王海濤
(河南神火集團(tuán)煤業(yè)公司, 河南 永城 476600)
正弦波逆變器廣泛運(yùn)用于航空、應(yīng)急、太陽能及風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域等需要應(yīng)急電源的場(chǎng)所,可構(gòu)成EPS應(yīng)急電源系統(tǒng)。在民用領(lǐng)域,成本是重要的考慮因素之一。為了降低成本,需要采用低電壓輸入、高電壓輸出,并采用低成本的控制器以實(shí)現(xiàn)升壓及正弦逆變控制。
本文提出一種采用SG3525芯片控制低壓升高壓的前級(jí)DC-DC變換器,并結(jié)合后級(jí)采用低成本PIC16716 處理器進(jìn)行正弦波脈寬調(diào)制,在實(shí)現(xiàn)正弦波逆變的同時(shí)降低系統(tǒng)成本。
該裝置硬件結(jié)構(gòu)分為低壓升高壓的前級(jí)DC-DC和單相逆變器DC-AC兩部分,前級(jí)DC-DC主要實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓直流的穩(wěn)壓控制,后級(jí)實(shí)現(xiàn)正弦波脈寬調(diào)制,并對(duì)輸出的正弦電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。前后級(jí)之間采用開關(guān)量進(jìn)行聯(lián)動(dòng),以實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。
該系統(tǒng)具有兩個(gè)特點(diǎn):
1) 采用前后兩級(jí)控制分離,可以實(shí)現(xiàn)SG3525的高頻直流變換,實(shí)現(xiàn)直流高壓的精確穩(wěn)壓控制,以避免采用高頻的處理器增加系統(tǒng)成本。且由于已經(jīng)實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓,可以使得前后級(jí)之間控制解耦,控制難度得以下降。
2) 后級(jí)單相逆變采用低成本的PIC16716 處理器,完成正弦波脈寬調(diào)制以及交流穩(wěn)壓控制。
電源為電壓為24 V的鉛酸蓄電池,前級(jí)DC-DC變換器如圖1所示。由圖1可知,SG3525 產(chǎn)生兩路反相驅(qū)動(dòng)來控制MOSFET 的導(dǎo)通與關(guān)閉。采用推挽式結(jié)構(gòu),變壓器的中間抽頭接入24 V電源,兩個(gè)MOS管交替導(dǎo)通,在變壓器次級(jí)產(chǎn)生高頻高壓方波,經(jīng)過快復(fù)二極管構(gòu)成的全橋整流電路整流獲得高壓直流輸出,其輸出動(dòng)、穩(wěn)態(tài)特性均較好。前級(jí)選用推挽式結(jié)構(gòu)主要考慮其對(duì)變壓器利用率較高,且在輸入電壓較低的情況下,仍能維持較大功率輸出。
圖1 前級(jí)電路
前級(jí)控制SG3525為控制核心,外圍電路構(gòu)成較為簡(jiǎn)單。由RT、CT和內(nèi)部電路組成震蕩電路,取CT=5.1 nF,RT=1.5 kΩ,RD=220 Ω。根據(jù)芯片手冊(cè)提供的公式f=1/[CT(0.7RT+3RD)],可計(jì)算出振蕩器輸出頻率約114.4 kHz。則PWM輸出頻率約為57.2 kHz。在芯片8腳接入10 μF 的電容,以實(shí)現(xiàn)變換器的軟啟動(dòng)。系統(tǒng)中的基準(zhǔn)比較調(diào)節(jié)電路則由基準(zhǔn)引腳Uref,同相輸入端及外圍電阻構(gòu)成。2 腳的電壓固定值為5.1 V。SG3525的1,2,9腳及其外圍電路構(gòu)成了PI 調(diào)節(jié)器,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高壓直流電壓的穩(wěn)壓控制。
后級(jí)采用6R190E6做H 橋逆變,基于SPWM調(diào)制后的高頻交流輸出,逆變橋的開關(guān)頻率為10 kHz。后級(jí)的逆變橋電路如圖2所示??紤]到較高的du/dt產(chǎn)生的米勒效應(yīng),為避免MOSFET誤導(dǎo)通,門極電阻反并聯(lián)了快恢復(fù)二極管,同時(shí),在MOSFET的門極并聯(lián)了0.01 uF的電容防止MOSFET受到誤觸發(fā)。
圖2 后級(jí)逆變橋電路
輸出的斬波電壓并非期望的正弦波,故還需進(jìn)行濾波。采用2 mH電感和4.7 uF 電容組成截止頻率為1.64 kHz的濾波器,濾除其中高頻分量,進(jìn)而獲得50 Hz的正弦波電壓輸出,再經(jīng)EMI 濾波器濾除共模干擾。濾波電路如圖3所示。
為獲得正弦輸出電壓,需要對(duì)逆變橋進(jìn)行正弦脈寬調(diào)制。常規(guī)的脈寬調(diào)制算法有單極性正弦波脈寬調(diào)制、雙極性正弦波脈寬調(diào)制以及單極倍頻正弦波脈寬調(diào)制。雙極性正弦波脈寬調(diào)制數(shù)字實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但輸出諧波較大;單極性正弦波脈寬調(diào)制開關(guān)損耗較低,輸出諧波較小,但其數(shù)字實(shí)現(xiàn)稍微復(fù)雜一些;而單極倍頻正弦波脈寬調(diào)制以其優(yōu)點(diǎn)成為設(shè)計(jì)首選:
圖3 后級(jí)濾波電路
1) 采用相同載波頻率時(shí),由于每個(gè)載波周期輸出脈沖數(shù)加倍(倍頻),高次諧波頻率加倍,故而諧波含量減少。
2) 高次諧波頻率相同時(shí),即輸出脈沖個(gè)數(shù)相同時(shí),開關(guān)損耗減半。其實(shí)現(xiàn)的調(diào)制波與載波如圖4所示。
圖4 單極倍頻脈寬調(diào)制
研究搭建了一套實(shí)驗(yàn)樣機(jī)以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。圖5所示為前級(jí)MOSFET的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)及流過其中一路MOSFET的電流波形,由實(shí)驗(yàn)波形可知,MOSFET工作頻率達(dá)到了預(yù)定的57.2 kHz,與理論相吻合。
圖6所示為逆變器以臺(tái)式機(jī)電腦作為負(fù)載時(shí)的波形。由于臺(tái)式機(jī)電源采用不控整流輸入,為非線性負(fù)載,更能考驗(yàn)?zāi)孀兤鞴ぷ鞯姆€(wěn)定性。由圖6波形可知,輸出交流電壓正弦度較好,電壓穩(wěn)定在220 V左右,未受到負(fù)載非線性的影響。
電氣設(shè)備的電磁兼容要求需要得到滿足。圖7所示為逆變器進(jìn)行EMI測(cè)試的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試采用EN55011標(biāo)準(zhǔn)。由測(cè)試結(jié)果可知,該設(shè)備滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,反映設(shè)計(jì)中采用的EMI濾波設(shè)計(jì)達(dá)到了目的。
圖5 前級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)及MOSFET電流波形
圖6 輸出交流電壓與負(fù)載電流波形
圖7 EMI測(cè)試結(jié)果
逆變器采用低成本的SG3525芯片以及PIC16716 芯片進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)了高性能的正弦波輸出,通過實(shí)驗(yàn)分析和設(shè)備實(shí)驗(yàn)運(yùn)行,其性能良好,不但滿足了實(shí)際應(yīng)用要求而且其前景可觀。