基于瑞薩H8/3687的小型發(fā)電機逆變電源的研制

李玉鋒，王欽若

（廣東工業(yè)大學 自動化學院，廣東 廣州 510006）

汽油發(fā)電機組是將發(fā)電機輸出的原始電壓通過電力電子技術(shù)的處理，然后再輸出給負載。開發(fā)出體積小運行穩(wěn)定可靠的發(fā)電機逆變電源，能節(jié)省能源并具有廣泛的市場前景。

1 瑞薩H8/3687單片機簡介

瑞薩H8/3687單片機是一種高精度控制的工業(yè)級電機專用處理器，運行速度高、處理功能強大，具有豐富的片內(nèi)外圍設備，便于接口和模塊化設計，被廣泛應用于數(shù)字馬達控制、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)各種電源設備。該單片機具體性能指標如下：1）高性能靜態(tài)COMS技術(shù)，主頻可達20 MHz，超低功耗設計，抗干擾能力強；2）內(nèi)置 32 K×16 bit的 ROM程序存儲器；3）動態(tài) PLL，主頻可由軟件編程修改；4）8通道 10位/D 轉(zhuǎn)換器，雙采樣，保持最小轉(zhuǎn)換時間 3.5μs；5）2個串行通信接口（SCI）、同步時鐘模式的I2C總線接口。

2 發(fā)電機逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Overall diagram of system

發(fā)電機逆變電源系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。汽油機的汽缸經(jīng)過進氣、壓縮、膨脹和排氣4個過程，將熱能轉(zhuǎn)變成為機械能，然后經(jīng)過曲軸連桿機構(gòu)帶動交流發(fā)電機，輸出電壓為330～470 V，頻率為 150～330 Hz的交流電；經(jīng)過整流電路和大電容濾波電路進入單相全橋逆變電路。

控制電路以瑞薩H8/3687單片機為核心，產(chǎn)生單相逆變電路工作所需要的SPWM信號，通過驅(qū)動電路，使得單相全橋逆變主電路輸出高頻脈寬調(diào)制型交流電。該交流電再經(jīng)輸出濾波器處理最后得到穩(wěn)定、純凈的正弦波交流電。輸出母線電壓通過霍爾電流傳感器的采樣并將檢測量送到單片機的A/D轉(zhuǎn)換端口。

2.1 系統(tǒng)硬件電路設計

發(fā)電機逆變電源的硬件主要由整流電路、濾波電路、單相逆變電路和控制電路組成。整流電路為三相橋式不可控整流電路；整流電路和逆變電路之間采用大電容構(gòu)成加突波吸收器，有效濾除整流環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的高次諧波，防止發(fā)電機和負載之間的相互干擾；經(jīng)過單相全橋逆變電路和LC濾波電路，最后得到所需的單相220 V/50 Hz正弦波交流電輸出。該系統(tǒng)硬件電路設計的核心是逆變電路中IGBT驅(qū)動電路和保護電路的設計。

2.1.1 IGBT驅(qū)動電路設計

IGBT的驅(qū)動電路必須具備2個功能：1）實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動IGBT柵極的電隔離；2）提供合適的柵極驅(qū)動脈沖。本設計采用2ED020I12-F作為IGBT驅(qū)動器，2ED020I12-F不僅體積小而且速度快，工作頻率最高可達60 kHz，開通和關(guān)斷延時分別為120 ns和94 ns；并采用高端懸浮自舉電源設計，單相橋式電路中，僅用一組電源即可，簡化設計和節(jié)省成本。2ED020I12-F用于半橋驅(qū)動電路如圖2所示。圖中C1、VDb分別為自舉電容和二極管，C2為濾波電容。假定在VQ1關(guān)斷期間C1已經(jīng)充電完成。當高端輸入為高電平時，VQ1導通，VQ2關(guān)斷，VCC加到VQ1的柵極和源極之間。隨著VQ1的導通，VQ1源極電壓接近直流母線的正端電壓，由于C1的電壓不能突變，C1上的電壓被抬高，維持VQ1柵極和源極的電位差，令VQ1維持導通。當高端輸入為低電平時，VQ1截止，VQ2導通，C1通過VQ2進行充電，迅速為VQ1補充能量，如此循環(huán)反復。

VDb和C1是在設計驅(qū)動電路時需要嚴格挑選和設計的元器件，既不能太大影響窄脈沖的驅(qū)動性能，也不能太小而影響寬脈沖的驅(qū)動要求。自舉二極管VDb應該選擇反向漏電流小的快恢復二極管，以減少電荷的損失。

2.1.2 IGBT保護電路設計

2ED020I12-F不能產(chǎn)生負偏壓，逆變電路中處于關(guān)斷狀態(tài)下的IGBT由于其反并聯(lián)二極管的恢復過程，將承受C-E電壓的急劇上升，這種現(xiàn)象稱為密勒效應。由于密勒效應，IGBT門極驅(qū)動電壓增加，甚至導致IGBT被導通，上下IGBT直通，橋臂短路。

