張 慧

長江大學(xué)文理學(xué)院，湖北荊州 434023

節(jié)能是當(dāng)今電器領(lǐng)域科技發(fā)展的主要方向之一，也是人們?nèi)粘ＯM(fèi)與生活關(guān)注的焦點(diǎn)。變頻技術(shù)在實(shí)現(xiàn)電器節(jié)能方面發(fā)揮著重要作用。對(duì)中小容量變頻器而言，應(yīng)用最為廣泛的是交流－直流－交流變換器。此類變換器中，又以正弦脈寬調(diào)制(SPWM)型變換器為主。

利用變頻技術(shù)產(chǎn)生SPWM信號(hào)的方法有多種，如利用分立元件搭建模擬、數(shù)字混合電路、使用SPWM專用芯片或基于CPLD/FPGA設(shè)計(jì)SPWM發(fā)生器等。本文主要研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM，此方法控制電路簡單可靠，利用軟件產(chǎn)生SPWM波，減輕了對(duì)硬件的要求，且成本低，受外界干擾小。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2 正弦逆變電路

1 變頻器方案設(shè)計(jì)

本文以英飛凌公司XC878M單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流－直流－交流變換器的實(shí)時(shí)檢測和自動(dòng)控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中，變頻器設(shè)計(jì)主要由電源電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)和逆變電路、濾波電路及保護(hù)電路等幾部分構(gòu)成。

變頻器各模塊設(shè)計(jì)：

1）電源模塊

本系統(tǒng)要求提供給橋式逆變模塊310V直流電壓。該310V直流電壓由市電經(jīng)全橋整流、濾波后獲得。

2）控制模塊

由XC878M輸出利用軟件方法產(chǎn)生的正弦脈寬調(diào)制信號(hào)（SPWM）。

3）驅(qū)動(dòng)和逆變電路模塊

由英飛凌公司提供的2片驅(qū)動(dòng)芯片2ED020I12-FI、4只IGBT管SKW30N60HS及外圍輔助電路構(gòu)成，完成DC-AC的逆變、電壓變換。

4）濾波電路模塊

驅(qū)動(dòng)和逆變電路輸出的高頻電壓信號(hào)，經(jīng)由LC低通濾波后，得到帶動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)的純正弦波電壓信號(hào)。

5）保護(hù)電路模塊

由1個(gè)10A保險(xiǎn)絲、4個(gè)反向并聯(lián)在IGBT管集-射極間的反向偏置二極管和LM393及輔助電路組成的比較電路和繼電器構(gòu)成，完成系統(tǒng)的過欠壓、過流保護(hù)及IGBT管的瞬間過流保護(hù)工作。

2 變頻器硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 逆變電路設(shè)計(jì)

逆變電路由4個(gè)IGBT管（Q3、Q4、Q5、Q6）組成的全橋式逆變電路組成，每個(gè)IGBT管并聯(lián)1個(gè)反向偏置二極管（D2、D6、D5、D10），利用二極管的極間電容，可以濾除IGBT管導(dǎo)通瞬間的大電流，起到瞬間過流保護(hù)作用。橋臂Q3、Q6和Q5、Q4在輸出正弦波信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)交替工作，可將直流電壓轉(zhuǎn)換成按正弦規(guī)律變化的梯形脈沖波，經(jīng)低通濾波器濾波后，負(fù)載上得到的實(shí)際電壓為正弦波。逆變橋的SPWM控制信號(hào)由主控芯片XC878M產(chǎn)生，并通過隔離驅(qū)動(dòng)電路傳遞到IGBT管的柵極。逆變電路如圖2所示。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

