一種簡(jiǎn)單實(shí)用的車(chē)載正弦波逆變電源

0 引言
在一些交通運載、野外測控、可移動(dòng)武器裝備、工程修理車(chē)等設備中都配有不同規格的電源。通常這些設備工作空間狹小，環(huán)境惡劣，干擾大。因此對電源的設計要求也很高．除了具有良好的電氣性能外，還必須具備體積小、重量輕、成本低、可靠性高、抗干擾強等特點(diǎn)。針對某種移動(dòng)設備的特定要求，研制了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的車(chē)載正弦波逆變電源，采用SPWM工作模式，以最簡(jiǎn)單的硬件配置和最通用的器件構成整個(gè)電路。實(shí)驗證明．該電源具有電路簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高等特點(diǎn)．滿(mǎn)足了實(shí)際要求。本文介紹了各部分的工作原理，重點(diǎn)闡述參考正弦發(fā)生器及高壓懸浮驅動(dòng)電路的設計。

1 系統組成
系統組成框圖如圖1所示 由權電阻網(wǎng)絡(luò )與集成運算放大器構成的可編程增益放大器產(chǎn)生階梯波參考正弦，UC3637用作正弦脈寬調制器。產(chǎn)生的SPWM波經(jīng)專(zhuān)用高壓懸浮驅動(dòng)器IR211O后，送至逆變電路(半橋)上下橋臂功率開(kāi)關(guān)的門(mén)極逆變電路的輸出經(jīng)濾波隔離得到輸出電壓u0，u0經(jīng)PI調節器后提供參考正弦發(fā)生器的控制電壓，調節參考正弦的幅值(即調節ma)達到調節輸出電壓的目的。逆變主電路拓樸結構如圖2所示，這是一常規的半橋電路。

2 控制電路
由SPWM工作模式知，控制電路須產(chǎn)生兩個(gè)基本信號，即參考正弦波調制信號和三角波載波信號，并將調制波和載波送到正弦脈寬調制電路產(chǎn)生SPWM脈沖波，由驅動(dòng)電路控制主電路中相應的功率開(kāi)關(guān)模塊。
2.1 正弦調制波產(chǎn)生電路
正弦調制波產(chǎn)生電路如圖3所示。CD4067為16選1模擬開(kāi)關(guān)。R1～R8為加權電阻(簡(jiǎn)稱(chēng)“權電阻”)，其值與采樣時(shí)刻ωti有關(guān)，i為采樣序號。

為便于時(shí)間量化和數控采樣，以及兼顧功率器件的工作頻率，選擇mf為整數且為偶數。例如mf=30．期望的輸出頻率f8(即調制頻率)為400Hz，則器件的開(kāi)關(guān)頻率f8=12kHz，在IGBT優(yōu)選的工作頻率之內，鑒于正弦波的對稱(chēng)性．僅算出T/4(T為調制波的周期)的權電阻即町。不難理解R8是ωti=90時(shí)的權電阻值，半周內是以R8為中心兩邊對稱(chēng)，連接關(guān)系如圖3中所示。半周內有15次采樣，CD4016l為可預置4位二進(jìn)制加計數器?？蓪⑵湎阮A置為1，15次記滿(mǎn)自動(dòng)復位，且同時(shí)預置為1。
由以上分析知，U1A為可編程增益放大器，增益Kp=-Rf/Rk，Rk接入的序號不同，Kp的大小不同。在U1A的輸出端可以得一串15階梯的半波正弦，再由極性變換電路U1B(其中R10=Rk12)，可以得到正負半周對稱(chēng)的完整的正弦調制波ur。
2.2 三角載波及時(shí)鐘產(chǎn)生電路
UC3637內含三角波振蕩器。圖4中R20，R21，R22的分壓點(diǎn)+VTH、-VTH是三角波正峰值和負峰值的轉折電壓。三角波的振蕩頻率fs由VTH，CT，RT共同決定，關(guān)系如下

