基于單片機與SPWM控制應急電源逆變電路設計

　　摘要：

　　逆變器是應急電源的重要組成部分。為了實現應急電源中逆變器輸出交流電壓的適時調節，減小輸出電壓諧波達到逆變電路數字化控制目的，三相逆變電路采用了正弦脈寬調制(SPWM)控制方法，以C8051F020單片機和SA4828為核心，完成對SPWM波的產生及系統的控制。利用單片機特有的端口連接完成外圍控制功能，這樣就減少了應急電源對波形產生的處理時間，保證波形具有較高精度，而且電路硬件連接簡單。

　　引言

　　隨著社會發展，越是信息化、現代化，就越依賴于電力，突然斷電會給人們正常的生活秩序和學習帶來影響，尤其對于生產、生活中特別重要的負荷，一旦中斷供電，將會造成重大的經濟損失。應急電源產品已成為很多重要場所必不可少的重要設備，也是能夠最有效地解決停電事故和電力質量不穩定等問題的有效途徑，而逆變電路是應急電源的重要組成部分。逆變電路在應急電源中的作用是當市電斷電或發生異常時，將蓄電池提供的直流電壓逆變為三相交流電輸出，以保證重要負荷或設備的正常運行。目前，逆變電源大多采用正弦波脈寬調制(SPWM)技術，其控制電路大多采用模擬方法實現。模擬控制技術雖然已經非常成熟，但存在很多缺點如：控制電路的元器件多，電路復雜，體積較大，靈活性不夠等。本文設計了一種全數字化的三相PWM逆變電源，利用專用SPWM波形發生器與單片機連接產生逆變驅動信號SPWM波，設計中選用了單片機C8051F020控制和MITEL公司的SA4828芯片作為波形發生器。

　　逆變電路的結構與工作原理

　　圖1是逆變電路的構成。由蓄電池提供的直流電通過三相逆變電路變為交流電，其基波頻率是逆變電源的輸出頻率，該交流信號經過輸出變壓器隔離，再由低通濾波器濾去諧波，獲得負載所需的三相正弦交流電。

　　圖1逆變電路的結構

　　在逆變電路中，逆變器及其控制是逆變電路的核心。逆變器的控制采用SPWM控制方式，本文利用SPWM波發生器和單片機實現對逆變器及輸出電壓的控制。由控制器產生的SPWM波控制開關器件的通斷，從而控制輸出電壓及其波形，并使輸出電壓穩定。

　　三相逆變器主電路設計

　　三相逆變器主電路如圖2所示，是由三相逆變橋、變壓器、濾波器組成。

　　圖2 三相逆變主電路圖

　　逆變器開關器件采用6單元IPM智能功率模塊。LCR低通濾波器中電感L的作用是抑制高次諧波通過;電容C為逆變器產生的高次諧波提供旁路;電阻R起阻尼作用，防止或抑制諧波的產生。在市電工作中斷或者不正常時，蓄電池電壓被加到直流總線上，通過由智能功率模塊組成的逆變器，然后通過由LCR組成的濾波器和三相功率變壓器，形成相電壓為220 V的三相正弦交流電給負載供電。三相逆變器的開關器件采用日本富士公司型號為PM100CVA60六單元IPM智能功率模塊，其耐壓可達600 V，集電極最大允許電流100 A，安全工作區較寬，驅動功率小、開關頻率高、飽和壓降低。另外該模塊還具有帶過流控制、濾波器體積小、噪聲低、易散熱、可靠性高等特點。模塊的驅動信號為正弦脈寬調制(SPWM)信號。

　　功率元件智能功率模塊IGBT-IPM是以功率器件IGBT為主體，同時把驅動電路、多種保護電路及報警電路等功能電路集成在同一模塊內的新型混合集成電路。用智能功率模塊作為電源的功率器件，可以簡化硬件電路的設計，縮小電源體積，更主要的是提高了系統的安全性和可靠性。在選用智能功率模塊IPM時，根據電壓和電流的定額選擇。功率元件的電流定額考慮(2～3)倍的安全裕量。計算電流時應滿足在輸入電壓波動為最低時仍能滿足輸出功率。根據給定的技術參數計算功率元件的最大輸出功率、額定電流值、額定電壓值，最終選用100 A/600 V的智能功率模塊，型號為PM100CVA60.

　　逆變控制器設計

　　控制電路的功能主要是產生SPWM驅動信號。SPWM是實現逆變器輸出交流電壓調節、減小輸出電壓諧波的一種控制方法。利用SPWM控制構成的逆變器調節性能好，調節速度快，可使調節過程中頻率和電壓相配合，以獲得好的動態性能，輸出電壓波形接近正弦。為了實現此功能及逆變電路的數字化，本文利用單片機和專用SPWM波形發生器SA4828集成電路構成逆變控制器。該種方法軟件編程簡單，應急電源對波形產生的處理時間少，并能保證波形具有較高精度，而且硬件連接簡單。