由于XC878M產(chǎn)生的SPWM信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)IGBT，故逆變橋的驅(qū)動(dòng)采用英飛凌專用驅(qū)動(dòng)芯片2ED020I12-FI。2ED020I12-FI為雙通道、高壓高速功率驅(qū)動(dòng)器件，可驅(qū)動(dòng)1200V的MOSFET及IGBT。2ED020I12-FI可同時(shí)輸出兩路獨(dú)立并且隔離的驅(qū)動(dòng)信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)兩路同一橋臂IGBT。2ED020I12-FI輸出部分采用15 V供電，供電電壓可直接供給或經(jīng)由二極管及電容供給。常規(guī)逆變電路經(jīng)常需要四組隔離的驅(qū)動(dòng)電源，而2ED020I12-F驅(qū)動(dòng)芯片只需要單組15 V電源供電，這可以極大地簡化驅(qū)動(dòng)電路并且節(jié)約成本。2ED020I12-F的所有邏輯輸入電壓可為3.3V或5V。/SD（高低端兩通道關(guān)斷邏輯輸入）、INH（高端邏輯輸入）和INL（低端邏輯輸入）為2ED020I12-F的邏輯輸入端。/ SD為高電平時(shí)，INH和INL輸入無效（OutH 與OutL輸出低電平）。/ SD為低電平時(shí)，若INH為高電平（而INL為低電平），則OutH（高端輸出）啟用（輸出高電平）；反之，若INL為高電平（而INH為低電平），OutL（低端輸出）啟用（輸出高電平）。若INH和INL均為高電平，則兩個(gè)輸入都無效（OutH 與OutL輸出低電平），直至兩者之一變?yōu)榈碗娖綍r(shí)才有效。2ED020I12-FI內(nèi)部還有一個(gè)通用運(yùn)算放大器和一個(gè)通用比較器，可分別用于IGBT管的電流檢測和過流檢測。

利用1片2ED020I12-FI驅(qū)動(dòng)半橋逆變電路的電路圖如圖3所示。

圖3 半橋驅(qū)動(dòng)電路

XC878M的輸入捕獲/輸出比較單元CCU6中的定時(shí)器T12（選通道0和通道1）可產(chǎn)生兩路PWM信號(hào)。2ED020I12-FI為雙通道驅(qū)動(dòng)芯片，故2片2ED020I12-FI可驅(qū)動(dòng)4個(gè)IGBT管SKW30N60HS。其中，第一片驅(qū)動(dòng)芯片2ED020I12-FI用于控制IGBT管Q3、Q4。第二片驅(qū)動(dòng)芯片2ED020I12-FI用于控制IGBT管Q5、Q6。在交流輸出的前半個(gè)周期，XC878M的P3.0輸出有效，利用三極管的開關(guān)作用，送至第一片驅(qū)動(dòng)芯片2ED020I12-FI的INL（低端輸入）及第二片驅(qū)動(dòng)芯片的INH（高端輸入），由第一片驅(qū)動(dòng)芯片2ED020I12-FI的OutH（高端輸出）及第二片驅(qū)動(dòng)芯片的OutL（低端輸出）控制IGBT管Q3、Q6的導(dǎo)通與關(guān)斷。同理，在交流輸出的后半個(gè)周期，XC878M的P3.1輸出有效，此時(shí)的SPWM信號(hào)經(jīng)由兩片2ED020I12-FI控制IGBT管Q5、Q4的導(dǎo)通與關(guān)斷。XC878M的P3.0和 P3.1輪流交替有效，使得輸出端得到正負(fù)交替出現(xiàn)的調(diào)制方波。

3 SPWM信號(hào)產(chǎn)生

3.1 PWM程序編程思路

本文將一個(gè)周期T的信號(hào)分成1 440個(gè)點(diǎn)（按X軸等分），兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔由XC878M通過定時(shí)器中斷產(chǎn)生。因此，首先需建立正弦脈寬數(shù)據(jù)表，由XC878M初始化時(shí)算好，將其按一定的格式（即考慮相序及同一相中的脈寬次序等）存入片內(nèi)的FLASH中，建立好數(shù)據(jù)指針，以便按一定的尋址方式查詢。

3.2 PWM程序詳細(xì)設(shè)計(jì)

SPWM實(shí)際上就是用一組經(jīng)過調(diào)制的幅值相等、寬度不等的脈沖信號(hào)代替調(diào)制信號(hào)，用開關(guān)量代替模擬量。調(diào)制后的信號(hào)中除了含有調(diào)制信號(hào)外，還含有頻率很高的載波頻率及載波倍頻附近的頻率分量，但幾乎不含其他諧波，特別是接近基波的低次諧波。因此，載波頻率也即SPWM的開關(guān)頻率越高，諧波含量越少。這從SPWM的原理可以直觀地看出。當(dāng)載波頻率高時(shí)，半周期內(nèi)開關(guān)次數(shù)越多，把期望的正弦波分段也越多，SPWM的基波就越接近期望的正弦波。

