基于DSP的中頻電源的電路（硬件）實(shí)現(xiàn)

1 概述

中頻電源一般指輸出頻率為中頻(常用的為400 Hz)的單相或者三相變頻電源，廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船、機(jī)車、感應(yīng)加熱以及雷達(dá)、通信交換機(jī)等設(shè)備中。作為一種電源變換裝置，它必須將工頻輸入電壓變換為適用于工業(yè)應(yīng)用的頻率和電壓。

早期的中頻特種電源大都是采用電機(jī)機(jī)組產(chǎn)生的，通常由異步電動(dòng)機(jī)和同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成。異步電動(dòng)機(jī)由三相工頻交流電供電，在艦船上，三相工頻交流電由柴油發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生，異步電動(dòng)機(jī)再拖動(dòng)同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生所需要的幅值和頻率的中頻交流電。這種電源諧波含量少、正弦度好，輸出電壓和頻率的穩(wěn)定性都能滿足要求，但由于電源由旋轉(zhuǎn)的電機(jī)組成，它運(yùn)用在航空航天、艦船、機(jī)車，其機(jī)械噪音和機(jī)體大的缺點(diǎn)十分明顯。隨著電力電子器件發(fā)展，提出了靜止式中頻電源的結(jié)構(gòu)，然而電力電子器件造成的電源污染和諧波失真是迫切需要解決的問題。

目前靜止式中頻電源大都采用模擬控制的方法，即使用模擬器件構(gòu)成的三角波和正弦波產(chǎn)生電路分別將產(chǎn)生的三角載波信號Ut和正弦調(diào)制波信號Ur送入電壓比較器，從而產(chǎn)生SPWM序列。這種利用模擬電路調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)是完成Ut與Ur 信號的比較和確定脈沖所用的時(shí)間很短，幾乎是瞬間完成的，而且Ut和Ur的交點(diǎn)是非常精確的，未做任何近似處理。然而，這種方法的缺點(diǎn)是靈活性差，所需硬件較多，調(diào)試較為麻煩;并且不能實(shí)現(xiàn)在調(diào)頻的同時(shí)進(jìn)行調(diào)壓，即調(diào)頻和調(diào)壓只能分開進(jìn)行;另外，由于模擬器件存在漂移現(xiàn)象,因此電源穩(wěn)定性差。

將計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于中頻電源控制環(huán)節(jié)具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：

1)設(shè)計(jì)方面易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使逆變電源的智能化程度更高，性能更完美，系統(tǒng)升級方便，甚至可以在線修改控制算法而不必改動(dòng)硬件線路;

2)輸出電壓的穩(wěn)定性采用了DSP技術(shù)的電源輸出電壓的誤差可控制在1%以內(nèi);

3)輸出電壓波形失真度由于負(fù)載形式或負(fù)載變動(dòng)引起電源的輸出波動(dòng)，在傳統(tǒng)的中頻電源顯得較為明顯，而采用DSP芯片由于其強(qiáng)大的計(jì)算能力能對輸出電壓的諧波進(jìn)行檢測并進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，大大減少了諧波含量使得波形失真度小。

另外，計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)可實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控等功能，是當(dāng)今中頻電源發(fā)展的趨勢，本文主要介紹采用TMS320LF2407 DSP作為核心控制數(shù)字式中頻電源的研制。

2 中頻電源的硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)研究了一種DSP數(shù)字控制的1kVA的智能中頻電源，技術(shù)參數(shù)的要求為：

輸入市電220(1±10%)V

頻率50(1±5%)Hz

功率因數(shù)>0.8

輸出額定電壓AC 220 V

額定頻率400 Hz

電壓穩(wěn)定精度±2%

頻率穩(wěn)定精度±0.01%

功率1 kV·A

采用整流橋?qū)蜗喙ゎl電源整流成直流，然后采用了IGBT 構(gòu)成主功率橋式逆變電路，而SPWM信號的產(chǎn)生以及數(shù)字控制算法的實(shí)現(xiàn)通過在DSP為主控制器芯片的基礎(chǔ)上編程來實(shí)現(xiàn), 同時(shí)DSP 芯片還對電源的輸入輸出以及功率電路實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及故障處理和狀態(tài)顯示。原理框圖如圖1所示。

