摘要：采用全橋雙向電流源高頻鏈逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對此逆變系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。該逆變器以TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812芯片為控制核心，詳細(xì)介紹了DSP外圍調(diào)理電路的硬件設(shè)計(jì)方案及軟件實(shí)現(xiàn)方式，在采用電壓瞬時值反饋的單閉環(huán)控制方式的基礎(chǔ)上使逆變器實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流通。整個電路的控制由一片TMS320F2812芯片完成，實(shí)現(xiàn)了電源的全數(shù)字化控制。最后制作了容量為250 VA的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該逆變器及其控制方式的可行性和有效性。
關(guān)鍵詞：逆變電源；高頻鏈逆變器；TMS320F2812；SPWM

0 引言
    隨著逆變技術(shù)的不斷發(fā)展，高頻鏈逆變器在航空、電信、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。與傳統(tǒng)的逆變技術(shù)相比，高頻鏈逆變技術(shù)應(yīng)用高頻變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工頻變壓器，有體積小，重量輕，轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用前景廣泛。高性能數(shù)字信號處理(DSP)芯片的出現(xiàn)和控制理論的普遍發(fā)展，使得逆變電源朝著全數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。本文以TMS320F2812高性能DSP控制器為核心，設(shè)計(jì)了高頻鏈逆變器的控制系統(tǒng)及部分硬件電路，該逆變電源的主電路采用全橋雙向電流源高頻鏈逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇電壓瞬時值反饋的單閉環(huán)控制方案，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流通。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該控制策略的可行性及有效性。

1 高頻鏈逆變電源的拓?fù)浜驮?br />     全橋雙向電流源高頻鏈逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，它由高頻逆變器、高頻變壓器和周波變換器3部分組成。工作時，按能量傳遞方向來看，該逆變器工作在兩個不同狀態(tài)。當(dāng)輸入電源向負(fù)載傳遞功率時，高頻鏈逆變器將直流電壓能源變換為脈動的電流能量存儲在儲能式高頻變壓器中，周波變換器將該高頻脈動電流低頻解調(diào)，經(jīng)濾波后得到低頻交流電，供電給負(fù)載。負(fù)載向輸入電源回饋能量時，高頻逆變器工作在整流狀態(tài)，周波變換器工作在調(diào)制狀態(tài)。

    全橋雙向電流源高頻鏈逆變器是以反激式(Flyback)功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。按照輸出電壓uo和輸出電流io的極性劃分，該逆變器具有4種工作模式A，B，C，D，每一種工作模式的結(jié)構(gòu)拓?fù)涠枷喈?dāng)于一個Flyback功率變換器，而且對于不同的負(fù)載，逆變器的工作模式順序不同。
    當(dāng)uo>0，io>0時，逆變器工作在模式A，VM1和VM4高頻斬波，VM5常通。Ui，L1，L2，VM1，VM4，VM5，VD6，C，Z構(gòu)成一個Flyback變換器，電源Ui向負(fù)載Z傳輸能量。
    當(dāng)uo<0，io>0時，逆變器工作在模式B，VM5高頻斬波，VM6常通。Li，L1，L2，VM5，VM6，VD1，VD2，VD3，VD4，C，Z構(gòu)成一個Flyback變換器，負(fù)載Z向電源Ui回饋能量。
    當(dāng)uo<0，io<0時，逆變器工作在模式C，VM2和VM3高頻斬波，VM6常通。Ui，L1，L2，VM2，VM3，VM6，VD5，C，Z構(gòu)成一個Flyback變換器，電源Ui向負(fù)載Z傳輸能量。
    當(dāng)uo>0，io<0時，逆變器工作在模式D，VM6高頻斬波，VM5常通。Ui，L1，L2，VM5，VM6，VD1，VD2，VD3，VD4，C，Z構(gòu)成一個Flyback變換器，負(fù)載Z向電源Ui回饋能量。
    當(dāng)逆變器帶感性負(fù)載時，輸出電流的基波分量io落后于輸出電壓uo，其控制原理波形如圖2所示。從圖中可以清晰地看到，控制原理波形與上述4種工作模式是一一對應(yīng)的。逆變器工作順序?yàn)锳→B→C→D。

