基于單片機與TC787芯片的三相半控整流電路設計

整流電路廣泛應用在直流電機調速，直流穩壓電壓等場(chǎng)合。而三相半控整流橋電路結構是一種常見(jiàn)的整流電路，其容易控制，成本較低。本文中介紹了一種基于 PIC690單片機與專(zhuān)用集成觸發(fā)芯片TC787的三相半控整流電路，它結合專(zhuān)用集成觸發(fā)芯片和數字觸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn) ,獲得了高性能和高度對稱(chēng)的觸發(fā)脈沖。它充分利用單片機內部資源 ,集相序自適應、系統參數在線(xiàn)調節和各種保護功能于一體,可用于對負載的恒電壓控制。主電路采用了三相半控橋結構，直流側采用LC濾波結構來(lái)提高輸出的電壓質(zhì)量。

系統總體設計
本系統通過(guò)PIC690單片機作為主控制芯片，用晶閘管作為主要開(kāi)關(guān)器件。設計的目標是保持輸出的直流電壓穩定，輸出電壓紋波小，交流輸出測電流THD較低，性能可靠。

系統主要電路包括：三相橋式半控整流電路、同步信號取樣電路、單片機控制電路、晶閘管觸發(fā)電路。首先，由同步信號取樣電路得到同步信號并送集成觸發(fā)芯片TC787，經(jīng)過(guò)零檢測，再進(jìn)行相應的延時(shí)以實(shí)現移相。單片機中的ADC負責采集直流母線(xiàn)電壓，根據電壓的設定值與實(shí)際值的偏差經(jīng)過(guò)PI運算來(lái)調節給定輸出。PIC單片機將電壓的參考值輸出到TC787，由TC787實(shí)現對晶閘管的移相觸發(fā)，以實(shí)現整流調壓。硬件電路的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件整體框圖

主電路設計
主電路采用三相橋式半控整流電路，直流測采用LC濾波電流結構，主電流原理圖如圖2所示。半控橋選擇SEMIKRON公司的SKDH146/120-L100模塊，該模塊額定電流140A，額定電壓1200V。直流側采用LC濾波電路結構，比單獨電容濾波效果好。此外，還可以提高交流輸入側的電流THD。直流側主要的諧波含量為工頻的6倍及6的整數倍，設計LC低通濾波時(shí)要避免含量較高的諧波引起的諧振。在本設計中選取電感5mH，濾波電容480μF。

圖2 主電路結構

從電網(wǎng)獲得的三相電壓經(jīng)同步電路整形后，送給集成觸發(fā)芯片TC787引腳18AT、引腳2 BT和引腳1CT。TC787內部集成有3個(gè)過(guò)零和極性檢測單元、3個(gè)鋸齒波形成單元、3個(gè)比較器、1個(gè)脈沖發(fā)生器、1個(gè)抗干擾鎖定電路和1個(gè)脈沖分配及驅動(dòng)電路數字給定移相控制電壓，能進(jìn)行相序自動(dòng)識別。

控制電路設計
采用PIC16F690作為控制芯片。PIC16F690單片機內部自帶10位AD；寬工作電壓（2.0～5.5V）；低功耗；帶有PWM輸出功能；內部自帶晶振。用芯片內部自帶10位AD，對采集到的直流側電壓進(jìn)行AD轉換。為了降低硬件成本，直接采分壓電阻代替電壓傳感器來(lái)采集直流側電壓，分壓電阻上的電壓經(jīng)過(guò)兩個(gè)反向比例電路到單片機。單片機的模擬地和信號地直接相連（也可以通過(guò)磁珠相連，以減小干擾）。PIC16F690單片機通過(guò)一個(gè)IO口使能或禁止芯片TC787的輸出，如圖3所示。當PIC單片機的I/O口RC3輸出高電平（+5V）時(shí)，Lock口為低電平；當單片機I/O口RC3輸出低電平時(shí)，Lock為高電平（+15V）。選用一個(gè)IO口作為T(mén)C787參考電壓的給定信號，采用PWM脈沖方式，調節占空比來(lái)調節輸出電壓， PWM波經(jīng)過(guò)一個(gè)RC低通濾波器后為一個(gè)近似直流信號，用這個(gè)信號作為參考電壓給定Uref，其范圍為0～5V。由于芯片TC787所需的給定輸入范圍為0-15V，所以PWM波要經(jīng)過(guò)一個(gè)光耦進(jìn)行電平轉換，如圖3所示。

圖3 控制電路硬件結構

電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)同步變壓器輸入到TC787，TC787的6腳輸出高時(shí)雙脈沖或低時(shí)單寬脈沖。12、11、10引腳分別為A、B、C的觸發(fā)輸出端，經(jīng)過(guò)脈沖變壓器輸出到晶閘管。

觸發(fā)驅動(dòng)電路設計
觸發(fā)芯片選擇高性能晶閘管三相移相觸發(fā)集成電路TC787。TC787可單電源工作，亦可雙電源工作，主要適用于三相晶閘管移相觸發(fā)和三相功率晶體管脈寬調制電路，以構成多種交流調速和變流裝置。TC787的內部結構如圖4所示。

圖4 TC787芯片內部結構

在本設計中，TC787采用15V供電，引腳4(Vr)：移相控制電壓輸入端。該端輸入電壓的高低直接決定著(zhù)TC787/TC788輸出脈沖的移相范圍，應用中接給定環(huán)節輸出。引腳5(Pi)：輸出脈沖禁止端。該端用來(lái)進(jìn)行故障狀態(tài)下封鎖TC787/TC788的輸出，高電平有效，應用中，接保護電路的輸出。同步電壓輸入端：引腳1(Vc)、引腳2(Vb)及引腳18(Va)為三相同步輸入電壓連接端。應用中，分別接輸入濾波后的同步電壓，同步電壓的峰值應不超過(guò)TC787/TC788的工作電源電壓VDD。

觸發(fā)驅動(dòng)電路主要由電網(wǎng)電壓同步電路、TC787集成觸發(fā)電路和脈沖放大隔離驅動(dòng)電路組成。圖5中給出了同步電路和TC787的外圍電路。其前半部分為電壓同步電路，采用這種設計方法需要加較多輔助元件。而對RP1～RP3三個(gè)電位器進(jìn)行不同調節，可實(shí)現0～ 60°的移相，從而適應不同主變壓器連接的需要。圖5中，直接將同步變壓器的中點(diǎn)接到(1/2)電源電壓上，使所用元件得以簡(jiǎn)化。TC787的引腳4輸出單片機的給定電壓（0～+15V），引腳6為觸發(fā)脈沖封鎖引腳。引腳10～12為觸發(fā)脈沖輸出引腳，分別接到C、B、A相的隔離放到電路。

圖5 同步電路與脈沖發(fā)生電路結構圖

圖6 電壓檢測電路

電壓檢測電路設計
為了降低硬件成本，設計直流母線(xiàn)電壓檢測電路時(shí)采用了分壓電阻的方法，而沒(méi)有采用電壓傳感器。采用這種分壓電阻的方法結構簡(jiǎn)單，易于調試。電路如圖6所示。通過(guò)分壓電阻得到的電壓為直流母線(xiàn)電壓的1/31，該電壓通過(guò)兩個(gè)反向比例放大電路輸入到PIC單片機的AD1輸入口中，再通過(guò)PIC單片機的AD轉換處理為數字量。