基于C8051F410的新型大功率三相逆變器設計

孫靈芳 紀慧超

(東北電力大學自動化工程學院，吉林 吉林 132012)

隨著環境污染問題的不斷升溫，人們對清潔能源越發重視，風能及太陽能等清潔能源得到廣泛應用，因此風能和太陽能發電具有非常好的發展前景，但利用風能發出的交流電的幅值隨著風速的大小而改變，太陽能發出的電是直流電，交流負載不能直接使用，基于對這些問題的考慮，必須使用逆變器來解決，因此逆變器的好壞也變得越發重要。與其他逆變器相比，筆者介紹了一種更為簡單的設計方案，不但能夠產生穩定、高效的正弦波而且能夠承受大功率負載，輸出波形的幅值和頻率自動跟蹤設定值，這些參數可以在觸摸屏上顯示和控制。

1 總體方案①

該設計總體方案是以型號為C8051F410的單片機為核心，包括頻率相位測量模塊、輸出反饋測量模塊、脈寬時間調整電路、邏輯處理電路、HCP-316J芯片驅動電路、HCP-316J芯片驅動電路供電電源、正弦波濾波器、三相變壓器，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

頻率相位測量模塊主要測量經過三相變壓器升壓后的三相正弦交流電波形的頻率。反饋測量模塊采集的數據作為C8051F410單片機調整輸出電壓的反饋信號，因此可以根據設定的電壓值來調節輸出電壓的大小。邏輯處理電路將C8051F410輸出的SPWM波形在同一時刻進行高低電平邏輯取反，然后將兩路相反邏輯的SPWM作為某一相電上下兩個橋臂的輸入來控制絕緣柵雙極型晶體管IGBT的打開與關斷。脈寬時間調整電路控制IGBT打開的死區時間，保證上下橋臂的IGBT不在同一時刻打開。A、B、C三相驅動電路由兩個大功率驅動芯片HCP-316J實現，六路HCP-316J芯片驅動電路工作需要獨立的電源，六路驅動電源模塊采用單端反激原理制作。輸出的A、B、C高電壓SPWM波經過正弦濾波器進行濾波后輸出高效的正弦波，再經過三相變壓器進行升壓后可得到負載需要的工作電壓，為負載的正常工作提供穩定電源，延長負載的使用壽命。系統中需要顯示的數據、設置的參數和系統的啟/停都可以由觸摸屏完成。

2 原理與設計

主要的硬件電路包括以下5部分：C8051F410單片機工作外圍電路、HCP-316J芯片驅動電路、HCP-316J芯片驅動電路電源、脈寬時間調整電路和正弦濾波電路，下面針對各部分內容依次作出詳細介紹。

2.1 C8051F410單片機工作外圍電路

C8051F410單片機芯片內部具有一個高速8051控制器內核，指令結構呈流水線：70%的指令執行時間為一到兩個系統時鐘，其速度可達50MIPS，4個通用16位計數器/定時器，16位可編程計算器陣列PCA，內部時鐘振蕩器為24.5MHz，硬件搭建的SMBus/I2C 、增強型UART和SPI串行接口，片內具有上電復位功能、VDD監視器和溫度傳感器，多達24 個I/O端口等其他內部資源。結合以上內部資源設計C8051F410單片機片上系統(圖2)，其中包括C8051F410單片機片上系統程序下載的JATG接口、電源退耦、基準濾波電路、復位電路。

圖2 C8051F410外圍電路

2.2 HCP-316J芯片驅動電路

A、B、C三相驅動電路[1]由6個HCP-316J驅動芯片及相應的外圍器件構成，兩個HCP-316J芯片驅動電路輸出一相交流電，其中兩個HCP-316J芯片驅動電路分上下橋臂，上橋臂控制的IGBT連接高壓直流電正極，下橋臂控制的IGBT連接高壓直流電的負極，每一個橋臂的輸入前端都具有瞬態抑制二極管(TVS)，可以起到防雷擊、防過電壓、抗干擾及吸收浪涌功率等功能。而且在HCP-316J芯片輸入端有大功率場效應管IRF540起到互鎖作用，這樣有效防止輸入電平的邏輯在同一時刻相同，在輸入端就避免了因相同的電平邏輯而使IGBT同時打開引起的短路事故。當輸出正向電壓欠壓或IGBT短路時，通過光耦輸出故障信號反饋給C8051F410進行處理[2]。HCP-316J芯片輸出端14腳是IGBT短路電流檢測輸入端，將兩個二極管串連與100Ω電阻同時接入HCP-316J芯片14腳，能夠提高總體的反向耐壓，從而提高驅動電壓等級。HCP-316J芯片驅動IGBT時，IC間電流達150A，CE間電壓1 200V，提升驅動大功率負載能力。因為IGBT的正偏電壓應為12～15V；負偏壓應為-2～-10V，所以制作的開關電源，輸出+15V和-5V兩路直流電，分別將兩路電源連接NPN三極管和PNP三極管的集電極，芯片輸出的SPWM波同時控制NPN三極管和PNP三極管的基集，使得輸出高為+15V的電壓，低為-5V的電壓，保證IGBT的充分打開與關斷。最后將IGBT的上橋臂漏極(C極)連接高壓直流電的正極，下橋臂源極(E極)連接高壓直流的電負極，上橋臂源極(S極)和下橋臂漏極(C極)連接處輸出想要得到的高壓SPWM波形。

