變電路以宏晶（STC）系列的工業(yè)用單片機(jī)STC12C5A60S2為主控芯片對(duì)全橋電路進(jìn)行控制，該芯片功耗低，抗干擾強(qiáng)，片內(nèi)自帶PWM產(chǎn)生模塊、A/D轉(zhuǎn)換器，可節(jié)省外圍電路的設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本；本研究采用“逆變電路先觸發(fā)、升壓電路后觸發(fā)、根據(jù)輸出電壓實(shí)時(shí)更新占空比”的穩(wěn)壓控制策略，結(jié)合實(shí)驗(yàn)樣機(jī)平臺(tái)對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)。

1 硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用兩級(jí)式級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［3-4］，即將12 V直流電壓升壓后再進(jìn)行單相全橋逆變。前級(jí)升壓側(cè)采用推挽電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該電路具有開(kāi)關(guān)器件少、變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)，普遍應(yīng)用于低壓輸入的場(chǎng)合［5］，并結(jié)合PC817與TL431組成母線電壓負(fù)反饋電路；后級(jí)逆變側(cè)采用全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單極性PWM控制方式逆變輸出。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

表1 車(chē)載逆變電源主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 推挽拓?fù)淇刂齐娐吩O(shè)計(jì)

推挽拓?fù)淇刂齐娐啡鐖D2所示，該電路以TL494為主控芯片，該芯片包含了脈寬調(diào)制型開(kāi)關(guān)電源的所有控制部分:5 V直流電壓參考電源、兩個(gè)誤差放大器、觸發(fā)器、輸出控制電路、脈寬調(diào)制比較器、死區(qū)時(shí)間比較器和一個(gè)振蕩器。通過(guò)更改外圍的定時(shí)電阻與定時(shí)電容就可以實(shí)現(xiàn)某一固定頻率的PWM輸出，切換電源供給器的供給電壓可選擇單端式或推挽輸出的模式［6］。

圖2 推挽拓?fù)涞目刂齐娐?/p>

該控制電路將TL494的輸出控制引腳接+5 V，設(shè)置為推挽輸出模式；為了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力保證開(kāi)關(guān)管的可靠導(dǎo)通與關(guān)斷，筆者設(shè)計(jì)了推挽電路即Q1，Q5和Q2，Q6；U2B（PC817）將母線電壓降壓隔離后的小信號(hào)反饋到TL494的誤差放大器引腳來(lái)保證母線電壓有良好的穩(wěn)定性。當(dāng)母線電壓高于400 V時(shí)，U2B的4腳的電壓就會(huì)升高，進(jìn)而TL494的3腳反饋電壓升高，輸出觸發(fā)脈沖的占空比下降，母線電壓隨之下降，該反饋控制電路還具有過(guò)壓保護(hù)的作用；當(dāng)母線電壓介于310 V～400 V之間時(shí)，輸出觸發(fā)脈沖將以恒定的占空比即48%進(jìn)行輸出。

1.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本研究通過(guò)設(shè)置單片機(jī)的可編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA）模塊的比較/捕捉寄存器（CCAPMn），讓其工作在8位PWM、無(wú)中斷的輸出模式［7］。根據(jù)正弦脈寬調(diào)制的原理［8］，結(jié)合公式Vref=Vpsin(2πk/N)(k=0,1,2…N/2-1)，來(lái)制作占空比成正弦變化脈沖所對(duì)應(yīng)的數(shù)值表。其中:N—每周期采樣點(diǎn)數(shù)，Vp—逆變器的期望輸出電壓所對(duì)應(yīng)的數(shù)值。單片機(jī)通過(guò)查表程序?qū)崟r(shí)更新內(nèi)部寄存器（CCAPnL/CCAPnH）的值來(lái)產(chǎn)生占空比從1～0呈正弦變化的脈沖波，然后經(jīng)過(guò)反相死區(qū)處理電路后加在驅(qū)動(dòng)芯片HCPL3120上。

驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示（以左側(cè)橋臂為例），以HC?PL3120為主控芯片，該芯片的輸出電流能力高達(dá)2 A，最大絕緣耐壓630 V，普遍應(yīng)用于IGBT及MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路中。本研究在HCPL3120的輸出端設(shè)置了限流電阻R16、R17，通過(guò)電阻R52、R53對(duì)開(kāi)關(guān)管的柵源極等效電容充電，保證開(kāi)通信號(hào)有良好的前沿陡度［9］，并且在柵源極間并聯(lián)了穩(wěn)壓二極管D55、D51，D56、D52，可靠地防止了柵極驅(qū)動(dòng)的高壓尖峰［10］。該驅(qū)動(dòng)電路的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在:添加了負(fù)偏壓電路即穩(wěn)壓管U5、U6及泄放電路D20、D22。U5、U6用來(lái)提供-5 V的反相關(guān)斷電壓，D20、D22及時(shí)把開(kāi)關(guān)管的柵極電荷泄放掉，來(lái)保證開(kāi)關(guān)管的可靠關(guān)斷。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路

1.3 逆變?yōu)V波電路設(shè)計(jì)

逆變?yōu)V波電路如圖4所示，逆變側(cè)采用全橋逆變電路，每個(gè)橋臂的上下管交替導(dǎo)通。為抑制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通關(guān)斷產(chǎn)生的電壓尖峰，本研究在母線兩側(cè)跨接CBB電容［11］，即C57、C58，而不是采用RCD吸收電路［12］，既降低了設(shè)計(jì)成本也達(dá)到了預(yù)期效果。然后采用LC濾波電路進(jìn)行濾波，將截止頻率設(shè)定為2 kHz，由公式進(jìn)行計(jì)算，取L=2.4 mH，C=2.25 μF。

圖4 逆變?yōu)V波電路

1.4 短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)

短路保護(hù)電路如圖5所示，其作用是為了防止橋臂的上、下管同時(shí)導(dǎo)通造成短路危險(xiǎn)。通過(guò)檢測(cè)開(kāi)關(guān)管的管壓降即漏極、源極間的電壓來(lái)判斷是否有短路現(xiàn)象發(fā)生［13］。其中，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)LHS接到左側(cè)橋臂下管的漏極，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)RHS接到右側(cè)橋臂下管的漏極，一旦有短路現(xiàn)象發(fā)生，LHS或RHS端的電壓將迅速上升，那么Q4或Q3導(dǎo)通，從而網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)P20由原來(lái)的低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，單片機(jī)立即關(guān)閉輸出。

圖5 短路保護(hù)電路

2 軟件設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化程序、軟啟動(dòng)程序、SPWM波形產(chǎn)生程序、輸出電壓/輸出電流檢測(cè)程序、橋臂短路保護(hù)程序及串口通信程序。

單片機(jī)上電后先執(zhí)行定時(shí)器初始化、PCA初始化、A/D初始化、串口初始化程序，然后執(zhí)行軟啟動(dòng)程序，隨后執(zhí)行電池電壓檢測(cè)程序、輸出電流檢測(cè)程序及橋臂短路保護(hù)程序，若電池電壓處在設(shè)置值10 V～15 V之間，輸出電流不大于設(shè)置值3 A且橋臂無(wú)短路的情況下，系統(tǒng)執(zhí)行SPWM波形產(chǎn)生程序?qū)蜗嗳珮蜻M(jìn)行觸發(fā)控制。同時(shí)系統(tǒng)執(zhí)行輸出電壓檢測(cè)程序，當(dāng)發(fā)現(xiàn)輸出電壓低于最小設(shè)定值210 V或高于最大設(shè)定值230 V時(shí)，對(duì)SPWM脈沖波的占空比進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，來(lái)保證輸出電壓處在設(shè)定范圍之內(nèi)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)輸出電流異常、電池電壓異?；蛘邩虮塾卸搪番F(xiàn)象發(fā)生時(shí)則立即關(guān)閉輸出。此外系統(tǒng)還添加了串口通信子程序，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)逆變電源的輸入輸出狀態(tài)。

