80C196MC波形發(fā)生器和智能功率模塊在逆變器中的應用

1 引言

無(wú)源逆變技術(shù)在交流電動(dòng)機調速、不間斷電源、交-直-交變頻電路等方面已經(jīng)有了非常廣泛的應用。而脈寬調制技術(shù)更是以其諧波抑制、動(dòng)態(tài)響應、頻率和效率等方面的明顯優(yōu)勢取得了很大的發(fā)展。特別是在自關(guān)斷器件出現成熟以后，逆變電路越來(lái)越多地采用脈寬調制控制方式。

采用硬件產(chǎn)生正弦脈寬調制波形的電路比較復雜，而且難以精確控制；而采用軟件產(chǎn)生正弦脈寬調制波形又需要占用大量的CPU開(kāi)銷(xiāo)，從而降低了計算機的利用率；另外，大功率電力電子器件的保護和控制都比較困難，驅動(dòng)電路也較復雜。這些因素都阻礙了逆變技術(shù)的發(fā)展，降低了裝置的可靠性。本文介紹一種將 80C196MC單片機的片內波形發(fā)生器（WFG）和智能功率模塊（IPM）應用于逆變電路的實(shí)現方案。

2 片內波形發(fā)生器

片內波形發(fā)生器WFG（Wave Form Generator）是intel80C196MC/MD單片機所獨有的特點(diǎn)，它簡(jiǎn)化了產(chǎn)生同步脈寬調制波形所需的控制軟件和外部硬件，其結構如圖1所示。

Intel 80C196MC/MD單片機中的波形發(fā)生器有3個(gè)同步的PWM模塊（圖1中只畫(huà)出一個(gè)），每個(gè)模塊包括一個(gè)相位比較寄存器WG-COMP、一個(gè)無(wú)信號（DEAD TIME）時(shí)間發(fā)生器和一對可編程輸出。在重裝寄存器WG-RELOAD、雙向計數器WG-COUNT和比較器1地組合工作下即可產(chǎn)生載波信號?？刂萍拇嫫鱓G-COM除了控制WFG的工作方式外，其低10位還可用來(lái)確定無(wú)信號的時(shí)間。保護寄存器WG-PRO的功能是在軟件控制或外部事件的作用下，同時(shí)禁止WFG的全部6個(gè)輸出。輸出控制寄存器WG-OUT用來(lái)控制輸出腳的功能。該80C196中的波形發(fā)生器可以產(chǎn)生獨立的3對PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無(wú)信號時(shí)間和操作方式。

圖2 以中心對準工作方式0為例來(lái)說(shuō)明波形發(fā)生器產(chǎn)生PWM波形的原理。開(kāi)始時(shí)，雙向計數器向上計數，原始輸出有效。當W-COUNT=WG-COMP時(shí)，輸出變?yōu)闊o(wú)效。然后計數器繼續向上計數，直到計數器計數達到峰頂WG-COUNT=WG-RELOAD而產(chǎn)生一次WG中斷，系統從已建立好的正弦表中查出相應值重裝載入相位比較寄存器為止。再后來(lái)計數器便向下計數。這期間一對互補輸出均無(wú)效。直至WG-COUNT再次等于WG-COMP的值而使輸出又變?yōu)橛行?。當計數器向下計數?時(shí)，又開(kāi)始向上計數。如此反復即可在WGx和WGx上產(chǎn)生一對互補SPWM輸出波形。

為防止一對互補的PWM同時(shí)作為于逆變器的上下臂而產(chǎn)生直通，保證WFG的輸出不產(chǎn)生交疊波形，WFG中設置了無(wú)信號時(shí)間發(fā)生器。當WG-COUNT=WG -COMP時(shí)，相位比較器產(chǎn)生一跳變信號，跳變檢測器檢測到此跳變后，啟動(dòng)一個(gè)10位無(wú)信號時(shí)間計數器，其計數值由WG-CON專(zhuān)用寄存器的低10位 D9～D0裝入，并使得計數器的輸出DT為低電平，然后每個(gè)狀態(tài)周期計數減1，一直到0。這時(shí)計數器停止計數，DT變?yōu)楦唠娖?，從而產(chǎn)生一個(gè)死區時(shí)間來(lái)延遲輸出有效的開(kāi)通時(shí)間。死區時(shí)間主要由IPM中IGBT的關(guān)斷時(shí)間決定，同時(shí)還與單片機輸出隔離器件的延遲時(shí)間有關(guān)。死區時(shí)間不能太長(cháng)。因為太長(cháng)的死區時(shí)間可能導致WFG無(wú)PWM輸出，理論上要保證脈沖寬度不小于3T-dead。

由上述80C196MC單片機的波形發(fā)生器WFG產(chǎn)生PWM波形的基本原理可知，要產(chǎn)生正弦脈寬調制 SPWM波形，必須按正弦規律來(lái)控制WFG上產(chǎn)生的 PWM波形的占空比。因此在WFG產(chǎn)生中斷并重裝載相位寄存器值時(shí)，必須計算正弦函數值或者查正弦函數表以獲得對應時(shí)刻的正弦值。