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，通常由異步電動機(jī)和同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成。異步電動機(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，異步電動機(jī)再拖動同步發(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;并且不能實現(xiàn)在調(diào)頻的同時進(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)載變動引起電源的輸出波動，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，計算機(jī)數(shù)字技術(shù)可實現(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)字控制算法的實現(xiàn)通過在DSP為主控制器芯片的基礎(chǔ)上編程來實現(xiàn), 同時DSP 芯片還對電源的輸入輸出以及功率電路實行實時監(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同時經(jīng)過計算產(chǎn)生SPWM信號來實現(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

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，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及降額使用，由于電網(wǎng)波動造成的浪涌電流，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。因為其驅(qū)動電路簡單，可直接以CMOS 邏輯驅(qū)動，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。[!--empirenews.page--]

2.2.2.3 輸出濾波電路參數(shù)選取

低通濾波電路分為兩種，π型和倒L型電路，本系統(tǒng)采取倒L型結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

由于輸出為400 Hz，輸出電壓為220 V，功率為1 kW，通過諧波分析可以知道，輸出電壓的諧波分量集中在很高的開關(guān)頻率附近，因此理論上截止頻率可以選得很高，但由于輸出電壓中也含有低次諧波，所以選取fC=600 Hz。根據(jù)輸出負(fù)載電壓為Ur=220 V，

故ZL=Ur

2/P=2202/1 000=48.4Ω。

一般濾波器的標(biāo)稱阻抗R=(0.5～0.8)ZL 這里取R=38Ω。因此

L=R/2仔fC=38/2仔×600=10.1 mH

C=1/2仔fCR=1/2仔×600×38=6.98μF

由于系統(tǒng)為中頻400 Hz，所以濾波電感選用中頻磁芯，由以上計算可知電感上電壓的最大值為400 V，電流峰值取25 A。

為了使逆變器有一個比較大的調(diào)整范圍，保證輸出400 Hz、220 V 的電源，負(fù)載阻抗R 實際上是變壓器，變壓器互感M與電容C 組成400 Hz 并聯(lián)諧振，這樣既起到隔離，又起到進(jìn)一步減少諧波的作用。

2.3 驅(qū)動電路的選擇

系統(tǒng)選用IR 公司的IR2132 來驅(qū)動MOSFET，該芯片為六輸出高壓柵極驅(qū)動器，28腳雙列直插，驅(qū)動信號延時為ns級，開關(guān)頻率可從幾十Hz到幾百kHz。IR2132具有6路輸入信號和6路輸出信號，其中6 路輸出信號中的3 路具有電平轉(zhuǎn)換功能，可直接驅(qū)動高壓側(cè)的功率器件。該驅(qū)動器可與主電路共地運(yùn)行，且只需一路控制電源，克服了常規(guī)驅(qū)動器需要多路隔離電源的缺點(diǎn)，大大簡化了硬件設(shè)計。驅(qū)動電路如圖4所示。

2.4 保護(hù)電路設(shè)計

保護(hù)電路主要包括直流輸入端防止過壓過流保護(hù)電路以及MOSFET 過流保護(hù)電路。直流輸入端保護(hù)電路主要包括熔斷器、啟動電阻和直流電源濾波儲能電容器等元件。元件參數(shù)的選取計算如下。

1)啟動電阻為避免電路中開機(jī)的瞬間產(chǎn)生的浪涌電流，在電源電路中串接一個功率型熱敏啟動電阻。啟動電阻的作用是當(dāng)電路啟動運(yùn)行時，電阻值很大，短時間內(nèi)的壓降很大，使得主電路的電壓很低，對電子器件的沖擊很小;當(dāng)電路穩(wěn)定時，又要求啟動電阻的阻值很小，這樣電阻上的壓降小，也即穩(wěn)定損耗小。因此，啟動電阻一般選取負(fù)溫度系數(shù)電阻，開機(jī)時熱敏電阻溫度低，電阻是5 Ω，這時開關(guān)管上的電壓是電阻降壓后的電壓值。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，自身溫度升高，阻值會下降，這樣正常工作時熱敏電阻上的損耗會減到最小，保證電源的效率。電阻選取為NTC 5D-25，啟動時電阻值為5 Ω，而正常工作時阻值為0.070Ω，符合設(shè)計要求。

