基于DSP的三相SPWM變頻電源的設計

引言
變頻電源作為電源系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關系到整個系統(tǒng)的安全和可靠性指標。現代變頻電源以低功耗、高效率、電路簡潔等顯著優(yōu)點而備受青睞。變頻電源的整個電路由交流-直流-交流-濾波等部分構成，輸出電壓和電流波形均為純正的正弦波，且頻率和幅度在一定范圍內可調。

本文實現了基于TMS320F28335的變頻電源數字控制系統(tǒng)的設計，通過有效利用TMS320F28335豐富的片上硬件資源，實現了SPWM的不規(guī)則采樣，并采用PID算法使系統(tǒng)產生高品質的正弦波，具有運算速度快、精度高、靈活性好、系統(tǒng)擴展能力強等優(yōu)點。

系統(tǒng)總體介紹

根據結構不同，變頻電源可分為直接變頻電源與間接變頻電源兩大類。本文所研究的變頻電源采用間接變頻結構即交-直-交變換過程。首先通過單相全橋整流電路完成交-直變換，然后在DSP控制下把直流電源轉換成三相SPWM波形供給后級濾波電路，形成標準的正弦波。變頻系統(tǒng)控制器采用TI公司推出的業(yè)界首款浮點數字信號控制器TMS320F28335，它具有150MHz高速處理能力，具備32位浮點處理單元，單指令周期32位累加運算，可滿足應用對于更快代碼開發(fā)與集成高級控制器的浮點處理器性能的要求。與上一代領先的數字信號處理器相比，最新的F2833x浮點控制器不僅可將性能平均提升50%，還具有精度更高、簡化軟件開發(fā)、兼容定點C28x TM控制器軟件的特點。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

（1）整流濾波模塊：對電網輸入的交流電進行整流濾波，為變換器提供波紋較小的直流電壓。

（2）三相橋式逆變器模塊：把直流電壓變換成交流電。其中功率級采用智能型IPM功率模塊，具有電路簡單、可靠性高等特點。

（3）LC濾波模塊：濾除干擾和無用信號，使輸出信號為標準正弦波。

（4）控制電路模塊：檢測輸出電壓、電流信號后，按照一定的控制算法和控制策略產生SPWM控制信號，去控制IPM開關管的通斷從而保持輸出電壓穩(wěn)定，同時通過SPI接口完成對輸入電壓信號、電流信號的程控調理。捕獲單元完成對輸出信號的測頻。

（5）電壓、電流檢測模塊：根據要求，需要實時檢測線電壓及相電流的變化，所以需要三路電壓檢測和三路電流檢測電路。所有的檢測信號都經過電壓跟隨器隔離后由TMS320F28335的A/D通道輸入。

（6）輔助電源模塊：為控制電路提供滿足一定技術要求的直流電源，以保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

系統(tǒng)硬件設計

變頻電源的硬件電路主要包含6個模塊：整流電路模塊、IPM電路模塊、IPM隔離驅動模塊、輸出濾波模塊、電壓檢測模塊和TMS320F28335數字信號處理模塊。

整流電路模塊

采用二極管不可控整流電路以提高網側電壓功率因數，整流所得直流電壓用大電容穩(wěn)壓為逆變器提供直流電壓，該電路由6只整流二極管和吸收負載感性無功的直流穩(wěn)壓電容組成。整流電路原理圖如圖2所示。

圖2 整流電路原理圖

IPM電路模塊

IPM由高速、低功率IGBT、優(yōu)選的門級驅動器及保護電路組成。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式電力電子器件。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低，非常適合應用于直流電壓。因而IPM具有高電流密度、低飽和電壓、高耐壓、高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率的優(yōu)點。本文選用的IPM是日本富士公司的型號為6MBP20RH060的智能功率模塊，該智能功率模塊由6只IGBT管子組成，其IGBT的耐壓值為600V，最小死區(qū)導通時間為3μs。

IPM隔離驅動模塊

由于逆變橋的工作電壓較高，因此DSP的弱電信號很難直接控制逆變橋進行逆變。美國國際整流器公司生產的三相橋式驅動集成電路IR2130，只需一個供電電源即可驅動三相橋式逆變電路的6個功率開關器件。