三相逆變電源設(shè)計與實現(xiàn)

隨著我國對環(huán)境保護的不斷重視，綠色、低碳、循環(huán)節(jié)能的新興產(chǎn)業(yè)受到追捧。應(yīng)用在新興產(chǎn)業(yè)中的電源技術(shù)則要求有更高的效率、可靠性以及更低的成本，而逆變技術(shù)在高效率、低功耗、高精度等方面有突出優(yōu)點，可廣泛的應(yīng)用于新興產(chǎn)業(yè)中[1]。因此對逆變技術(shù)的研究也成為一項重要的研究課題[2～8]。

現(xiàn)設(shè)計一款三相逆變交流電源，以低功耗、高速的STM32處理器為核心。逆變驅(qū)動主電路采用智能功率模塊（IPM）PM30CSJ060。當(dāng)輸入直流電壓為36V時，輸出正弦信號頻率為50Hz，負(fù)載Y型連接時線電壓有效值可達24V；同時，負(fù)載線電流有效值Io在0～2A間變化時，各相負(fù)載調(diào)整率不大于0.3%，電能轉(zhuǎn)換效率可達88%。

1 三相逆變電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 三相逆變電源系統(tǒng)框圖

三相逆變電源由直流電源模塊、三相逆變驅(qū)動主電路、濾波電路、STM32最小系統(tǒng)、信號隔離電路、SPWM（正弦脈寬調(diào)制）信號發(fā)生器、電壓和電流測量電路和LCD顯示等功能電路組成，系統(tǒng)如圖1所示。STM32產(chǎn)生正弦波脈寬調(diào)制信號（SPWM），經(jīng)過光耦隔離電路后控制三相逆變驅(qū)動電路（智能功率模塊），通過低通濾波器濾波，最終將直流電壓逆變?yōu)槿嗉冋也妷盒盘枺?fù)載為純電阻三相對稱Y型連接。電壓、電流測量電路測量三相純正弦波各相電壓和電流，并通過STM32后在液晶顯示器上顯示。

2 功能模塊設(shè)計

2.1 三相逆變驅(qū)動主電路

三相逆變驅(qū)動主電路采用三菱公司的智能功率模塊（IPM）PM30CSJ060，它不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且還包括過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路，即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以保護自身不受損壞，同時可將檢測信號送到處理器，顯示具體的故障類型[9]。

PM30CSJ060適合于頻率高達20K功率變換場合，內(nèi)部由六個IGBT單元構(gòu)成H橋逆變電路，額定電壓為600V、額定電流為15～75A[10]。6個單元的柵極驅(qū)動電路共需4組隔離的電源，其中上橋臂3個單元的柵極驅(qū)動電路各用一組獨立的直流15V電源，下橋臂3個單元的柵極驅(qū)動電路共用一組直流15V電源。

2.2 信號隔離電路

利用光耦對處理器STM32F103與PM30CSJ060進行隔離，提高系統(tǒng)的安全性和抗干擾性。4個低速光耦PC817的2管腳分別與PM30CSJ060的輸出故障信號UFO、VFO、WFO連接，1管腳分別與PM30CSJ060的四組相互隔離的15V電源連接，4管腳連接處理器STM32F103的I/O口，3管腳都與信號源公共地GND5連接，但GND5與四組相互隔離的15V電源的地不共地，如圖2所示。處理器STM32F103產(chǎn)生3對互補的SPWM信號經(jīng)I/O口輸出后，再通過高速光耦6N137與PM30CSJ060的UP、VP、WP、UN、VN、WN驅(qū)動信號管腳連接，因此需要6個6N137光耦，具體連接如圖3所示。

