一種簡單實用的車載正弦波逆變電源

0 引言
在一些交通運載、野外測控、可移動武器裝備、工程修理車等設(shè)備中都配有不同規(guī)格的電源。通常這些設(shè)備工作空間狹小，環(huán)境惡劣，干擾大。因此對電源的設(shè)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。針對某種移動設(shè)備的特定要求，研制了一種簡單實用的車載正弦波逆變電源，采用SPWM工作模式，以最簡單的硬件配置和最通用的器件構(gòu)成整個電路。實驗證明．該電源具有電路簡單、成本低、可靠性高等特點．滿足了實際要求。本文介紹了各部分的工作原理，重點闡述參考正弦發(fā)生器及高壓懸浮驅(qū)動電路的設(shè)計。

1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)組成框圖如圖1所示 由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)與集成運算放大器構(gòu)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(diào)制器。產(chǎn)生的SPWM波經(jīng)專用高壓懸浮驅(qū)動器IR211O后，送至逆變電路(半橋)上下橋臂功率開關(guān)的門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(diào)節(jié)器后提供參考正弦發(fā)生器的控制電壓，調(diào)節(jié)參考正弦的幅值(即調(diào)節(jié)ma)達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。逆變主電路拓樸結(jié)構(gòu)如圖2所示，這是一常規(guī)的半橋電路。

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

為便于時間量化和數(shù)控采樣，以及兼顧功率器件的工作頻率，選擇mf為整數(shù)且為偶數(shù)。例如mf=30．期望的輸出頻率f8(即調(diào)制頻率)為400Hz，則器件的開關(guān)頻率f8=12kHz，在IGBT優(yōu)選的工作頻率之內(nèi)，鑒于正弦波的對稱性．僅算出T/4(T為調(diào)制波的周期)的權(quán)電阻即町。不難理解R8是ωti=90時的權(quán)電阻值，半周內(nèi)是以R8為中心兩邊對稱，連接關(guān)系如圖3中所示。半周內(nèi)有15次采樣，CD4016l為可預(yù)置4位二進制加計數(shù)器。可將其先預(yù)置為1，15次記滿自動復(fù)位，且同時預(yù)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的完整的正弦調(diào)制波ur。
2.2 三角載波及時鐘產(chǎn)生電路
UC3637內(nèi)含三角波振蕩器。圖4中R20，R21，R22的分壓點+VTH、-VTH是三角波正峰值和負峰值的轉(zhuǎn)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(nèi)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，線性良好的三角波。該三角波送到內(nèi)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(diào)制器的腳8、10。調(diào)節(jié)Rp可以調(diào)節(jié)載波頻率、由于同步調(diào)制的原因(mf=30)，同時也在一定范圍內(nèi)改變了輸出頻率。

由于UC3637無同步信號輸出端．設(shè)計了一信號調(diào)理電路將三角波載波信號變換為時鐘信號，作為CD4016l的計數(shù)時鐘，即參考正弦的采樣脈沖。調(diào)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)過零比較輸出與后級邏輯電路電平(CD40161)相匹配的時鐘信號。
2.3 正弦脈寬調(diào)制器
UC3637中有兩個獨立的比較器，其輸入、輸出端分別都引到片外，應(yīng)用相當(dāng)靈活。前已述及三角波載波由R23及R24送到兩個比較器的腳8與腳10。那么，由參考正弦產(chǎn)生電路產(chǎn)生的調(diào)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關(guān)器件的死區(qū)時間td[見式(3)]，二調(diào)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為開關(guān)周期。

3 高壓懸浮驅(qū)動電路
IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動器，兼有光耦隔離(體積小)和電磁隔離(速度快)的優(yōu)點，是小功率變換裝置中首選的驅(qū)動器件。IR2110驅(qū)動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必須使用與功率開關(guān)相同耐壓等級的快恢復(fù)二極管，自舉電容的設(shè)計也至關(guān)重要，C1的耐壓要比功率器件充分導(dǎo)通時所需的驅(qū)動電壓(10V，高壓側(cè)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門極電荷。
工程應(yīng)用時應(yīng)取C1>2Q/(Vcc-10-1.5)，且應(yīng)選取容量穩(wěn)定，耐脈沖電流的無感電容。自舉電容的詳細設(shè)計可參考文獻[3]。

4 實驗結(jié)果
設(shè)計實例：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，開關(guān)頻率12kHz；濾波電感2mH，濾波電容10μF；功率開關(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(qū)動電路1片IR2110。圖6～圖8為實驗波形。THD3%。

5 結(jié)語
本文所介紹的車載逆變電源，具有簡單、實用、成本低、可靠性高等特點。而且電源的整體重量輕、體積小，滿足移動設(shè)備和車載的需要。已成功地應(yīng)用到一種頻繁移動的軍事裝備中。