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2 高頻鏈逆變電源控制系統(tǒng)
2．1 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
    控制系統(tǒng)以TMS320F2812為核心，主要包括電壓模擬量采樣電路、電壓電流過零信號檢測電路和MOSFET驅(qū)動電路等?，F(xiàn)場采集到的電壓模擬量經(jīng)過模擬信號調(diào)理電路送入DSP的ADC單元，由DSP定時采樣并完成A／D轉(zhuǎn)換，DSP將A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與參考正弦電壓信號做比較得到誤差信號，再根據(jù)DSP捕獲單元捕獲到的系統(tǒng)輸出電壓電流過零信號情況，輸出脈沖信號至驅(qū)動電路，完成對主電路的控制。
2．2 控制系統(tǒng)的硬件電路
2．2．1 電壓、電流檢測及調(diào)理電路
    系統(tǒng)需要檢測輸出電壓的瞬時值及輸出電壓過零信號和輸出電流過零信號，作為反饋?zhàn)兞恐罝SP。系統(tǒng)輸出電壓采集電路使用線性光耦HCNR200實(shí)現(xiàn)隔離采樣。HCNR200具有高線性度、低成本、高穩(wěn)定度及可靈活設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，適合采樣電路的工作要求。該電壓采集系統(tǒng)中，先將輸出電壓分壓，然后經(jīng)過線性光耦HCNR200實(shí)現(xiàn)反相采集信號，幅值為1；再經(jīng)過反相比例加法器使得采集到的交流電壓信號大小在0～2．5 V之間，中心值為1．25 V；再經(jīng)過限幅保護(hù)送至DSP的A／D端。電壓檢測電路圖如圖3所示。

    輸出電流過零信號采集電路的主要原理是利用運(yùn)算放大器的飽和截止特性，將電流霍爾傳感器LA58-P采集到的電流信號反相比例放大，通過選擇較大的放大倍數(shù)，使運(yùn)算放大器工作在飽和狀態(tài)，這時輸出波形近似雙極性方波，再經(jīng)過IN4148二極管整形及分壓后得到幅值為3．3 V單極性方波，送至DSP的I／O接口，電路如圖4所示。輸出電壓過零信號采集電路與之相似，只是換用線性光耦HCNR200采集電壓信號而已。

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2．2．2 馬區(qū)動電路
    DSP控制單元輸出的SPWM信號需經(jīng)過隔離驅(qū)動模塊再送至MOSFET的柵極，實(shí)現(xiàn)對MOSFET開斷的控制。驅(qū)動電路有很多種，該系統(tǒng)中的驅(qū)動電路采用集成芯片IR2110完成。IR2110內(nèi)部應(yīng)用自舉技術(shù)實(shí)現(xiàn)同一集成電路可同時輸出2個驅(qū)動逆變橋中高壓側(cè)與低壓側(cè)的通道信號，工作電壓可達(dá)500 V，特別適合橋式電路的驅(qū)動。IR2110設(shè)計(jì)和使用都非常方便，其電路接線圖如圖5所示。其中，引腳HIN及引腳LIN分別為驅(qū)動逆變橋中同支路上下兩個MOSFET功率管驅(qū)動脈沖信號的輸入端，接DSP控制器發(fā)出的2路驅(qū)動脈沖信號。低壓側(cè)通道門極驅(qū)動輸出VCC提供電源，高壓側(cè)通道門極驅(qū)動輸出由VB供電。15 V電源接至引腳VCC，自舉電容C2負(fù)極接至VS(高壓側(cè)浮動地)一腳，正極接至浮動電源VB上，+15 V電源通過快恢復(fù)二極管對自舉電容充電，為高壓側(cè)通道HO供電，自舉電容C2使高壓側(cè)電源獲得一個高于VR的電壓。自舉電容C2的取值取決于開關(guān)頻率、占空比和功率等，對于5 kHz以上的開關(guān)應(yīng)用，通常采用0．1μF的電容。