由圖1知，電源系統(tǒng)主要由主電路和控制電路組成。主電路又分為整流電路和逆變電路兩部分，整流電路將交流電變成直流電后提供給逆變電路形成400 Hz恒頻恒壓的交流電。本文著重討論逆變部分，控制電路包括反饋檢測以及SPWM 的產(chǎn)生等，DSP完成了所有的檢測控制和計(jì)算，它檢測出電壓給定值和輸出電壓反饋值，經(jīng)過數(shù)字PID 運(yùn)算產(chǎn)生輸出電壓控制指令，使輸出電壓值和給定值一致，DSP同時(shí)經(jīng)過計(jì)算產(chǎn)生SPWM信號來實(shí)現(xiàn)逆變橋的開斷，從而使輸出電壓的幅值和頻率與給定值一致，同時(shí)將輸出值顯示給用戶。

2.2 主功率電路

2.2.1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

中頻電源系統(tǒng)主電路如圖2所示，采用AC/DC/AC復(fù)合變流電路。它包括全橋整流電路、DC/AC逆變橋和輸出濾波器三部分。

AC/DC整流電路將輸入的220 V的交流電變換成直流電壓，作為DC/AC 逆變橋的輸入電壓。DC/AC 逆變橋由功率MOSFET器件S1、S2、S3和S4構(gòu)成，其作用是將全橋整流電路輸出的直流電壓變換成基波頻率為400 Hz的調(diào)制電壓波。

輸出低通濾波電路由濾波電感Lf，濾波電容Cf構(gòu)成，其作用是將DC/AC 逆變橋輸出的含有高次諧波分量、基波頻率為400 Hz 的調(diào)制電壓波Uab濾成低諧波含量(THD)220 V/400 Hz的交流正弦波Ua，供交流負(fù)載使用。

2.2.2 功率電路參數(shù)設(shè)計(jì)

功率電路包括全波整流橋與逆變橋功率器件的選取以及低頻濾波器參數(shù)的確定，下面一一說明。

2.2.2.1 整流器件參數(shù)計(jì)算

輸入為交流電壓220 V，其峰值電壓220姨2 =311 V。由于濾波電容的作用，其輸出直流最大電壓約為310 V。本電源的額定輸出功率為1 kW，考慮到濾波器的損耗以及功率開關(guān)管的開關(guān)損耗，設(shè)整機(jī)效率為80%，則有輸入功率為1 000/0.8=1 250 W，系統(tǒng)工作時(shí)，考慮到電壓會下降，設(shè)電壓值為(1.1～1.2)220 V，則輸入電流平均值Iun 為1 250/(1.1×220)=5.17 A，考慮到輸入電壓的波動(dòng)及降額使用，由于電網(wǎng)波動(dòng)造成的浪涌電流，因此必須保留一定的安全裕量。因此整流電路器件選取整流模塊為20 A、600 V的標(biāo)準(zhǔn)整流模塊。

2.2.2.2 逆變器件的選取

功率MOSFET具有優(yōu)良的開關(guān)特性，開關(guān)時(shí)間短、開關(guān)損耗低、可以工作在超聲頻脈沖情況下。它作為一種電壓控制多數(shù)載流子器件，柵極電路阻抗非常高，因此適用于多管并聯(lián)運(yùn)行。因?yàn)槠潋?qū)動(dòng)電路簡單，可直接以CMOS 邏輯驅(qū)動(dòng)，且不加緩沖電路，保護(hù)容易，基本上沒有二次擊穿現(xiàn)象，在中低功率電路中是首選功率器件之一，一般選用三菱、富士、APT、IR公司的產(chǎn)品。本文逆變器工作頻率為20 kHz，由上面推算系統(tǒng)選擇600 V的MOSFET 器件。器件的電流等級則要根據(jù)它所通過的最大峰值電流來確定?？紤]系統(tǒng)的過載系數(shù)為KA=1.5，安全系數(shù)KR=1.2，系統(tǒng)在輸出功率為1 kV·A 時(shí)的MOSFET 器件峰值約為27.7 A?？紤]到電流紋波以及反并聯(lián)二極管反向恢復(fù)尖峰電流，因此器件的電流等級可取為40 A。最終我們選擇MOSFET的型號為47N60S5。