車載逆變電源控制電路的研究

易映萍，王曉麗，唐志俊，姚為正

（1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

地鐵列車在運行時為了保證安全性，其窗門都需要處于密閉狀態。若列車因發生電力故障而停留在隧道中，則空調和排風設備將停止運行，如此則會嚴重影響乘客的生命安全。此時需要應急車載逆變電源為通風設備提供電力供應，使其繼續正常工作，確保乘客生命安全。本文設計的車載逆變電源能夠在列車發生故障時為排風設備及時提供電力供應[1]。

1 車載逆變電源的電路結構

如圖1所示為車載逆變電源拓撲結構，該逆變電源主要由升壓電路、逆變電路和濾波電路構成。其輸入為蓄電池提供的直流110 V，經Boost升壓后直流電壓穩定在400 V，再由單片機87C196MH輸出六路互補SPWM信號為IPM提供驅動脈沖，將400 V直流電源逆變為三相230 V、50 Hz的交流電源，實現為機車電力設備供電。

2 控制電路工作原理

如圖2所示為電源控制電路結構，車載逆變電源主控芯片為Intel單片機87C196MH，其片內六路PWM發生器適合應用于電機控制和變頻器控制等場合[2]。在主控電路中，單片機除了輸出六路互補SPWM為IPM提供驅動脈沖外，還具有輸入電壓過欠壓保護、輸入過流保護和輸出電壓缺相保護等功能。

圖1 車載逆變電源拓撲結構

圖2 主控電路結構

當單片機上電啟動后首先經歷一個軟啟動過程，該過程中單片機主要完成檢測輸入電壓過欠壓、輸入電流過流和IPM電流過流故障。若無故障，則單片機根據輸出電壓反饋值調整SPWM的載波頻率和調制比，使輸出電壓穩定在線電壓230 V 50 Hz。

當輸出電壓穩定后，單片機啟動缺相保護，檢測輸出電壓是否跌落。如果發生缺相故障，單片機將停止輸出驅動脈沖，并且點亮軟件故障指示燈。同時，當逆變電路正常工作的同時，單片機繼續實時檢測其他故障情況，一旦發生故障將停止輸出SPWM信號并點亮故障指示燈，進入軟件保護狀態。這樣保證了逆變電源工作在安全狀態。

3 車載逆變電源控制系統設計

3.1 單片機控制系統設計

如圖3所示為車載逆變電源控制系統原理圖，單片機通過地址總線和數據總線分別控制片外EPROM和鎖存器，其中8位數據總線和14位地址總線的低8位分時復用。EPROM存放單片機程序，當單片機上電后將運行EPROM中的程序[3]。鎖存器起到數據暫存作用，當讀取EPROM某個地址中的程序時，先由單片機對EPROM進行地址操作，然后通過鎖存器暫存地址總線的低8位，此時它們作為8位數據總線將選定地址中的程序送入單片機去執行。

圖3 控制系統原理圖

在控制系統中，單片機第46～48引腳對輸出三相電壓進行采樣，第40引腳為外部參考電壓輸入，第62引腳為故障信號輸入，第30～35引腳為PWM輸出，第12～16引腳為高6位地址總線，第17～24引腳為低8位地址總線和8位數據總線的復用總線。

單片機對輸出電壓進行采樣，并且實時監控各個故障信號。同時根據輸出電壓的反饋量調整SPWM的調制比，從而調節輸出電壓有效值。

3.2 驅動電路設計

如圖4所示為驅動電路，該電路的作用就是把單片機輸出的SPWM驅動信號經過光耦隔離并適當放大，然后送到IPM模塊的相應管腳，再去控制IPM內部IGBT的開通和關斷。光耦主要用來實現主電路和控制電路之間的信號連接，滿足主電路和控制電路之間的電氣隔離。本設計中選用HP公司的光耦HCPL-4503。該芯片有效地起到信號隔離和電壓放大作用，完成驅動IPM的目的。

3.3 輸出電壓檢測電路設計

如圖5所示為輸出電壓檢測電路，主控電路需要檢測輸出電壓作為反饋量，根據其調節輸出電壓有效值。

本文采用電流型電壓互感器，互感器副級電壓通過二極管整流、電容濾波和齊納二極管保護后，由單片機片內AD對其進行采樣。將采樣值與給定值進行比較，對誤差量做PI調節，使輸出電壓穩定在給定值附近。