但是，SPWM的載波頻率除了受功率器件的允許開關(guān)頻率制約外，SPWM的開關(guān)頻率也不宜過高，這是因?yàn)殚_關(guān)器件工作頻率提高，開關(guān)損耗和換流損耗會(huì)隨之增加。另外，開關(guān)瞬間電壓或電流的急劇變化形成很大的du/dt或di/dt，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的電磁干擾；高du/dt、di/dt還會(huì)在線路和器件的分布電容和電感上引起沖擊電流和尖峰電壓；這些也會(huì)因頻率提高而變得嚴(yán)重。

綜上所述，SPWM的開關(guān)頻率的選擇應(yīng)綜合考慮各個(gè)方面的因素，本設(shè)計(jì)實(shí)際采用的SPWM開關(guān)頻率，也即IGBT的開關(guān)頻率為18MHz，這是一個(gè)折中的選擇。

正弦波輸出的0～180度由XC878M定時(shí)器T12的通道0（對(duì)應(yīng)的為COUT60_0）輸出有效，180～360度由T12的通道1（對(duì)應(yīng)的為COUT61_0）輸出有效，COUT60_0和 COUT61_0兩腳輪流交替有效輸出脈寬調(diào)制的正弦半波。

正弦波輸出的一個(gè)周期T分成1440個(gè)點(diǎn)（按X軸等分），兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔由XC878M的定時(shí)器通過計(jì)數(shù)中斷實(shí)現(xiàn)（載波頻率設(shè)置），由于XC878M的內(nèi)部定時(shí)器有PWM的設(shè)置，通過在程序中設(shè)置定時(shí)器的計(jì)數(shù)值來控制頻率，通過設(shè)置占空的計(jì)數(shù)值來調(diào)整脈沖的占空比，以保證輸出方波的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化。正弦脈寬調(diào)制波形示意圖見圖4。

本設(shè)計(jì)中壓縮機(jī)電機(jī)工作頻率范圍為20Hz～130Hz。逆變后的方波經(jīng)濾波后可以得到正弦波脈沖，調(diào)制頻率為28.8KHz～187KHz，一個(gè)周期分為1 440個(gè)調(diào)制脈寬，每個(gè)正弦波周期為 1440×（1/187KHz～1/28.8KHz）=0.0077s～0.05s，輸出頻率為20Hz～130Hz。正弦脈沖的度數(shù)與計(jì)數(shù)值之間的一個(gè)換算見表1。

圖4 正弦波脈沖寬度調(diào)制波形示意圖

3.3 PWM程序流程圖

首先對(duì)程序進(jìn)行初始化，初始化之后程序就進(jìn)入了中斷，連續(xù)讀取720個(gè)PWM的匹配值產(chǎn)生0～180度的PWM。然后，關(guān)閉此定時(shí)器和中斷，并打開TIMER0和它的定時(shí)中斷，同樣的連續(xù)讀取720個(gè)PWM的匹配值產(chǎn)生180～360度的PWM。

主程序中，在while(1)中不斷的掃描DS18B20溫度傳感器返回值。通過判斷室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度間溫差，動(dòng)態(tài)生成變頻表。正弦波頻率的改變范圍是20Hz～130Hz。

PWM調(diào)制程序流程圖如圖5所示。

4 結(jié)論

文中以XC878M單片機(jī)輸出利用軟件方法產(chǎn)生的正弦脈寬調(diào)制信號(hào)，將310V直流電壓逆變?yōu)楦哳l交流信號(hào)，后經(jīng)低通濾波得到純正正弦波帶動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)運(yùn)行，即基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流－直流－交流變換器的實(shí)時(shí)檢測和自動(dòng)控制，利用變頻技術(shù)最終達(dá)到空調(diào)節(jié)能的目的。單片機(jī)模擬輸出的SPWM信號(hào)可使硬件電路簡化，系統(tǒng)功率因數(shù)與效率大大提高；同時(shí)，采用高頻調(diào)制后可獲得高質(zhì)量的輸出電壓波形，抑制了高次諧波，使變換器損耗減小，由此提高了系統(tǒng)的工作性能。

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