針對2ED020I12-F的不足，在上下橋臂的驅(qū)動電路中加上由電容和5 V穩(wěn)壓管并聯(lián)組成的負壓電路。工作原理為，電源電壓為18 V，電源通過電阻R7給電容C6充電，電容C6兩端電壓為+5 V。當InL輸入為高電平時，OUTL輸出為高電壓18 V，這時加在下橋臂VQ2柵極上的電壓為18 V-5 V=13 V，IGBT正常道通。當InL輸入為低電平時，OUTL輸出為0 V，此時柵極上的電壓為－5 V，實現(xiàn)了關(guān)斷時產(chǎn)生負壓；同理適用于上橋臂。

為使IGBT關(guān)斷時過電壓能得到有效抑制并減小關(guān)斷損耗，通常為IGBT主電路設置關(guān)斷緩沖吸收電路。本設計中采用RCD型關(guān)斷緩沖吸收電路，電容C7、C8使IGBT關(guān)斷時電壓緩升，因此稱為緩壓電容，電阻R3、R4的作用是限制IGBT導通時電容C7、C8中儲能沿IGBT流過的電流。IGBT關(guān)斷時，充電電流在電阻R3、R4上會產(chǎn)生壓降，二極管VD的作用是旁路電阻上的充電電流，克服過沖電壓。對緩沖吸收電路的要求是：1）盡量減小主電路的布線電感L；2）吸收電容應采用低感吸收電容，其引線應盡量短，最好直接接在IGBT的端子；3）吸收二極管應選用快開通和快速恢復二極管，以免產(chǎn)生開通過電壓和反向恢復引起較大的振蕩過電壓。

2.2 系統(tǒng)軟件設計及算法實現(xiàn)

2.2.1 PWM的基本原理

如圖3所示，把半個周期正弦波波形分成n等分，可以把正弦波看成幅值不等的n個彼此相連寬度相等的脈沖所組成，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。把n個脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖替代，矩形脈沖和相應的正弦等分的面積（沖量）相等，這就是脈寬調(diào)制波形。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，脈寬調(diào)制波形和正弦半波是等效的。在正弦脈寬調(diào)制波形中，各脈沖的幅值都是相等的，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度，就可以改變等效輸出正弦波的幅值。發(fā)電機逆變電源輸出正弦波交流電為Ursin（wt），則電壓幅值為 Ur。輸出脈沖幅值為 UO，在線計算出IGBT每個載波周期內(nèi)的開通時間為：

圖2 2ED020I12-F的驅(qū)動電路Fig.2 Driver circuit of 2ED020I12-F

圖3 單極性SPWM調(diào)制原理圖Fig.3 Schematic of SPWM modulation

2.2.2 系統(tǒng)軟件設計

H8/3687主要用于控制和數(shù)據(jù)處理，并具備產(chǎn)生PWM調(diào)制信號的功能，通過驅(qū)動電路驅(qū)動IGBT，A/D接口采集電壓檢測和電流檢測的模擬信號，對關(guān)鍵功率器件的運行參數(shù)進行實時監(jiān)控。系統(tǒng)的程序流程如圖4所示。載波頻率取12.5 kHz，則載波周期T1=50μs，所以參考波在一個周期內(nèi)的載波數(shù)為n=12.5 kHz/50 Hz=250，可通過式（1）在線計算出IGBT一個載波內(nèi)的開通時間。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 Flow chart of system program

3 實驗結(jié)果及分析

建立了以IGBT為逆變器核心的實際實驗平臺，實驗電動機采用HT2700L，2.2 kW，IGBT開關(guān)頻率12.5 kHz，單片機不采用倍頻，基頻為20 MHz。這里用安捷倫示波器采集單片機輸出的SPWM信號波形和逆變電源輸出波形，如圖5和圖6所示。瑞薩H8/3687單片機產(chǎn)生的單極性SPWM脈沖信號穩(wěn)定無干擾；逆變電源輸出電壓波形的正弦度很高，波形好，這就說明輸出電壓的總諧波含量較低。基于單極性SPWM逆變控制方法有效，逆變電源的軟、硬件設計正確合理。

4 結(jié) 論

本設計采用了先進的瑞薩H8/3687工業(yè)控制單片機，增強了系統(tǒng)在惡劣條件下工作的穩(wěn)定性；采用了新型的驅(qū)動器2ED020I12-F，不僅提高了IGBT工作的可靠性，而且大大簡化了驅(qū)動電路設計，減小了產(chǎn)品體積，減輕產(chǎn)品重量，拓展了產(chǎn)品的應用領(lǐng)域。

圖5 采樣頻率為10 ms的SPWM脈沖波形Fig.5 SPWM pulse waveform for 10 ms sampling frequency

圖6 逆變電源輸出220 V/50 Hz正弦波電壓波形Fig.6 Voltage waveform of 220V/50Hz sine of inverter output

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