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基于87C196MH的车载逆变电源设计方案

出处:zfeng7852 发布于:2012-08-25 09:29:20 | 4323 次阅读

  地铁和高速列车的使用,给人们带来方便的同时也存在着较大的隐患。由于其窗门都需要处于密闭状态。若列车因发生电力故障而停留在隧道中,空调和排风设备会停止运行,进而严重地影响乘客们的生命安全。现急需一种将蓄电池直流110 V的电压逆变为三相230 V/50 Hz的交流电源,为机车电力设备供电,以确保乘客生命安全。

  1 系统结构

  本设计巧妙地利用了高功率因数PWM控制芯片L4981A的Boost结构的功率校正电路来实现直流升压变换器的设计。提出了一种以87C19MH为控制核心,以IPM为开关器件的逆变电源的设计方案。逆变电源系统框图如图1所示,采用两级结构,第一级是DC/DC变换器,第二级是DC/AC逆变器;DC/DC变换器将110 V直流电压变换成400 V直流电压,DC/AC逆变器则将此直流电压逆变成有效值为230 V频率为50 Hz的交流电压,以带动负载[1-2]。且系统具有输入过欠压、输出过流、缺相、负载短路、超温等保护功能。

逆变电源系统框图如图1

  2 DC/DC电路设计

  该逆变电源的第一级为DC/DC升压电路设计,采用Boost型APFC控制,升压电路拓扑结构如图2所示。

升压电路拓扑结构如图2

  Boost型APFC升压控制电路设计应用集成控制芯片L4981A,通过采样电阻Rs(RS102,RS101)通过8、9两引脚采集系统输入电流;直流输入电压(VCCP+)经限流电阻R17后,加到4脚,作为控制输入电流的跟踪信号;输入电压的有效值通过7脚送入乘法器,以调节输入总功率的恒定;输出电压(VOUT)经R27、R28、W3(可调电位器)和R32分压后,由14脚加到芯片内部的误差放大器的输入端。以上4个信号作为L4981A芯片内部电路控制方式的参考值,通过芯片结构内部的电压控制环路和电流控制环路,来实现双闭环的调节。采集的输出电压信号与L4981A芯片内部基准电压比较后,误差信号经过PI调节送入乘法器,用来调节输出电压为一稳定值。电流误差信号经过调节后生成PWM脉冲信号输出,L4981A的输出端(20脚)将输出的PWM控制IGBT管的导通和关断,通过外接振荡器的定时电阻和电容来设定PWM开关频率,经过输出电容Ca滤波来实现直流输出。升压后的输出电压VOUT经R29、R30、R31和W4(可调电位器)分压后加到3脚,当此管脚的电压大于5.1 V时,即VOUT超过410 V时,L4981A将实现过压保护,输出将被强制接地,来强制截至功率开关管[3-4]。

  输入电流经R22后加到2脚,实现峰值电流限制。同时输出通过电压分压器来设定芯片的欠压锁定开通和关断阈值,通过欠压封锁控制端来控制是否欠压。当15脚的电压低于10 V时(Q3导通),实现欠压封锁;当l5脚的电压高于15.5 V时(Q3断开),将正常起动,使电源电压具有滞回功能。L4981A电路软启动的时间由E3的电容值决定。

  3 DC/AC电路设计

  车载逆变器主控芯片为Intel单片机87C196MH,由单片机87C196MH输出6路互补SPWM信号为IPM提供驱动脉冲,将400 V直流电源逆变为三相230 V/50 Hz的交流电源,为机车电力设备供电,主控电路结构如图3所示。

主控电路结构如图3

  当单片机上电启动后首先经历一个软启动过程,该过程中单片机主要完成检测输入电压过欠压、输入电流过流和IPM电流过流故障。若无故障,则单片机根据输出电压反馈值调整SPWM的载波频率和调制比,使输出电压稳定。

  当输出电压稳定后,单片机启动缺相保护,检测输出电压是否跌落。如果发生缺相故障,单片机将停止输出驱动脉冲,并且点亮软件故障指示灯。同时,当逆变电路正常工作的同时,单片机继续实时检测其他故障情况,一旦发生故障将停止输出SPWM信号并点亮故障指示灯,进入软件保护状态。这样保证了逆变电源工作在安全状态。

  3.1 单片机控制系统设计

  单片机通过地址总线和数据总线分别控制片外EPROM和锁存器,其中8位数据总线和14位地址总线的低8位分时复用。EPROM存放单片机程序,当单片机上电后将运行EPROM中的程序。锁存器起到数据暂存作用,当读取EPROM某个地址中的程序时,先由单片机对EPROM进行地址操作,然后通过锁存器暂存地址总线的低8位,此时它们作为8位数据总线将选定地址中的程序送入单片机去执行。

  在控制系统中,单片机第46~48引脚对输出三相电压进行采样,第40引脚为外部参考电压输入,第62引脚为故障信号输入,第30~35引脚为PWM输出,第12~16引脚为高6位地址总线,第17~24引脚为低8位地址总线和8位数据总线的复用总线。

  单片机对输出电压进行采样,并且实时监控各个故障信号。同时根据输出电压的反馈量调整SPWM的调制比,调节输出电压有效值。

  3.2 驱动电路设计

  图4所示为驱动电路,该电路的作用就是把单片机输出的SPWM驱动信号经过光耦隔离并适当放大,然后送到IPM模块的相应管脚,进而控制IPM内部IGBT的开通和关断。光耦主要用来实现主电路和控制电路之间的信号连接,满足主电路和控制电路之间的电气隔离。本设计中选用HP公司的光耦HCPL-4503,该芯片有效地起到信号隔离和电压放大作用,完成驱动IPM的目的。

图4 驱动电路设计

  4 实验研究

  为了验证本系统控制策略的正确性,对本文所研制的车载逆变器进行了实验测试。车载逆变器带阻性负载,实验样机输入DC电压90 V~120 V;输出AC电压230 V,50 Hz;开关频率3 kHz;最小输出功率为880 W。

  在测试实际波形的时候,用数字示波器测量L4981A的PWM输出端,同时使用1:100的高压差分探头,测量直流输出波形,在空载时对DC/DC的驱动信号波形进行采集如图5所示。输入110 V,PWM频率27.66 kHz,占空比为8.45%,直流升压输出电压为405 V。

空载时对DC/DC的驱动信号波形进行采集如图5

  图6所示为IPM上下桥臂驱动信号的死区时间。由于单片机发出的SPWM信号经光耦后将反向,因此单片机输出的两路互补SPWM信号同是高电平时为死区时间。由图可见,死区时间为15 s,能够有效地防止上下桥臂直通。

图7所示为输出电压波形

  图7所示为输出电压波形,实验中使用了1:1 000的高压差分探头。由图可见实际输出电压为49.60 Hz,有效值为230 V。当输入电压在90 V~120 V间波动及负载阻抗变化时,逆变器的输出电压都能够有效地稳定在230 V/50 Hz交流电压,且谐波含量较小。

  本文设计了符合地铁列车应急需求的车载逆变电源,采用IPM模块有效减小了系统体积。使用单片机波形发生单元输出6路SPWM作为IPM的驱动信号,提高了系统的性能,并通过硬件和软件实时检测电压和电流,保证逆变器安全工作。经试验验证,该系统控制方案简单、高效、可靠,具有良好的应用价值。

参考文献:

[1]. L4981A datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/L4981A_1059046.html.
[2]. 87C196MH datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/87C196MH_962204.html.
[3]. EPROM datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/EPROM_1128137.html.
[4]. HCPL-4503 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/HCPL-4503_1054598.html.

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