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2．3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    在設(shè)計(jì)軟件框架時，本著模塊化、子程序化的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)程序所實(shí)現(xiàn)功能的不同，將其分為4個模塊：主程序模塊、周期中斷模塊、ADC中斷模塊和CAP中斷模塊。圖6為控制系統(tǒng)的主流程圖。
    在主程序模塊中，對各個模塊進(jìn)行初始化，調(diào)節(jié)計(jì)算程序和其他程序。初始化程序中先將6個復(fù)用的I／O引腳設(shè)置為PWM波輸出引腳，再對其他寄存器進(jìn)行初始化。在完成所有的初始化工作后，使能以下所需中斷。CAP中斷對輸出電流電壓的極性進(jìn)行判斷，用變量Flag_I和Flag_U作為標(biāo)志，以判斷逆變器的工作模式；A／D中斷中將采樣值轉(zhuǎn)換成算法運(yùn)算所需的實(shí)際值，與參考信號做比較，得到誤差信號；T2周期中斷實(shí)時根據(jù)所更新的誤差信號對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)整，更新比較寄存器中的數(shù)值。主要寄存器的設(shè)置如下：
    PWM信號的產(chǎn)生用到了EVA的兩個通用計(jì)時器和全比較單元。其中，通用定時器GP1用于產(chǎn)生對稱三角載波；GP2用于觸發(fā)定時器中斷程序，以調(diào)整占空比。PWM波形的產(chǎn)生所需要的對事件管理器用寄存器主要有以下幾個：
    (1)設(shè)置周期寄存器T1PR和T2PR
    設(shè)定功率管的開關(guān)頻率為20 kHz，則三角波載波頻率為20 kHz，系統(tǒng)時鐘頻率為150 MHz。T1定時器的計(jì)數(shù)方式采用連續(xù)增減模式，則T1PR的值可由以下式子計(jì)算得到。
   
    解得T1PR=3 750。
    GP2觸發(fā)定時器的中斷頻率為20 kHz，系統(tǒng)時鐘頻率為150 MHz，T2定時器的計(jì)數(shù)方式采用連續(xù)增模式，則T2PR=7 500。
    (2)設(shè)置當(dāng)前全比較寄存器CMPRx的值(采用對稱規(guī)則采樣法)
    設(shè)三角載波的幅值為1，周期為Tc。正弦信號為ur=sinωrt，若采用對稱規(guī)則采樣法，則得到的正弦脈沖寬度為δ=Tcsinωrti。其中，ti為三角載波過零點(diǎn)。為了減小CPU的負(fù)擔(dān)及滿足實(shí)時性的需求，SPWM邏輯驅(qū)動信號采用查表法產(chǎn)生。將控制系統(tǒng)中所需的正弦基準(zhǔn)信號制作成一個正弦數(shù)據(jù)表供查用，根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)，一個周期內(nèi)需要400點(diǎn)，故占空比的寬度值Duty為：
    Duty=T1PR×2sin[n]
    若比較方式控制寄存器ACTRA配置PWM1～PWM6均為高有效時，根據(jù)全橋雙向電流源高頻鏈逆變器的控制方式，VM1和VM4的控制脈沖由CMPR1控制，設(shè)變量；若當(dāng)VM1和VM4需要高頻斬波時，CMPR1=T1PR-CMP；若當(dāng)VM1和VM4需要一直關(guān)斷時，CMPR1=0xFFFF。CMPR2，CMPR3均可以用這樣的方式設(shè)置。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)為：輸入直流電壓為24 V，輸出電壓為220 V正弦交流電，輸出額定容量為250 VA。VM1～VM4采用MOSFET，型號為IRF2807；VM5，VM6采用MOSFET，型號為IRFPF50。高頻變壓器的磁芯為PC40 EE42／21／20，初級繞組為8匝，采用AWG#18導(dǎo)線5根并繞；次級繞組為127匝，采用AWG#20導(dǎo)線。如圖7所示。

    可以看出，在純阻性負(fù)載的情況下，uo，io的極性相同，VM5和VM6處于工頻開關(guān)狀態(tài)，兩個開關(guān)管一直處于互補(bǔ)工作狀態(tài)，能量僅從輸入電源流向負(fù)載。在阻感性負(fù)載時，io落后于uo，功率管VM5處于高頻開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流通。當(dāng)逆變器帶純阻負(fù)載時，測得的逆變器的效率為83．4％。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的可行性和有效性及高效率性。

4 結(jié)語
    本文基于TMS320F2812設(shè)計(jì)了全數(shù)字化控制的高頻鏈逆變電源系統(tǒng)，主電路采用全橋雙向電流源高頻鏈逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制方案采取電壓瞬時值反饋，控制方案簡單。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了全橋雙向電流源高頻鏈逆變電路在阻性負(fù)載和感性負(fù)載下的可行性。該逆變器能實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，具有變換效率高，體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。