基于瑞薩H8／3687的小型發(fā)電機逆變電源的研制

摘要：提出了一種穩(wěn)定性高、抗干擾能力強的小型發(fā)電機逆變電源的設計方案。采用瑞薩科技的工業(yè)級電機控制專用處理器H8／3687作為控制核心，產(chǎn)生頻率為12．5 kHz的高額SPWM脈寬調(diào)制信號，SPWM信號通過結(jié)合具有高頻抗干擾技術(shù)的驅(qū)動電路，將低壓的控制信號和高電壓信號隔離開，避免了高壓信號對控制信號的影響。最后有效地驅(qū)動了組成逆變橋的IGBT。實驗表明，這種小型發(fā)電機逆變電源能夠在較強的外界干擾下平穩(wěn)運行，可以實現(xiàn)220 V／50 Hz交流電的穩(wěn)定輸出，且輸出誤差保持在±3％的范圍內(nèi)。
關(guān)鍵詞：發(fā)電機；脈寬調(diào)制；逆變；瑞薩單片機；H8／3687

汽油發(fā)電機組是將發(fā)電機輸出的原始電壓通過電力電子技術(shù)的處理，然后再輸出給負載。開發(fā)出體積小運行穩(wěn)定可靠的發(fā)電機逆變電源，能節(jié)省能源并具有廣泛的市場前景。

1 瑞薩H8／3687單片機簡介
瑞薩H8／3687單片機是一種高精度控制的工業(yè)級電機專用處理器，運行速度高、處理功能強大，具有豐富的片內(nèi)外圍設備，便于接口和模塊化設計，被廣泛應用于數(shù)字馬達控制、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)各種電源設備。該單片機具體性能指標如下：1)高性能靜態(tài)COMS技術(shù)，主頻可達20 MHz，超低功耗設計，抗干擾能力強；2)內(nèi)置32 K×16 bit的ROM程序存儲器；3)動態(tài)PLL，主頻可由軟件編程修改；4)8通道10位A／D轉(zhuǎn)換器，雙采樣，保持最小轉(zhuǎn)換時間3．5μs；5)2個串行通信接口(SCI)、同步時鐘模式的I2C總線接口。

2 發(fā)電機逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
發(fā)電機逆變電源系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。汽油機的汽缸經(jīng)過進氣、壓縮、膨脹和排氣4個過程，將熱能轉(zhuǎn)變成為機械能，然后經(jīng)過曲軸連桿機構(gòu)帶動交流發(fā)電機，輸出電壓為330～470 V，頻率為150～330 Hz的交流電；經(jīng)過整流電路和大電容濾波電路進入單相全橋逆變電路。


控制電路以瑞薩H8／3687單片機為核心，產(chǎn)生單相逆變電路工作所需要的SPWM信號，通過驅(qū)動電路，使得單相全橋逆變主電路輸出高頻脈寬調(diào)制型交流電。該交流電再經(jīng)輸出濾波器處理最后得到穩(wěn)定、純凈的正弦波交流電。輸出母線電壓通過霍爾電流傳感器的采樣并將檢測量送到單片機的A／D轉(zhuǎn)換端口。
2．1 系統(tǒng)硬件電路設計
發(fā)電機逆變電源的硬件主要由整流電路、濾波電路、單相逆變電路和控制電路組成。整流電路為三相橋式不可控整流電路；整流電路和逆變電路之間采用大電容構(gòu)成加突波吸收器，有效濾除整流環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的高次諧波，防止發(fā)電機和負載之間的相互干擾；經(jīng)過單相全橋逆變電路和LC濾波電路，最后得到所需的單相220 V／50 Hz正弦波交流電輸出。該系統(tǒng)硬件電路設計的核心是逆變電路中IGBT驅(qū)動電路和保護電路的設計。
2．1．1 IGBT驅(qū)動電路設計
IGBT的驅(qū)動電路必須具備2個功能：1)實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動IGBT柵極的電隔離；2)提供合適的柵極驅(qū)動脈沖。本設計采用2ED020I12-F作為IGBT驅(qū)動器，2ED020I12-F不僅體積小而且速度快，工作頻率最高可達60 kHz，開通和關(guān)斷延時分別為120 ns和94 ns：并采用高端懸浮自舉電源設計，單相橋式電路中，僅用一組電源即可，簡化設計和節(jié)省成本。2ED020I12-F用于半橋驅(qū)動電路如圖2所示。圖中 C1、VDb分別為自舉電容和二極管，C2為濾波電容。假定在VQ1關(guān)斷期間C1已經(jīng)充電完成。當高端輸入為高電平時，VQ1導通，VQ2關(guān)斷，VCC加到VQ1的柵極和源極之間。隨著VQ1的導通，VQ1源極電壓接近直流母線的正端電壓，由于C1的電壓不能突變，C1上的電壓被抬高，維持VQ1柵極和源極的電位差，令VQ1維持導通。當高端輸入為低電平時，VQ1截止，VQ2導通，C1通過VQ2進行充電，迅速為VQ1補充能量，如此循環(huán)反復。


VDb和C1是在設計驅(qū)動電路時需要嚴格挑選和設計的元器件，既不能太大影響窄脈沖的驅(qū)動性能，也不能太小而影響寬脈沖的驅(qū)動要求。自舉二極管VDb應該選擇反向漏電流小的快恢復二極管，以減少電荷的損失。