2)直流端電容在工程上電容的選取有一定的規(guī)則，對于用來儲能的電容要求不是很高，因此選定了耐壓為450 V的鋁電解電容。

3)交流輸出電壓檢測電路一方面將電壓反饋至DSP 的A/D 輸入口以調(diào)整逆變器的輸出電壓，一方面送至保護(hù)電路，當(dāng)輸出電壓過高時封鎖輸出電壓脈沖，以上保護(hù)信號還可轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號送至IR2132的腳9(Itrip端)，由IR2132的腳8 送出信號，封鎖DSP 的PWM 序列輸出，達(dá)到逆變電路的過壓保護(hù)。

2.5 反饋檢測電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路

由于中頻電源采取閉環(huán)控制策略，因此需要對輸出電壓和電感電流進(jìn)行檢測，并轉(zhuǎn)換為可供A/D轉(zhuǎn)換的信號，由于輸出電壓和電流信號為模擬正弦波信號，而TMS320LF 2407 內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，輸入信號的范圍為0~3.3 V的信號。因此必須采用電壓檢測及信號調(diào)理電路。我們采用LEM公司的LV28-P的閉環(huán)(補(bǔ)償)電壓霍爾傳感器來檢測輸出電壓，調(diào)理后達(dá)到A/D的輸入范圍的要求后送入A/D轉(zhuǎn)換通道ADCIN1中。

電流檢測調(diào)理電路和電壓檢測調(diào)理電路相似，經(jīng)過比較調(diào)理后送入A/D 轉(zhuǎn)換通道ADCIN2 中。

2.6 TMS320LF2407A DSP芯片及最小控制系統(tǒng)

采用DSP來作為中頻電源的控制核心有其獨(dú)特的優(yōu)勢，和普通單片機(jī)相比，例如51系列單片機(jī)單指令周期是2μs;80C196KC的運(yùn)算指令周期是125 ns。

由于速度的限制，運(yùn)用這些單片機(jī)控制的電源很難實現(xiàn)400 Hz正弦波的完美輸出。而DSP的運(yùn)行速度達(dá)20 MIPS，幾乎所有的指令都可在50 ns的單周期內(nèi)完成，這就使DSP能提供比傳統(tǒng)16位微處理器和微控制器強(qiáng)大得多的功能。16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核有很強(qiáng)的編程能力，能實時處理非常復(fù)雜的控制算法，有豐富的指令集、改進(jìn)的并行結(jié)構(gòu)，支持很高的采樣率，減少了循環(huán)延時，有強(qiáng)大的外設(shè)功能，能降低生產(chǎn)成本，同時使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可編程性，更易于更新和升級。綜上所述，將DSP芯片作為整個中頻電源系統(tǒng)的核心控制芯片是可行的，具有實際意義的，本系統(tǒng)采用TMS320 LF2407芯片作為核心控制芯片。

TMS320LF2407A是TI 公司推出的高性能16位數(shù)字信號處理器，是定點(diǎn)DSP C2000 平臺系列中的一員。專門為電機(jī)控制與運(yùn)動控制數(shù)字化優(yōu)化實現(xiàn)而設(shè)計，特別適合于三相異步電動機(jī)和逆變器的高性能控制。它集C2xx 內(nèi)核增強(qiáng)型TMS320設(shè)計結(jié)構(gòu)及適用于電機(jī)控制的低功耗、高性能、優(yōu)化外圍電路于一體，CPU內(nèi)部采用增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)，四級流水線作業(yè)，幾乎每條指令可在25 ns(40 MIPS)完成。

以TMS320LF2407A DSP 為控制核心的最小控制系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)，晶體振蕩電路，RAM 以及JATG調(diào)試接口。

3 結(jié)語

本文對電源系統(tǒng)的硬件做了詳細(xì)的介紹，根據(jù)要達(dá)到的性能要求對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了具體的設(shè)計，尤其對于低通濾波器參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)探討，然后對電源系統(tǒng)功率器件的驅(qū)動和保護(hù)，以及對于輸出波形的檢測進(jìn)行了硬件設(shè)計，最后對DSP最小控制系統(tǒng)各個部件的硬件設(shè)計進(jìn)行了研究。