相位可調(diào)的單相正弦逆變電路的設(shè)計

周 博，代雪峰

（1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032;2.東北大學(xué)理學(xué)院,沈陽110004）

相位可調(diào)的單相正弦逆變電路的設(shè)計

周 博1，代雪峰2

（1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032;2.東北大學(xué)理學(xué)院,沈陽110004）

逆變電路在各領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，介紹了常用的逆變原理，以及存在的硬件方案復(fù)雜、成本較高、精確度差等不足之處，新的設(shè)計方案的目標是設(shè)計一款專用芯片來代替復(fù)雜的硬件電路，優(yōu)點是可以節(jié)約成本，使其應(yīng)用更為方便，設(shè)計方案既有逆變電路的通用性，又有相位可調(diào)節(jié)的專用性。介紹了這種設(shè)計方案的基本原理和相關(guān)電路，詳細說明了SPWM波形的產(chǎn)生原理，設(shè)計的重點是SPWM波形的實現(xiàn)手段和原理，這種設(shè)計有速度快、精度高、實時性高等特點。同時對濾波電路和保護電路等相關(guān)模塊電路的設(shè)計進行了介紹，由于目前市場上沒有一顆專用芯片來實現(xiàn)上述功能，這種產(chǎn)品具有比較好的經(jīng)濟效益。

相位可調(diào)；逆變電路；設(shè)計原理；SPWM波形；濾波電路；保護電路；

1 引言

本電路設(shè)計既具有逆變電源的通用性，又兼有相位可調(diào)節(jié)的專用性，并以普遍使用的220V 50Hz交流電為基本出發(fā)點進行設(shè)計。該設(shè)計可以擴展到常用的400Hz，60Hz和25Hz頻率的電路。

2 常用的逆變方案

目前市場的單向正弦逆變電源一般以MCU或DSP為核心，利用內(nèi)部定時器和自帶的PWM功能產(chǎn)生逆變所需要的SPWM信號，使用電阻、電容延遲來避免上下橋臂同時導(dǎo)通的死區(qū)狀態(tài)。該設(shè)計硬件方案比較復(fù)雜，成本也相對較高，精確度差。圖1為典型的單路SPWM信號產(chǎn)生電路。

3 設(shè)計方案

本設(shè)計方案的終極目標是設(shè)計一款專用芯片代替這些復(fù)雜的硬件，達到節(jié)約成本、簡化設(shè)計的目的，從而廣泛應(yīng)用于逆變領(lǐng)域，如太陽能光伏電池的能源逆變，機車、航空領(lǐng)域的電瓶逆變。由于芯片設(shè)計的成本高，前期方案只能以FPGA代替所要設(shè)計芯片的數(shù)字部分；外圍的模擬電路部分，如欠壓保護、過壓保護、電流過載等以通用芯片暫時代替[1]。

圖1 SPWM信號產(chǎn)生電路

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)計中引入了相位可調(diào)，方案中以89C51為媒介，通過串口命令設(shè)定兩路電源之間的相位差，設(shè)計目標可達到0.1度的精度；另外還支持手動方式，以撥碼開關(guān)設(shè)定所需要的相位差，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。MCU與PC機通訊實現(xiàn)起來相對簡單，可將通訊協(xié)議納入單顆芯片中[2]。

4 電路功能及設(shè)計

4.1 SPWM波形的產(chǎn)生原理

圖3 SPWM波形的產(chǎn)生

以一路50Hz單項正弦逆變?yōu)槔?，設(shè)計的重點是SPWM波形的實現(xiàn)。SPWM是按照正弦規(guī)律變化的矩形波，以窄脈沖的面積等效理論為基礎(chǔ)，首先要確定載波頻率，頻率確定后，切割正弦波進行脈沖等效，形成數(shù)據(jù)表格[3]。圖3為單極性SPWM波形的產(chǎn)生方法，手工計算比較麻煩，設(shè)計過程中根據(jù)載波頻率和FPGA的工作頻率編寫軟件，形成一組以時鐘為單位的數(shù)據(jù)。由于正弦波上下半周波形對稱，只需計算半周即0～180°即可。

4.2 SPWM波形的實現(xiàn)

設(shè)計中載波頻率定為20KHz，則一個單位的寬度為：1S/20,000=50μs。FPGA的邏輯設(shè)計中，使用ROM存儲器存儲事先計算好的數(shù)據(jù)，在不同的時刻，取相應(yīng)地址內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)。另外設(shè)計一個50μs的計數(shù)器，從0開始計數(shù)，此時SPWM信號為高電平。當計數(shù)到與存儲當前輸出的數(shù)據(jù)相等的時刻，SPWM信號變成0。每個50μs周期結(jié)束時，存儲器地址加1（見圖4 SPWM的仿真波形的adr50[7：0]信號）[4]，從而更新下次的脈沖寬度數(shù)值，從而得到下面S50_PWM2的信號,該部分電路的邏輯設(shè)計如圖5所示[5]。SPWM信號得到以后，為了避免H橋的上下橋臂同時導(dǎo)通，還要對該信號進行適當?shù)奶幚?，從而得?個控制信號輸入到驅(qū)動芯片來控制MOS管或IGBT的導(dǎo)通時間。本設(shè)計的單位周期為50μs/2000=25ns，時鐘頻率為 40MHz，常用單片機的時鐘頻率最大為33MHz，并且需要多個指令周期才能實現(xiàn)，中斷跳轉(zhuǎn)指令影響速度和精度[6]。所以，本設(shè)計方案具有速度快、精度高、實時性高等特點。