圖2 PC817光耦電路

圖3 6N137驅(qū)動電路

圖4 濾波電路

2.3 SPWM（正弦脈寬調(diào)制）信號發(fā)生器

正弦脈沖寬度調(diào)制信號（SPWM）采用自然采樣法，但不用求得載波和調(diào)制波的交點時刻，而是在STM32F103中形成一個正弦表，通過軟件查表的方法比較載波與調(diào)制波的大小，從而控制脈寬生成6路互補的SPWM信號。此法具有生成的波形接近正弦波和計算量小的優(yōu)點。

2.4 濾波電路

PM30CSJ060輸出的波形需要經(jīng)過濾波電路濾除高頻分量得到正弦信號。在本系統(tǒng)中要濾除的主要是載頻ωc=20KHz、2ωc及其附近諧波，LC-π濾波電路如圖4所示。電感采用高頻磁環(huán)繞制空芯線圈，電容采用無極性滌綸電容。

2.5 電壓、電流測量電路

2.5.1 相電壓有效值測量電路

由于真有效值測量芯片AD637具有測量精度高、相對穩(wěn)定時間短和頻帶寬的優(yōu)點，同時它的輸出電壓等于待測量電壓的真有效值，因此采用該芯片測量三相交流電壓的相電壓有效值[11]。但AD637的輸入電壓有效值的測量范圍為0～7V，不能直接測量三相逆變電路輸出14V相電壓的有效值。5mA/5mA微型電流型電壓互感器MH8009PT可將交流高電壓轉(zhuǎn)換為交流低電壓輸出，轉(zhuǎn)換線性度好，精度高，測量電路如圖5所示。

圖5 相電流有效值測量電路

圖6 相電壓有效值測量電路

2.5.2 相電流有效值測量電路

采用電壓輸出型電流互感器ZMCT102測量相電流有效值。該電流互感器輸入的電流與輸出的電壓呈線性關(guān)系，其中一次側(cè)電流與二次側(cè)電流為2000∶1的關(guān)系，因此通過測量電壓值可以得到輸入的電流值，如圖6所示。電流互感器測量大的交流電流信號時與被測電路隔離，對被測電路影響小，具有能耗小、頻帶寬、信號還原性好、價格便宜等優(yōu)點。

2.6 電源模塊

由一路直流穩(wěn)壓電源輸出36V電壓信號經(jīng)過4個DC-DC隔離電源模塊SYSY10-24S15后產(chǎn)生4路15V互相隔離的電源為三相逆變驅(qū)動主電路供電，同時由該直流穩(wěn)壓電源連接1個DC-DC隔離電源模塊SYSY5-24S05產(chǎn)生±5V電壓分別為AD637和STM32處理器提供±5V和5V電源電壓。

2.7 STM32最小系統(tǒng)

STM32F103是32位的ARM微控制器，它的外設(shè)資源非常豐富，包括ADC、通用定時器、I2C總線接口、SPI接口等，其中有專門為電機控制而設(shè)的高級定時器，帶有6個死區(qū)時間可編程的PWM發(fā)生器，因此可編程產(chǎn)生6路互補的SPWM信號驅(qū)動IPM；12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)高速、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，而不用考慮在控制器的外部單獨安排AD轉(zhuǎn)換器。STM32F103的最小系統(tǒng)包括復(fù)位、晶振、JTAG、1602液晶顯示等單元電路。

3 軟件設(shè)計

圖7 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。系統(tǒng)初始化后，延時50ms后如果沒有按鍵按下則將三相逆變驅(qū)動主電路轉(zhuǎn)變出的交流信號波形顯示在示波器上，如有按鍵按下則進行數(shù)據(jù)處理后將測量的相電壓和相電流在液晶顯示器1602上顯示。

4 結(jié) 語

針對逆變電源的缺點，設(shè)計一款三相逆變電源，當(dāng)輸入直流電壓為36V時，輸出正弦信號頻率為50Hz，負(fù)載Y型連接時線電壓有效值可達24V；同時，負(fù)載線電流有效值Io在0～2A間變化時，各相負(fù)載調(diào)整率不大于0.3%，電能轉(zhuǎn)換效率可達88%。

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