2.3 驅動電路電源

驅動電源采用單端反激[3]的原理設計的開關電源，將交流電接入開關電源后，首先進入瞬變濾波電路，即EMI，主要抑制電源瞬變中的尖峰，然后進入整流橋進行整流，整流之后將正端給初級線圈，初級線圈之間接兩個箝位二極管[4]，防止高電壓對TOP221Y[5]的損壞，兩路副邊線圈公地，取其中一路輸出電壓作為反饋信號，通過光耦隔離控制反饋邊輸入TOP221Y調整端的電流最后起到穩定調節輸出的作用。

2.4 脈寬時間調整電路

由于IGBT在打開與關斷的時候具有一個死區時間[6]，為了避免上下橋臂同時打開，為每一個橋臂設計一個如圖3所示的脈寬時間調整電路，將由C8051F410單片機輸出的SPWM波與經過邏輯器件輸出的SPWM分別接入脈寬時間調整電路，有效控制IGBT的開通關斷時間，其中開通與關斷時間可以由電阻與電容決定，二極管起到保護作用。

圖3 脈寬時間調整電路

經過脈寬時間調整電路后輸出的波形如圖4所示，可以看到SPWM波上升沿和下降沿變得平緩，而且在上升沿達到足夠打開上橋臂IGBT電壓時，下降沿電壓已經能夠關閉下橋臂IGBT，因此避免了邏輯沖突，有效解決了IGBT通斷的死區時間問題。

圖4 調整后波形

2.5 正弦濾波

由于C8051F410單片機的系統時鐘頻率為24.5MHz，經過內部寄存器配置為分頻為6.125MHz，配置的可編程計算器陣列PCA為8位，因此一個周期需要跟新256次，則載波頻率為：

(1)

C8051F410選擇定時器2，定時器2中斷一次為0.1ms，即0.1ms更新一次碼表內的數值，所以定時器1s刷新10 000次，即要產生50Hz波形，一個周期內定時器更新200次，所以正弦表內的正弦點一個周期不得大于200個點，又因為點數越多波形越好所以選擇一個周期更新200點來產生50Hz的基波頻率。

根據正弦濾波器的工作電壓、額定功率、載波頻率及基波頻率等參數制作正弦濾波器[7，8]原理圖如圖5所示。將A、B、C三相分別接入U、V、W端，用高速數據采集儀測得A、B、C三相直接的線電壓波形如圖6所示。

圖6 三相正弦波

3 人機接口

人機接口采用eview觸摸屏組態，組態界面如圖7所示。利用RS-232接口與C8051F410單片機進行通信，在此操作界面上能夠顯示設備的參數信息同時能夠對參數設置給定值：給定頻率、跟蹤頻率及給定幅值、跟蹤幅值及設備故障等信號，可啟動或停止設備，手/自動切換和歷史信息顯示。這樣不但便于操作員直接觀察設備信息，而且利于參數的設置，使得整套逆變器設計更人性化。

圖7 人機接口操作界面

4 調試實驗

在實驗過程中，第一次將高壓直流電接入IGBT[9]，供電電源短路，將IGBT拆下測試，發現IGBT器件損壞，利用高速采集儀保存的數據查看驅動IGBT柵極(G極)的SPWM波形(圖8)。可以看到在打開的同時出現強烈的抖動，導致高壓直流電發生正負極短路，于是流經IGBT的IC電流增大，導致IGBT[10]損壞，根據負載參數重新計算驅動電容、電阻的匹配值，如圖9所示。

圖8 SPWM抖動波形

圖9 主要參數匹配電路

設IC為IGBT打開的電流，IC=20A使得IGBT立即開通，輸出低電平V=2V，因為R41和C57關系到IGBT開通的快慢和開關損耗，增加C57可以減小dIC/dt，計算可得R41為：

R41=[VCC_3-1-(V+V_-5)]/IC=0.8Ω

(2)

當系統啟動，C55起充電延時作用，當芯片開始工作，IGBT的漏極(C極)電壓大于7V，在無C55的情況下會發出短路信號，直接關斷輸出。在芯片正常工作時，IGBT的漏極(C極)電壓瞬間升高后立即恢復正常，如果沒有C55也會發出故障信號，致使IGBT誤動作。然而C55值取得過大會使系統反應變慢，并且在飽延時時間內就燒壞IGBT，起不到保護作用，假設C3取值100pF，其延時時間T=C3×U/I=2.3μs，能夠滿足設計要求。經過重新計算匹配電阻R41、電容C57、C55之后，測得的SPWM波形[11]如圖10所示，上升沿和下降沿都很平緩無抖動現象出現。

圖10 參數調整后SPWM波形

5 結束語

基于C8051F410的新型大功率三相逆變器經過調試實驗能夠輸出高效穩定的正弦交流電，對大功率負載供電時能夠穩定輸出。并且與其他逆變器的設計不同，本設計方法將各部分功能進行了模塊化，各部分功能通過實驗驗證其可行性后做出詳細介紹。針對逆變實驗中出現的問題做出分析，最后給出解決方案，通過反復實驗驗證其可靠性，因此此設計方法具有非常好的可移植性。

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