圖4 SPWM的仿真波形

圖5 SPWM信號產(chǎn)生的邏輯結(jié)構(gòu)

4.3 濾波電路

圖6 H橋與濾波電路

驅(qū)動芯片控制MOS管或IGBT后，得到的是0至輸入電瓶電壓的脈沖信號，需要濾波才能得到正弦波，脈沖頻率越高，對于濾波電路的要求就越低；濾波電路后面接升壓變壓器即可得到220V 50Hz的交流電。H橋與濾波電路見圖6[7]。

4.4 保護電路

逆變常用的保護電路，主要是過壓保護、欠壓保護、電流過載保護。過壓和欠壓保護電路用比較器實現(xiàn)。比較器的負端接電阻分壓形成過壓保護的標準信號，正端連接逆變之后的交流220V經(jīng)過互感器的直流信號,信號超過標準信號時，比較器輸出高電平。FPGA第一次采樣到該信號為高，則調(diào)整輸出SPWM信號的寬度到原來的31/32；FPGA再次采樣到該信號為高后，則關(guān)掉SPWM信號，并且過壓指示燈亮。欠壓保護也是采用該原理設(shè)計，第一次信號寬度會調(diào)整為原來的33/32。電流過載保護以采樣電阻上的分壓來計量，如設(shè)定為10A以上過載，并聯(lián)的6個0.1歐姆的電阻會產(chǎn)生166mV的電壓。比較器門限通過選擇合適的電阻來設(shè)定，比較器翻轉(zhuǎn)即代表電流過大，F(xiàn)PGA采樣到該信號之后，也停止輸出，響應(yīng)時間設(shè)計成0.2s[8]。

5 結(jié)束語

逆變器的應(yīng)用非常廣泛，目前市場上沒有一顆專用芯片來實現(xiàn)上述功能。將此電路設(shè)計方案設(shè)計成芯片，對于近年來清潔能源的開發(fā)（如太陽能光伏電池產(chǎn)業(yè)等），會帶來一系列的產(chǎn)品應(yīng)用，具有可觀的經(jīng)濟效益。

[1]邱關(guān)源.電路［M］.北京：高等教育出版社，1999.Qiu Guanyuan.Circuit［M］.Beijing:HEP Frontiers Press,1999.

[2]李桂宏.謝世健.集成電路設(shè)計寶典［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.Li Guihong，Xie Shijian.Integrated Circuit Design［M］.Beijing:Electronic Industry Press,2006.

[3]嚴蔚敏，吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)［M］.北京：清華大學(xué)大學(xué)出版社，1992.Yan Weimin，Wu Weimin.Data Structure［M］.Beijing:Tsinghua University Press,1992.

[4]R.Jacob Baker,Harry W.Li,David E Boyce.CMOS電路設(shè)計、布局與仿真［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.R.Jacob Baker,Harry W.Li,David E Boyce.CMOS Circuit Design、Layout and Simulation［M］.Beijing:China Machine Press,2006.

[5]張明.Verilog HDL實用教程［M］.成都：電子科技大學(xué)出版社，1999.Zhang Ming.Verilog HDL Synthesis［M］.Chengdu:University of Electronic Science and Technology Press,1999.

[6]朱子玉，李亞民.CPU芯片邏輯設(shè)計技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

Zhu Ziyu，Li Yamin.CPU Chip Logic Design［M］.Beijing:Tsinghua University Press,2005.

[7]甘學(xué)溫.數(shù)字CMOS VLSI分析與設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2004.Gan Xuewen.Digital CMOS VLSI Analysis and Design［M］.Beijing:Peking University Press,2004.

[8]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2000.Yan Shi.Digital Electronic Technology ［M］.Beijing:HEP Frontiers Press,2000.

Design of the Inverter Circuit of Adjustable Phase and Positive Phase Sine

Zhou Bo1，Dai Xuefeng2
(1.The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China;2.College of Science,Northeastern University 110004)

Inverter circuit is used widely in many fields.The principles of the common inverter circut and the disadvantages of complexity,high cost and low precision are introduced.The goal of new design is to design a kind of special circuit to replace the complicated circuit,and its advantage is to save cost and work convenintly.The design has universality of inverter circuit as well as specificity of adjstable phase.The principle and relevant circuit of this design is introduced,and principle of waveform generating is specified in detail.The design focuses on implementation approach and priciple of SPWM wave,which has the advantage of high speed,high precision and the real-time.The relevant module circuits such as filter circuit and protect circuit are also introduced,and as it lacks a special chip in present market to realize functions above,they have better economic benefits.

Adjustable phase;Inverter circuit;Principle of design;SPWM wave;Filter circuit;Protect circuit

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.04.008

TN4

A

1002-2279-（2017）04-0027-03

周博（1985—），男，遼寧省沈陽市人，助理工程師，主研方向：集成電路設(shè)計及驗證。

2016-11-15