UC3637內部有一恒流源為CT提供充放電電流。在腳2產(chǎn)生正負斜率對稱(chēng)，線(xiàn)性良好的三角波。該三角波送到內部運放的同相端腳15．跟隨以后由腳16，17輸出．再經(jīng)R23及R24分別送到二正弦脈寬調制器的腳8、10。調節Rp可以調節載波頻率、由于同步調制的原因(mf=30)，同時(shí)也在一定范圍內改變了輸出頻率。

由于UC3637無(wú)同步信號輸出端．設計了一信號調理電路將三角波載波信號變換為時(shí)鐘信號，作為CD4016l的計數時(shí)鐘，即參考正弦的采樣脈沖。調理電路的第一級為有源微分電路．由U1D及周邊阻容元件組成。C1及R27為微分電容電阻；R26及C2消除高頻振蕩；R26《R27，C2《C1。U1D輸出一雙極性方波信號，再經(jīng)U2(比較器)過(guò)零比較輸出與后級邏輯電路電平(CD40161)相匹配的時(shí)鐘信號。
2.3 正弦脈寬調制器
UC3637中有兩個(gè)獨立的比較器，其輸入、輸出端分別都引到片外，應用相當靈活。前已述及三角波載波由R23及R24送到兩個(gè)比較器的腳8與腳10。那么，由參考正弦產(chǎn)生電路產(chǎn)生的調制波由R18及R19分別送到二比較器的腳9和腳11。腳9與腳11還由電阻R16及R17分別接到Vs電源上。 由此得到的偏置電平VT，VT的高低決定了上下功率開(kāi)關(guān)器件的死區時(shí)間td[見(jiàn)式(3)]，二調制器分別由腳4及腳7輸出SPWM控制信號。

td=[(+VT/2)-(-VT/2)]Ts/2VTH (3)

式中：Ts為開(kāi)關(guān)周期。

3 高壓懸浮驅動(dòng)電路
IR公司生產(chǎn)的IR2110驅動(dòng)器，兼有光耦隔離(體積小)和電磁隔離(速度快)的優(yōu)點(diǎn)，是小功率變換裝置中首選的驅動(dòng)器件。IR2110驅動(dòng)半橋逆變器的電路如圖 5所示。

圖中VD1，C1為自舉二極管，自舉電容。VD1必須使用與功率開(kāi)關(guān)相同耐壓等級的快恢復二極管，自舉電容的設計也至關(guān)重要，C1的耐壓要比功率器件充分導通時(shí)所需的驅動(dòng)電壓(10V，高壓側欠壓鎖定電壓為8.7V/8.3V)高；若在C1的充電路徑上有1.5V的壓降，且假定有一半的柵壓因泄漏而降低，則自舉電容C1可按式(4)選取。


式中：Qg為IGBT門(mén)極電荷。
工程應用時(shí)應取C1>2Q/(Vcc-10-1.5)，且應選取容量穩定，耐脈沖電流的無(wú)感電容。自舉電容的詳細設計可參考文獻[3]。

4 實(shí)驗結果
設計實(shí)例：主電路半橋拓樸，SPWM工作模式。輸入Ud=270(110%)V直流電壓；輸出正弦波交流電壓Uo=115V，400Hz．500W，開(kāi)關(guān)頻率12kHz；濾波電感2mH，濾波電容10μF；功率開(kāi)關(guān)選用IGBT單管1MBH5OD-060；控制電路中使用的主要集成電路有UC3637、CD4067、CD40161、TL084各1片：驅動(dòng)電路1片IR2110。圖6～圖8為實(shí)驗波形。THD3%。

5 結語(yǔ)
本文所介紹的車(chē)載逆變電源，具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、成本低、可靠性高等特點(diǎn)。而且電源的整體重量輕、體積小，滿(mǎn)足移動(dòng)設備和車(chē)載的需要。已成功地應用到一種頻繁移動(dòng)的軍事裝備中。