圖6 程序流程圖

3 控制策略簡(jiǎn)述

為解決逆變電源啟動(dòng)困難的問(wèn)題，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，筆者采用“逆變電路先觸發(fā)，延遲10 μs后，再觸發(fā)升壓電路”的控制方式，問(wèn)題得以解決。

系統(tǒng)的穩(wěn)壓原理框圖如圖7所示。交流輸出電壓經(jīng)過(guò)隔離降壓、整流濾波、分壓電路以及A/D采樣后與單片機(jī)內(nèi)部220 V交流電壓所對(duì)應(yīng)的數(shù)字值u*進(jìn)行比較，最小設(shè)定電壓210 V與最大設(shè)定電壓230 V分別對(duì)應(yīng)的數(shù)字值為u*-4與u*+4。程序內(nèi)部SPWM脈沖波占空比的調(diào)整系數(shù)設(shè)置為m/216。軟啟動(dòng)程序執(zhí)行完畢后，m的值為216。當(dāng)發(fā)現(xiàn)A/D采樣后的數(shù)值不在上述范圍內(nèi)時(shí)，若u＜(u*-4)，則執(zhí)行m=m+2；若u＞(u*+4)，則執(zhí)行m=m-2，對(duì)占空比調(diào)整后再進(jìn)行逆變輸出，如此循環(huán)，直到輸出電壓調(diào)整到設(shè)定范圍內(nèi)。

圖7 穩(wěn)壓原理框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本研究在輸入電壓12 V，輸出端帶50 W純阻性負(fù)載的條件下對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)波形進(jìn)行了測(cè)試與分析。

4.1 推挽升壓電路的調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)將TL494的定時(shí)電阻取為1.9kΩ，定時(shí)電容取為0.01 μF。此時(shí)輸出觸發(fā)脈沖的頻率為30 kHz，幅值為10 V，開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)脈沖如圖8（a）所示；觸發(fā)脈沖G1，G2的死區(qū)時(shí)間為1.5 μs左右，觸發(fā)脈沖的死區(qū)時(shí)間如圖8（b）所示（任取一個(gè)周期），此時(shí)整流濾波后的直流母線電壓為332 V。

圖8 推挽升壓電路的實(shí)驗(yàn)波形

4.2 驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

加在逆變?nèi)珮蛏系挠|發(fā)波如圖9（a）所示（以左側(cè)橋臂為例），輸出電壓幅值為13 V，周期為20 ms；同一橋臂上、下開(kāi)關(guān)管觸發(fā)脈沖的死區(qū)時(shí)間約為1.8 μs，如圖9（b）所示（任取一個(gè)周期）。

圖9 驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)驗(yàn)波形

4.3 全橋逆變電路的調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究對(duì)全橋逆變電路濾波前及濾波后的波形分別進(jìn)行測(cè)試，濾波前的波形如圖10（a）所示，輸出電壓幅值為332 V，周期為20 ms；濾波后的正弦波如圖10（b）所示，輸出電壓的有效值為224 V，周期為20 ms，THD約為3.7%，系統(tǒng)效率約為88.6%。

圖10 逆變電路的輸出波形

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究詳細(xì)介紹了該車(chē)載逆變電源的硬件參數(shù)設(shè)置及控制策略。推挽升壓電路采用高頻變壓器進(jìn)行隔離升壓，大大減小了系統(tǒng)硬件電路的體積及噪聲污染；該電路使用單片機(jī)作為主控芯片，易對(duì)SPWM觸發(fā)波占空比進(jìn)行控制，也易于進(jìn)行系統(tǒng)功能的擴(kuò)展設(shè)計(jì)。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，本研究采用“逆變電路先觸發(fā)、升壓電路后觸發(fā)”的控制方式，解決了以往逆變電源啟動(dòng)困難的問(wèn)題，但是該部分缺少相關(guān)理論分析；由于PCB線路板布局問(wèn)題系統(tǒng)的效率還未滿足設(shè)計(jì)要求有待進(jìn)一步改進(jìn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)的控制方案穩(wěn)定、可靠，并且該逆變電源具有體積小、散熱好、噪聲小、易啟動(dòng)的特點(diǎn)，既便于安裝也適合產(chǎn)品化生產(chǎn)。

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