一种简单实用的车载修正弦波(方波)逆变电源

      引言

      在一些交通运载、野外测控、可移动武器装备、工程修理车等设备中都配有不同规格的电源。通常这些设备工作空间狭小，环境恶劣，干扰大。因此对电源的设计要求也很高．除了具有良好的电气性能外，还必须具备体积小、重量轻、成本低、可靠性高、抗干扰强等特点。针对某种移动设备的特定要求，研制了一种简单实用的车载正弦波逆变电源，采用SPWM工作模式，以最简单的硬件配置和最通用的器件构成整个电路。实验证明．该电源具有电路简单、成本低、可靠性高等特点．满足了实际要求。本文介绍了各部分的工作原理，重点阐述参考正弦发生器及高压悬浮驱动电路的设计。

      1 系统组成

      系统组成框图如图1所示 由权电阻网络与集成运算放大器构成的可编程增益放大器产生阶梯波参考正弦，UC3637用作正弦脉宽调制器。产生的SPWM波经专用高压悬浮驱动器IR211O后，送至逆变电路(半桥)上下桥臂功率开关的门极逆变电路的输出经滤波隔离得到输出电压u0，u0经PI调节器后提供参考正弦发生器的控制电压，调节参考正弦的幅值(即调节ma)达到调节输出电压的目的。逆变主电路拓朴结构如图2所示，这是一常规的半桥电路。

      2 控制电路

      由SPWM工作模式知，控制电路须产生两个基本信号，即参考正弦波调制信号和三角波载波信号，并将调制波和载波送到正弦脉宽调制电路产生SPWM脉冲波，由驱动电路控制主电路中相应的功率开关模块。

      2.1 正弦调制波产生电路

      正弦调制波产生电路如图3所示。CD4067为16选1模拟开关。R1～R8为加权电阻(简称“权电阻”)，其值与采样时刻ωti有关，i为采样序号。

      为便于时间量化和数控采样，以及兼顾功率器件的工作频率，选择mf为整数且为偶数。例如mf=30．期望的输出频率f8(即调制频率)为400Hz，则器件的开关频率f8=12kHz，在IGBT优选的工作频率之内，鉴于正弦波的对称性．仅算出T/4(T为调制波的周期)的权电阻即町。不难理解R8是ωti=90°时的权电阻值，半周内是以R8为中心两边对称，连接关系如图3中所示。半周内有15次采样，CD4016l为可预置4位二进制加计数器。可将其先预置为1，15次记满自动复位，且同时预置为1。

      由以上分析知，U1A为可编程增益放大器，增益Kp=-Rf/Rk，Rk接入的序号不同，Kp的大小不同。在U1A的输出端可以得一串15阶梯的半波正弦，再由极性变换电路U1B(其中R10=Rk12)，可以得到正负半周对称的完整的正弦调制波ur。

      2.2 三角载波及时钟产生电路

      UC3637内含三角波振荡器。图4中R20，R21，R22的分压点+VTH、-VTH是三角波正峰值和负峰值的转折电压。三角波的振荡频率fs由±VTH，CT，RT共同决定，关系如下：

      UC3637内部有一恒流源为CT提供充放电电流。在脚2产生正负斜率对称，线性良好的三角波。该三角波送到内部运放的同相端脚15．跟随以后由脚16，17输出．再经R23及R24分别送到二正弦脉宽调制器的脚8、10。调节Rp可以调节载波频率、由于同步调制的原因(mf=30)，同时也在一定范围内改变了输出频率。

      由于UC3637无同步信号输出端．设计了一信号调理电路将三角波载波信号变换为时钟信号，作为CD4016l的计数时钟，即参考正弦的采样脉冲。调理电路的第一级为有源微分电路．由U1D及周边阻容元件组成。C1及R27为微分电容电阻；R26及C2消除高频振荡；R26《R27，C2《C1。U1D输出一双极性方波信号，再经U2(比较器)过零比较输出与后级逻辑电路电平(CD40161)相匹配的时钟信号。

      2.3 正弦脉宽调制器

      UC3637中有两个独立的比较器，其输入、输出端分别都引到片外，应用相当灵活。前已述及三角波载波由R23及R24送到两个比较器的脚8与脚10。那么，由参考正弦产生电路产生的调制波由R18及R19分别送到二比较器的脚9和脚11。脚9与脚11还由电阻R16及R17分别接到±Vs电源上。 由此得到的偏置电平±VT，±VT的高低决定了上下功率开关器件的死区时间td[见式(3)]，二调制器分别由脚4及脚7输出SPWM控制信号。

td=[(+VT/2)-(-VT/2)]Ts/2VTH  (3)

      式中：Ts为开关周期。

      3 高压悬浮驱动电路

      IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离(体积小)和电磁隔离(速度快)的优点，是小功率变换装置中首选的驱动器件。IR2110驱动半桥逆变器的电路如图 5所示。

      图中VD1，C1为自举二极管，自举电容。VD1必须使用与功率开关相同耐压等级的快恢复二极管，自举电容的设计也至关重要，C1的耐压要比功率器件充分导通时所需的驱动电压(10V，高压侧欠压锁定电压为8.7V/8.3V)高；若在C1的充电路径上有1.5V的压降，且假定有一半的栅压因泄漏而降低，则自举电容C1可按式(4)选取。

      式中：Qg为IGBT门极电荷。
      工程应用时应取C1>2Q/(Vcc-10-1.5)，且应选取容量稳定，耐脉冲电流的无感电容。自举电容的详细设计可参考文献[3]。

      4 实验结果

      设计实例：主电路半桥拓朴，SPWM工作模式。输入Ud=270(1±10%)V直流电压；输出正弦波交流电压Uo=115V，400Hz．500W，开关频率12kHz；滤波电感2mH，滤波电容10μF；功率开关选用IGBT单管1MBH5OD-060；控制电路中使用的主要集成电路有UC3637、CD4067、CD40161、TL084各1片：驱动电路1片IR2110。图6～图8为实验波形。THD<3%。

      5 结语
      本文所介绍的车载逆变电源，具有简单、实用、成本低、可靠性高等特点。而且电源的整体重量轻、体积小，满足移动设备和车载的需要。已成功地应用到一种频繁移动的军事装备中。