SA828在航空电源中的应用

引言

航空电源一般都是将直流或交流（380V/50Hz）电逆变成交流115V/400Hz电源，以供雷达、飞机等设备使用。完成该变换的方法有多种，但由于其生成SPWM信号较复杂，造成航空逆变电源的整体性能下降，并易出现变压器偏磁和输出谐波含量大的缺陷。而采用大规模数字集成芯片SA828，通过单片机与SA828的接口生成SPWM信号，则不需改变外围电路就能重新设置载波频率、调制频率、死区时间，从而减小了硬件开发周期，使生成信号简洁可靠，避免了分立元器件的离散性，提高了输出波形的品质因数。它克服了HEF4752调制频率低，SLE4520单边调制产生波形不对称的缺点，是SA818、SLE4520、HEF4752等波形发生器的理想替代品。

系统结构与信号生成

1. 原理结构图

系统结构如图1所示。主电路主要完成整流逆变功能。不可控整流电路对输入电网电压直接整流，通过LC滤波电路，产生平滑的高压直流。逆变电路采用SPWM，滤除高频谐波，经变压器隔离，输出理想正弦波。电压、频率信号通过A/D转换后，数据经CPU处理，送到SA828控制寄存器，产生SPWM信号，通过改变SA828控制寄存器输出，实现调频调压的功能。

图1  系统原理框图

2. SA828功能简介

SA828是MITEL公司近年来推出的三相SPWM电机控制数字集成芯片，它可以实现全数字化三相逆变器所需要的6路SPWM控制信号，属于规则采样双边调制波，很适合用于输出为正弦波的逆变电源。该芯片双列直插式28引脚如图2所示。该系列有SA828－1、SA828－2两种型号产品，有关寄存器各状态位的功能以及各寄存器的使用方法参阅文献[1]。基准正弦是存储在SA828内部的ROM正弦表。当写完初始化数据后，立即生成0°－90°的正弦波。该正弦波通过相位与控制逻辑拓展形成三相6路SPWM信号。该信号再经过取消窄脉冲电路，送到脉冲延迟电路，生成死区时间，然后送到各引脚出口。于是由内部硬件直接产生SPWM信号，这样保证SPWM信号生成的可靠性。

图2  SA828引脚示意图

3. 硬软件设计

采用AT89C51单片机与SA828配合来生成SPWM信号，这样外围的硬件结构比较简洁。由于ADC0809片内无时钟，单片机时钟为12M，从ALE引脚输出为4分频后满足ADC0809对时钟频率的要求。对电压和频率调节的处理采用中断方式，当启动ADC0809后，由IT1来捕获中断信号，经8个时钟周期后，转换结束，CPU取走存入ADC0809内部三态锁存器中的数据。

SA828的SETTRIP为外部故障电路的输出端，一旦任意一电路出现故障时，保护电路对SA828的6路SPWM信号进行封锁，这样能很快封锁驱动信号，保护功率单元器件。整个核心硬件原理图如图3所示。

图3  硬件原理图

4. 关键参数的设置

载波频率的设计关系到滤波电路体积大小、功率模块损耗及输出波形品质。为了上下兼顾，取载波频率fCARR=11．7kHz，由式（1）得则n=2，为了满足频率可调（400±30Hz），调制频率下限为零，只需设置最高即可，若m=16，由式（2）调制频率范围为0～488．2Hz。

fCARR=（1）

fRANGE=×m（2）

式中：K为系统时钟；

fCARR为载波频率；

fRANGE为调制频率范围；

m的范围为2（0－6）；

n为分频比，与SA828寄存器R1的载波频率选择字CSS状态位相对应，其范围为2（0－5）。

死区时间tpdy是为了避免上下臂直通而设置的延迟时间，其关系如图4所示。有些窄脉冲可能引起功率管来不及开通，却要立即关断，因而设置脉冲取消时间tpd。输出SPWM信号与脉冲取消时间tpd如图5所示。脉冲取消时间tpd=输出最小脉宽＋tpdy；例如，输出最小脉宽为4μs，tpdy=4μs时，则tpd=8μs。完成初始化编程后，其中R0、R1、R2三寄存器状态为D0H、81H、28H。

图4  脉冲死区时间

图5  脉冲取消时间

SA828的初始化程序为

MOV    DPTR    ，＃0FD00H

MOV    A    ，＃0D0H    ；8μs

MOVX    @DPTR    ，A

INC    DPTR

MOV    A    ，＃81H    ；11．7kHz，488Hz

MOVX    @DPTR    ，A

INC    DPTR

MOV    A    ，＃28H    ；4μs

MOVX    @DPTR    ，A

INC    DPTR

INC    DPTR

MOVX    @DPTR，A    ；R4

对调压调频的控制，为了简化程序算法，缩短软件时间开销，采用查表的方式。其A/D转化的数值作为查表的地址。对于频率地址，首先对采样数据进行压缩后，满足所有数据在（350～488）Hz范围内，并使之在（370～430）Hz内具有良好的线性度和可调精度。调压调频根据式（3）、（4）进行计算。

fpower=×pfs（3）

式中：fRANGE为频率采样值；

pfs为SA828寄存器R1的调制频率选择字。

APOWER=×100％（4）

式中：APOWER为电压采样值；

A为SA828寄存器R2的调制波幅值选择字。

控制寄存器的程序为

MOV    A，32H；频率相对地址

MOV    DPTR，＃0700H；频率低位首地址

MOVC    A，@A＋DPTR；频率低8位数据

MOV    DPTR，＃0FD00H

MOVX    @DPTR，A；置SA828R0数据

MOV    A，32H；频率相对地址

MOV    DPTR，＃0800H；频率高位首地址

MOVC    A，@A＋DPTR；频率高8位数据

MOV    DPTR，＃0FD01H

MOVX    @DPTR，A；置SA828R1数据

MOV    A，30H；电压相对地址

MOV    DPTR，＃0600H；电压首地址

MOVC    A，@A＋DPTR；电压数据

MOV    DPTR，＃0FD02H

MOVX    @DPTR，A；置SA828R2数据

MOV    DPTR，＃0FD03H

MOVX    @DPTR，A；送控制字R3

实验结果

根据上述设计方法制作4kW实验样机1台。其中直流滤波电感为6mH，为了提高产品的可靠性，逆变模块采用富士6单元IPM6MBP50RA120，输出逆变滤波电感为800μH，电容为20μF，输出变压器变比为250/200。输出波形如图6所示，纵坐标50．0V/格；横坐标500．0μs/格。具体指标如下：

输入三相    380（1±10％）V50Hz

输出三相    115（1±10％）V（400±30）Hz

输出容量4kW，过载120％，立即保护

电压稳定度≤1％

三相电压平衡度≤1％

频率精度≤1‰

三相相位差（120±2）°

THD≤2．5％

图6  115V/400Hz输出波形

结语

用SA828生成SPWM信号，程序简单，波形一致性好，采用全桥电路，无需附加偏磁电路，与智能模块IPM相配合，是制作电机控制和小功率正弦波逆变器的理想选择芯片。