基于SA4828的三相組合式逆變器設(shè)計(jì)

1引言

電源設(shè)備是一種量大面廣、通用性很強(qiáng)的電子產(chǎn)品。幾乎在現(xiàn)代通訊、電子儀器、計(jì)算機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化、電力工程、國防等部門都要使用電源，在其它各個(gè)行業(yè)及日常生活中，電源也得到了廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對電源設(shè)備也提出了更高的要求。為了滿足眾多的用戶，電源的規(guī)格品種是越來越多，由于電源的應(yīng)用對象具有多樣性、新穎性和復(fù)雜性，所以電源設(shè)備不僅要做到高質(zhì)量、高效率、高可靠性，而且要有適應(yīng)其各式各樣負(fù)載的輸出特征。三相輸出的逆變電源，在集中供電等多數(shù)情況下，都會面臨三相負(fù)載不平衡問題，嚴(yán)重的是負(fù)載100％不平衡。即使電源在安裝使用之初，盡量分配三相負(fù)載達(dá)到平衡，可在用電過程中卻無法保證三相負(fù)載同時(shí)開、關(guān)機(jī)，加上逆變器內(nèi)阻比起發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻要大得多，因而引起的各種影響不得忽視。

為了取得標(biāo)準(zhǔn)一致便于分析，將三相負(fù)載100％不平衡，定義為兩種情況，第一種情況為其中一相滿載，另外兩相空載；第二種情況為兩相滿載，另一相空載。

我們大致統(tǒng)計(jì)一下負(fù)載不平衡對輸出電壓的影響，如表1所示。

表1負(fù)載不平衡對輸出電壓的影響

一般三相逆變電源，輸出電壓的不平衡度指標(biāo)為<2％。從表1可看出，當(dāng)負(fù)載不平衡度>20％時(shí)，電壓不平衡度已經(jīng)超標(biāo)。

三相負(fù)載100％不平衡時(shí)，引起逆變器的輸出有的相電壓升高，有的相電壓降低，使逆變器無法正常工作，甚至造成負(fù)載損壞。于是解決三相逆變電源，在負(fù)載100％不平衡時(shí)，能正常工作刻不容緩。然而，單純要求用戶在使用過程中，保持三相負(fù)載平衡，顯然不現(xiàn)實(shí)，只有在逆變電源本身尋找切實(shí)可行的解決辦法。

目前解決負(fù)載100％不平衡，采用的辦法有兩種，一是將輸出變壓器，三相繞組重新分配后再串聯(lián)起來。這種方法雖然簡單，部分解決了負(fù)載不平衡，但沒有徹底解決負(fù)載100％不平衡的情況，同時(shí)電壓的穩(wěn)定度不高。二是將逆變部分，分為三個(gè)獨(dú)立的橋式逆變器，然后按相位差120°、240°的相序，組合為一個(gè)三相輸出的逆變電源。這種系統(tǒng)徹底解決了負(fù)載100％不平衡的問題，結(jié)構(gòu)關(guān)系非常明確，保證了三相輸出電壓平衡，電壓穩(wěn)定度高。但電路較復(fù)雜，器件增多，成本提高。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，必須考慮產(chǎn)品最終的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及性能，然后決定系統(tǒng)的工作模式與控制方式。綜合以上兩種方案，我們在研制新產(chǎn)品過程中，為了達(dá)到較好的輸出電壓穩(wěn)定度和平衡度，采取了第二種方案。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中優(yōu)化電路，減少器件，降低成本。特別是采用MITEL公司的SA4828與單片機(jī)，簡化控制電路取得較明顯效果。

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圖1系統(tǒng)原理框圖

圖2SA4828管腳圖

2系統(tǒng)構(gòu)成

主電路主要由AC/DC整流濾波、DC/AC三個(gè)獨(dú)立的單相橋式逆變器、輸出濾波三大部分所構(gòu)成。原理框圖如圖1所示。

輸入三相380V、50Hz交流電壓，經(jīng)EMI抑制、整流、濾波后的直流高壓，供給三個(gè)單相半橋逆變器。三個(gè)逆變器分別在控制電路相位差120℃、240℃的驅(qū)動(dòng)信號作用下，輸出SPWM波形。最后經(jīng)三個(gè)獨(dú)立的變壓器及濾波電路，組合成所需要的三相輸出電壓。其中逆變器開關(guān)管，采用了IPM智能模塊，由于開關(guān)管兩端通、斷峰值電壓很小，所以不需再加特殊的吸收電路。輸出變壓器采用了集成電感技術(shù)，使變壓、濾波一體化，降低了噪聲,提高了效率，增加了可靠性。電路簡單明了，無論負(fù)載如何不平衡，都不會使三相輸出電壓的不平衡度超標(biāo)。

3控制方案

本系統(tǒng)采用三相高精度PWM波產(chǎn)生器SA4828與單片機(jī)為主，構(gòu)成控制電路。SA4828是MITEL公司繼SA828、SA838PWM波產(chǎn)生器系列之后，推出的新一代性能更優(yōu)、功能更強(qiáng)的大規(guī)模集成電路。它與微處理器連接，完成了所有外圍的檢測、控制和保護(hù)等功能，使系統(tǒng)智能化。

3．1SA4828簡介

（1）SA4828主要特點(diǎn)

①靈活的控制功能SA4828能選擇三種不同的輸出波形，并且能通過軟件決定三相輸出波形的幅值，是統(tǒng)一控制，還是三相分別獨(dú)立控制。這一功能擴(kuò)大了用戶的使用范圍，尤其在需要解決逆變器負(fù)載100％不平衡的問題時(shí)，顯得非常重要。