3.4 保護電路設計

（1）故障指示電路

如圖6所示為故障指示電路，其中U204A～U204D為74LS00內部四路與非門。U204B和U204C構成一個RS觸發器，其中引腳9為S引腳10為R。

圖6 軟件保護電路

單片機初始化時，由CPU-64輸出高電平，則U204B引腳5為低電平，因此U204B輸出高電平。同時U204C輸入引腳10初始為高電平，從而其輸出低電平。所以U204D輸出高電平，使硬件故障指示燈LD201熄滅，表明無硬件故障。

該電路中U204C輸入引腳10為硬件故障信號輸入腳，當發生硬件故障時該引腳上電平為低電平，最終導致硬件故障指示燈點亮，同時向CPU-62輸出高電平，單片機響應故障報警立即停止輸出SPWM驅動波形。

（2）輸入過流保護

如圖7所示為輸入過流保護電路，當發生過流故障時比較器輸出低電平信號，該信號送至故障指示電路的RS觸發器，使故障指示燈點亮，單片機停止輸出SPWM信號。

（3）IPM過流保護電路

圖7 輸入過流保護電路

圖8 IPM過流保護電路

如圖8所示為IPM過流保護電路，本文所采用的IPM模塊為IM14400，模塊自帶電流檢測功能[4]。電流信號經光耦送至比較器負向輸入端。當IPM過流時，將輸出低電平信號給光耦，此時比較器輸出低電平信號，令RS觸發器復位點亮故障指示燈,單片機停止輸出SPWM信號。

（4）輸入欠壓保護電路

如圖9所示為輸入欠壓保護電路，P2-1引腳1為高電平，當發生輸入欠壓故障時，P2-1引腳2為低電平，經光耦向CPU-54傳遞一個低電平信號。觸發欠壓保護后單片機停止輸出SPWM信號，并點亮故障指示燈。

圖9 輸入欠壓保護電路

4 實驗結果分析

為了驗證本系統控制策略的正確性，對本文所研制的車載逆變電源進行了實驗測試。車載逆變電源帶阻性負載，實驗樣機輸入電壓90～120 VDC；輸出電壓穩定在50 Hz的三相230 V；開關頻率3 kHz；最小輸出功率為880 W；輸入額定功率為1000 W。如圖10所示為IPM上下橋臂驅動信號波形。由于單片機輸出的SPWM信號經光耦后反相，因此單片機輸出的兩路互補SPWM信號同為高電平時為死區時間。由圖10可見，死區時間為15 μs，與程序中設定相符，能夠有效地防止上下橋臂直通。

圖11 主控電路輸入和輸出電壓波形

如圖11所示為Boost升壓后波形和輸出電壓波形。實驗中采用了1∶1000高壓差分探頭，其中CH2為Boost升壓后的直流電壓波形，CH1為輸出電壓波形。由圖11可見輸出電壓頻率為49.70 Hz、有效值為229 V。當負載阻抗變化時，逆變電源的輸出電壓都能有效地穩定在交流230 V50 Hz，且諧波含量較小。

5 結論

本文利用Intel高性能單片機87C196MH設計了一套符合地鐵列車應急需求的車載逆變電源，采用IPM模塊有效減小了系統體積。使用單片機波形發生單元輸出六路SPWM作為IPM的驅動信號，提高了系統的性能。并通過硬件和軟件實時檢測電壓和電流，保證逆變電源安全工作。經實驗驗證，該系統控制方案簡單、高效、可靠，具有良好的應用價值。

[1]曲泰元，邱瑞昌.5KVA機車空調電源的設計與研究[J].測試技術，2007，10：12-15.

[2]陳丹，吳勝華，曹立威，等.80C196MC單片機波形發生器原理及其在逆變電源中的應用[J].電子技術應用，2002，5：2-26.

[3]張紅蓮.基于80C196MC的逆變電源設計[J].逆變電源，2008，8：54-56.

[4]李健鳴，賀文.110V IPM高頻開關電源的研制[J].機車電傳動，1999，10：8-10.