基于单片机与SPWM控制应急电源逆变电路设计

　　摘要：

　　逆变器是应急电源的重要组成部分。为了实现应急电源中逆变器输出交流电压的适时调节，减小输出电压谐波达到逆变电路数字化控制目的，三相逆变电路采用了正弦脉宽调制(SPWM)控制方法，以C8051F020单片机和SA4828为核心，完成对SPWM波的产生及系统的控制。利用单片机特有的端口连接完成外围控制功能，这样就减少了应急电源对波形产生的处理时间，保证波形具有较高精度，而且电路硬件连接简单。

　　引言

　　随着社会发展，越是信息化、现代化，就越依赖于电力，突然断电会给人们正常的生活秩序和学习带来影响，尤其对于生产、生活中特别重要的负荷，一旦中断供电，将会造成重大的经济损失。应急电源产品已成为很多重要场所必不可少的重要设备，也是能够最有效地解决停电事故和电力质量不稳定等问题的有效途径，而逆变电路是应急电源的重要组成部分。逆变电路在应急电源中的作用是当市电断电或发生异常时，将蓄电池提供的直流电压逆变为三相交流电输出，以保证重要负荷或设备的正常运行。目前，逆变电源大多采用正弦波脉宽调制(SPWM)技术，其控制电路大多采用模拟方法实现。模拟控制技术虽然已经非常成熟，但存在很多缺点如：控制电路的元器件多，电路复杂，体积较大，灵活性不够等。本文设计了一种全数字化的三相PWM逆变电源，利用专用SPWM波形发生器与单片机连接产生逆变驱动信号SPWM波，设计中选用了单片机C8051F020控制和MITEL公司的SA4828芯片作为波形发生器。

　　逆变电路的结构与工作原理

　　图1是逆变电路的构成。由蓄电池提供的直流电通过三相逆变电路变为交流电，其基波频率是逆变电源的输出频率，该交流信号经过输出变压器隔离，再由低通滤波器滤去谐波，获得负载所需的三相正弦交流电。

　　图1逆变电路的结构

　　在逆变电路中，逆变器及其控制是逆变电路的核心。逆变器的控制采用SPWM控制方式，本文利用SPWM波发生器和单片机实现对逆变器及输出电压的控制。由控制器产生的SPWM波控制开关器件的通断，从而控制输出电压及其波形，并使输出电压稳定。

　　三相逆变器主电路设计

　　三相逆变器主电路如图2所示，是由三相逆变桥、变压器、滤波器组成。

　　图2 三相逆变主电路图

　　逆变器开关器件采用6单元IPM智能功率模块。LCR低通滤波器中电感L的作用是抑制高次谐波通过;电容C为逆变器产生的高次谐波提供旁路;电阻R起阻尼作用，防止或抑制谐波的产生。在市电工作中断或者不正常时，蓄电池电压被加到直流总线上，通过由智能功率模块组成的逆变器，然后通过由LCR组成的滤波器和三相功率变压器，形成相电压为220 V的三相正弦交流电给负载供电。三相逆变器的开关器件采用日本富士公司型号为PM100CVA60六单元IPM智能功率模块，其耐压可达600 V，集电极最大允许电流100 A，安全工作区较宽，驱动功率小、开关频率高、饱和压降低。另外该模块还具有带过流控制、滤波器体积小、噪声低、易散热、可靠性高等特点。模块的驱动信号为正弦脉宽调制(SPWM)信号。

　　功率元件智能功率模块IGBT-IPM是以功率器件IGBT为主体，同时把驱动电路、多种保护电路及报警电路等功能电路集成在同一模块内的新型混合集成电路。用智能功率模块作为电源的功率器件，可以简化硬件电路的设计，缩小电源体积，更主要的是提高了系统的安全性和可靠性。在选用智能功率模块IPM时，根据电压和电流的定额选择。功率元件的电流定额考虑(2～3)倍的安全裕量。计算电流时应满足在输入电压波动为最低时仍能满足输出功率。根据给定的技术参数计算功率元件的最大输出功率、额定电流值、额定电压值，最终选用100 A/600 V的智能功率模块，型号为PM100CVA60.

　　逆变控制器设计

　　控制电路的功能主要是产生SPWM驱动信号。SPWM是实现逆变器输出交流电压调节、减小输出电压谐波的一种控制方法。利用SPWM控制构成的逆变器调节性能好，调节速度快，可使调节过程中频率和电压相配合，以获得好的动态性能，输出电压波形接近正弦。为了实现此功能及逆变电路的数字化，本文利用单片机和专用SPWM波形发生器SA4828集成电路构成逆变控制器。该种方法软件编程简单，应急电源对波形产生的处理时间少，并能保证波形具有较高精度，而且硬件连接简单。