三相逆變電源設計與實現(xiàn)

隨著我國對環(huán)境保護的不斷重視，綠色、低碳、循環(huán)節(jié)能的新興產(chǎn)業(yè)受到追捧。應用在新興產(chǎn)業(yè)中的電源技術則要求有更高的效率、可靠性以及更低的成本，而逆變技術在高效率、低功耗、高精度等方面有突出優(yōu)點，可廣泛的應用于新興產(chǎn)業(yè)中[1]。因此對逆變技術的研究也成為一項重要的研究課題[2～8]。

現(xiàn)設計一款三相逆變交流電源，以低功耗、高速的STM32處理器為核心。逆變驅動主電路采用智能功率模塊（IPM）PM30CSJ060。當輸入直流電壓為36V時，輸出正弦信號頻率為50Hz，負載Y型連接時線電壓有效值可達24V；同時，負載線電流有效值Io在0～2A間變化時，各相負載調整率不大于0.3%，電能轉換效率可達88%。

1 三相逆變電源的系統(tǒng)結構

圖1 三相逆變電源系統(tǒng)框圖

三相逆變電源由直流電源模塊、三相逆變驅動主電路、濾波電路、STM32最小系統(tǒng)、信號隔離電路、SPWM（正弦脈寬調制）信號發(fā)生器、電壓和電流測量電路和LCD顯示等功能電路組成，系統(tǒng)如圖1所示。STM32產(chǎn)生正弦波脈寬調制信號（SPWM），經(jīng)過光耦隔離電路后控制三相逆變驅動電路（智能功率模塊），通過低通濾波器濾波，最終將直流電壓逆變?yōu)槿嗉冋也妷盒盘?，負載為純電阻三相對稱Y型連接。電壓、電流測量電路測量三相純正弦波各相電壓和電流，并通過STM32后在液晶顯示器上顯示。

2 功能模塊設計

2.1 三相逆變驅動主電路

三相逆變驅動主電路采用三菱公司的智能功率模塊（IPM）PM30CSJ060，它不僅把功率開關器件和驅動電路集成在一起，而且還包括過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路，即使發(fā)生負載事故或使用不當，也可以保護自身不受損壞，同時可將檢測信號送到處理器，顯示具體的故障類型[9]。

PM30CSJ060適合于頻率高達20K功率變換場合，內(nèi)部由六個IGBT單元構成H橋逆變電路，額定電壓為600V、額定電流為15～75A[10]。6個單元的柵極驅動電路共需4組隔離的電源，其中上橋臂3個單元的柵極驅動電路各用一組獨立的直流15V電源，下橋臂3個單元的柵極驅動電路共用一組直流15V電源。

2.2 信號隔離電路

利用光耦對處理器STM32F103與PM30CSJ060進行隔離，提高系統(tǒng)的安全性和抗干擾性。4個低速光耦PC817的2管腳分別與PM30CSJ060的輸出故障信號UFO、VFO、WFO連接，1管腳分別與PM30CSJ060的四組相互隔離的15V電源連接，4管腳連接處理器STM32F103的I/O口，3管腳都與信號源公共地GND5連接，但GND5與四組相互隔離的15V電源的地不共地，如圖2所示。處理器STM32F103產(chǎn)生3對互補的SPWM信號經(jīng)I/O口輸出后，再通過高速光耦6N137與PM30CSJ060的UP、VP、WP、UN、VN、WN驅動信號管腳連接，因此需要6個6N137光耦，具體連接如圖3所示。

圖2 PC817光耦電路

圖3 6N137驅動電路

圖4 濾波電路

2.3 SPWM（正弦脈寬調制）信號發(fā)生器

正弦脈沖寬度調制信號（SPWM）采用自然采樣法，但不用求得載波和調制波的交點時刻，而是在STM32F103中形成一個正弦表，通過軟件查表的方法比較載波與調制波的大小，從而控制脈寬生成6路互補的SPWM信號。此法具有生成的波形接近正弦波和計算量小的優(yōu)點。

2.4 濾波電路

PM30CSJ060輸出的波形需要經(jīng)過濾波電路濾除高頻分量得到正弦信號。在本系統(tǒng)中要濾除的主要是載頻ωc=20KHz、2ωc及其附近諧波，LC-π濾波電路如圖4所示。電感采用高頻磁環(huán)繞制空芯線圈，電容采用無極性滌綸電容。

2.5 電壓、電流測量電路

2.5.1 相電壓有效值測量電路

由于真有效值測量芯片AD637具有測量精度高、相對穩(wěn)定時間短和頻帶寬的優(yōu)點，同時它的輸出電壓等于待測量電壓的真有效值，因此采用該芯片測量三相交流電壓的相電壓有效值[11]。但AD637的輸入電壓有效值的測量范圍為0～7V，不能直接測量三相逆變電路輸出14V相電壓的有效值。5mA/5mA微型電流型電壓互感器MH8009PT可將交流高電壓轉換為交流低電壓輸出，轉換線性度好，精度高，測量電路如圖5所示。

圖5 相電流有效值測量電路

圖6 相電壓有效值測量電路

2.5.2 相電流有效值測量電路

采用電壓輸出型電流互感器ZMCT102測量相電流有效值。該電流互感器輸入的電流與輸出的電壓呈線性關系，其中一次側電流與二次側電流為2000∶1的關系，因此通過測量電壓值可以得到輸入的電流值，如圖6所示。電流互感器測量大的交流電流信號時與被測電路隔離，對被測電路影響小，具有能耗小、頻帶寬、信號還原性好、價格便宜等優(yōu)點。

2.6 電源模塊

由一路直流穩(wěn)壓電源輸出36V電壓信號經(jīng)過4個DC-DC隔離電源模塊SYSY10-24S15后產(chǎn)生4路15V互相隔離的電源為三相逆變驅動主電路供電，同時由該直流穩(wěn)壓電源連接1個DC-DC隔離電源模塊SYSY5-24S05產(chǎn)生±5V電壓分別為AD637和STM32處理器提供±5V和5V電源電壓。

2.7 STM32最小系統(tǒng)

STM32F103是32位的ARM微控制器，它的外設資源非常豐富，包括ADC、通用定時器、I2C總線接口、SPI接口等，其中有專門為電機控制而設的高級定時器，帶有6個死區(qū)時間可編程的PWM發(fā)生器，因此可編程產(chǎn)生6路互補的SPWM信號驅動IPM；12位模數(shù)轉換器，實現(xiàn)高速、高精度的模數(shù)轉換，而不用考慮在控制器的外部單獨安排AD轉換器。STM32F103的最小系統(tǒng)包括復位、晶振、JTAG、1602液晶顯示等單元電路。

3 軟件設計

圖7 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。系統(tǒng)初始化后，延時50ms后如果沒有按鍵按下則將三相逆變驅動主電路轉變出的交流信號波形顯示在示波器上，如有按鍵按下則進行數(shù)據(jù)處理后將測量的相電壓和相電流在液晶顯示器1602上顯示。

4 結 語

針對逆變電源的缺點，設計一款三相逆變電源，當輸入直流電壓為36V時，輸出正弦信號頻率為50Hz，負載Y型連接時線電壓有效值可達24V；同時，負載線電流有效值Io在0～2A間變化時，各相負載調整率不大于0.3%，電能轉換效率可達88%。

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