②更高的頻率精度調(diào)制波頻率采用的是十六位，增加了頻率的分辯率，提高了逆變器輸出頻率的精度。

③可靠性高SA4828新增加了“看門狗”電路，進(jìn)行監(jiān)控，程序運(yùn)行安全可靠。SA4828還采用了諧波抑制技術(shù)，降低了開關(guān)管的損耗。

（2）管腳說明

SA4828為標(biāo)準(zhǔn)28腳雙列直插式封裝，如圖2所示。主要管腳分類說明如下：

①驅(qū)動(dòng)信號及檢測

RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB為三相可獨(dú)立控制的TTL驅(qū)動(dòng)信號，第一個(gè)字母表示紅、黃、藍(lán)三相，分別相差120°、240°，后面的字母“T”為上開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號，“B”為下開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號。

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圖3SA4828原理框圖

表2寄存單元地址及說明

TRIP為狀態(tài)輸出指示。

SETTRIP、RST為關(guān)斷信號輸入端和復(fù)位端。

②標(biāo)準(zhǔn)總線與控制模式

AD7～AD0為地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線。

WR、RD、ALE為英特爾控制模式。

③電源和時(shí)鐘

VDD、VSS分別為＋5V電源、接地端。

CLK為時(shí)鐘輸入端。

如果對照SA8282，可以看出SA4828在英特爾等模式下，只要將RS、MUX端接為高電平，SA4828就可以完全取代SA8282。但三相輸出波形的幅值，卻可分別靈活的控制。

（3）SA4828工作原理

SA4828原理框圖如圖3所示。

主要工作原理大部分與SA8282類似，具體可見參考文獻(xiàn)2?，F(xiàn)將SA4828特殊的原理解釋如下：

①三種不同波形的選擇主要是通過傳輸給初始化寄存器和控制寄存器的命令，來設(shè)置三相波形ROM。它分別為正弦、增強(qiáng)、高效三種波形，使之能應(yīng)用于各種特殊的場合。

②“看門狗”電路SA4828在接收單片機(jī)發(fā)出的命令時(shí)，一旦出現(xiàn)問題，總線控制會發(fā)出復(fù)位“看門狗”信號，使“看門狗”延時(shí)關(guān)斷輸出驅(qū)動(dòng)信號。

③八個(gè)寄存器單元為了提高頻率精度，以及能獨(dú)立控制三相波形幅值，SA4828增設(shè)了八個(gè)寄存器單元。地址及說明見表2。

在傳輸初始化命令時(shí)，其中寫入R4、R5寄存器，為“看門狗”的延時(shí)控制字。當(dāng)傳輸控制命令時(shí)，寫入R0、R1為十六位頻率控制字，寫入R3、R4、R5分別為三相輸出波形幅值控制字。上述設(shè)置和調(diào)整，均通過地址/數(shù)據(jù)總線、寄存器單元，存入初始化寄存器和控制寄存器來完成。

3．2SA4828用于本系統(tǒng)控制

單片機(jī)最小系統(tǒng)及少量的外圍擴(kuò)展芯片，與SA4828構(gòu)成的本系統(tǒng)控制電路如圖4所示。

單片機(jī)首先對SA4828初始化，預(yù)置輸出波形、幅值、頻率等。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路分別將輸出三相電壓、電流，和電壓、頻率的給定信號，輸入單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行開環(huán)、閉環(huán)控制算法運(yùn)算。單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)SA4828調(diào)整輸出電壓、頻率，及進(jìn)行過流延時(shí)保護(hù)等?？焖訇P(guān)斷是發(fā)現(xiàn)直流電流檢測信號（DCCT）和IPM模塊有直通或短路現(xiàn)象時(shí)，立即關(guān)斷SA4828輸出驅(qū)動(dòng)信號。

3．3程序流程

程序設(shè)計(jì)中，在完成其控制功能外，還應(yīng)力求程序的合理與簡化，它決定控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。圖5為控制程序的流程框圖。

主程序中，SA4828初始化命令和控制命令的參數(shù)計(jì)算及設(shè)置，可見參考文獻(xiàn)1，本文不再敘述。

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圖4控制電路框圖

圖5控制程序流程框圖

4試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)語

三相組合式逆變電源經(jīng)使用、測試，達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：

輸入電壓：380V±15％（50Hz）

輸出電壓：115V（400Hz）

輸出功率：6kVA

電壓穩(wěn)定度：<1％

頻率穩(wěn)定度：<0.1％

三相電壓不平衡度：<1％

總諧波含量：<2％

噪聲：<50dB

保護(hù)功能：過載120％延時(shí)6分鐘關(guān)閉系統(tǒng)，輸出端短路立即關(guān)閉系統(tǒng)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，三相組合式逆變器，從根本上解決了三相負(fù)載100％不平衡時(shí)帶來的問題。由于功率開關(guān)管采用了IPM模塊，輸出變壓器應(yīng)用集成電感技術(shù)，使電路簡化，降低了成本，提高了效率。由單片機(jī)與三相高精度PWM波產(chǎn)生器SA4828構(gòu)成控制電路，使系統(tǒng)智能化，可靠性提高。較好地解決了以往三相組合式逆變電源的電路復(fù)雜、成本高等問題。在中、大功率逆變電源等應(yīng)用領(lǐng)域，可作為較好的方案之一