基于DSP的三相SPWM變頻電源的設計

　　引言

　　變頻電源作為電源系統的重要組成部分，其性能的優劣直接關系到整個系統的安全和可靠性指標。現代變頻電源以低功耗、高效率、電路簡潔等顯著優點而備受青睞。變頻電源的整個電路由交流-直流-交流-濾波等部分構成，輸出電壓和電流波形均為純正的正弦波，且頻率和幅度在一定范圍內可調。

　　本文實現了基于TMS320F28335的變頻電源數字控制系統的設計，通過有效利用TMS320F28335豐富的片上硬件資源，實現了SPWM的不規則采樣，并采用PID算法使系統產生高品質的正弦波，具有運算速度快、精度高、靈活性好、系統擴展能力強等優點。

　　系統總體介紹

　　根據結構不同，變頻電源可分為直接變頻電源與間接變頻電源兩大類。本文所研究的變頻電源采用間接變頻結構即交-直-交變換過程。首先通過單相全橋整流電路完成交-直變換，然后在DSP控制下把直流電源轉換成三相SPWM波形供給后級濾波電路，形成標準的正弦波。變頻系統控制器采用TI公司推出的業界首款浮點數字信號控制器TMS320F28335，它具有150MHz高速處理能力，具備32位浮點處理單元，單指令周期32位累加運算，可滿足應用對于更快代碼開發與集成高級控制器的浮點處理器性能的要求。與上一代領先的數字信號處理器相比，最新的F2833x浮點控制器不僅可將性能平均提升50%，還具有精度更高、簡化軟件開發、兼容定點C28x TM控制器軟件的特點。系統總體框圖如圖1所示。

　　圖1 系統總體框圖

　　(1)整流濾波模塊：對電網輸入的交流電進行整流濾波，為變換器提供波紋較小的直流電壓。

　　(2)三相橋式逆變器模塊：把直流電壓變換成交流電。其中功率級采用智能型IPM功率模塊，具有電路簡單、可靠性高等特點。

　　(3)LC濾波模塊：濾除干擾和無用信號，使輸出信號為標準正弦波。

　　(4)控制電路模塊：檢測輸出電壓、電流信號后，按照一定的控制算法和控制策略產生SPWM控制信號，去控制IPM開關管的通斷從而保持輸出電壓穩定，同時通過SPI接口完成對輸入電壓信號、電流信號的程控調理。捕獲單元完成對輸出信號的測頻。

　　(5)電壓、電流檢測模塊：根據要求，需要實時檢測線電壓及相電流的變化，所以需要三路電壓檢測和三路電流檢測電路。所有的檢測信號都經過電壓跟隨器隔離后由TMS320F28335的A/D通道輸入。

　　(6)輔助電源模塊：為控制電路提供滿足一定技術要求的直流電源，以保證系統工作穩定可靠。

　　系統硬件設計

　　變頻電源的硬件電路主要包含6個模塊：整流電路模塊、IPM電路模塊、IPM隔離驅動模塊、輸出濾波模塊、電壓檢測模塊和TMS320F28335數字信號處理模塊。

　　整流電路模塊

　　采用二極管不可控整流電路以提高網側電壓功率因數，整流所得直流電壓用大電容穩壓為逆變器提供直流電壓，該電路由6只整流二極管和吸收負載感性無功的直流穩壓電容組成。整流電路原理圖如圖2所示。

　　圖2 整流電路原理圖

　　IPM電路模塊

　　IPM由高速、低功率IGBT、優選的門級驅動器及保護電路組成。IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式電力電子器件。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低，非常適合應用于直流電壓。因而IPM具有高電流密度、低飽和電壓、高耐壓、高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率的優點。本文選用的IPM是日本富士公司的型號為6MBP20RH060的智能功率模塊，該智能功率模塊由6只IGBT管子組成，其IGBT的耐壓值為600V，最小死區導通時間為3μs。

　　IPM隔離驅動模塊

　　由于逆變橋的工作電壓較高，因此DSP的弱電信號很難直接控制逆變橋進行逆變。美國國際整流器公司生產的三相橋式驅動集成電路IR2130，只需一個供電電源即可驅動三相橋式逆變電路的6個功率開關器件。

　　IR2130驅動其中1個橋臂的電路原理圖如圖3所示。C1是自舉電容，為上橋臂功率管驅動的懸浮電源存儲能量，D1可防止上橋臂導通時直流電壓母線電壓到IR2130的電源上而使器件損壞。R1和R2是IGBT的門極驅動電阻，一般可采用十到幾十歐姆。R3和R4組成過流檢測電路，其中R3是過流取樣電阻，R4是作為分壓用的可調電阻。IR2130的HIN1~HIN3、LIN1~LIN3作為功率管的輸入驅動信號與TMS320F8335的PWM連接，由TMS320F8335控制產生PWM控制信號的輸入，FAULT與TMS320F8335引腳PDPINA連接，一旦出現故障則觸發功率保護中斷，在中斷程序中封鎖PWM信號。

　　圖3 IR2130驅動其中1個橋臂的電路原理圖

　　輸出濾波模塊

　　采用SPWM控制的逆變電路，輸出的SPWM波中含有大量的高頻諧波。為了保證輸出電壓為純正的正弦波，必須采用輸出濾波器。本文采用LC濾波電路，其中截止頻率取基波頻率的4.5倍，L=12mH，C=10μF。

　　電壓檢測模塊

　　電壓檢測是完成閉環控制的重要環節，為了精確的測量線電壓，通過TMS320F28335的SPI總線及GPIO口控制對輸入的線電壓進行衰減/放大的比例以滿足A/D模塊對輸入信號電平(0-3V)的要求。電壓檢測模塊采用256抽頭的數字電位器AD5290和高速運算放大器AD8202組成程控信號放大/衰減器，每個輸入通道的輸入特性為1MΩ輸入阻抗+30pF。電壓檢測模塊電路原理圖如圖4所示。

　　圖4 電壓檢測電路原理圖