基于瑞薩H8／3687的小型發(fā)電機(jī)逆變電源的研制

摘要：提出了一種穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)的小型發(fā)電機(jī)逆變電源的設(shè)計(jì)方案。采用瑞薩科技的工業(yè)級(jí)電機(jī)控制專用處理器H8／3687作為控制核心，產(chǎn)生頻率為12．5 kHz的高額SPWM脈寬調(diào)制信號(hào)，SPWM信號(hào)通過(guò)結(jié)合具有高頻抗干擾技術(shù)的驅(qū)動(dòng)電路，將低壓的控制信號(hào)和高電壓信號(hào)隔離開，避免了高壓信號(hào)對(duì)控制信號(hào)的影響。最后有效地驅(qū)動(dòng)了組成逆變橋的IGBT。實(shí)驗(yàn)表明，這種小型發(fā)電機(jī)逆變電源能夠在較強(qiáng)的外界干擾下平穩(wěn)運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)220 V／50 Hz交流電的穩(wěn)定輸出，且輸出誤差保持在±3％的范圍內(nèi)。
關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；脈寬調(diào)制；逆變；瑞薩單片機(jī)；H8／3687

汽油發(fā)電機(jī)組是將發(fā)電機(jī)輸出的原始電壓通過(guò)電力電子技術(shù)的處理，然后再輸出給負(fù)載。開發(fā)出體積小運(yùn)行穩(wěn)定可靠的發(fā)電機(jī)逆變電源，能節(jié)省能源并具有廣泛的市場(chǎng)前景。

1 瑞薩H8／3687單片機(jī)簡(jiǎn)介
瑞薩H8／3687單片機(jī)是一種高精度控制的工業(yè)級(jí)電機(jī)專用處理器，運(yùn)行速度高、處理功能強(qiáng)大，具有豐富的片內(nèi)外圍設(shè)備，便于接口和模塊化設(shè)計(jì)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)字馬達(dá)控制、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)各種電源設(shè)備。該單片機(jī)具體性能指標(biāo)如下：1)高性能靜態(tài)COMS技術(shù)，主頻可達(dá)20 MHz，超低功耗設(shè)計(jì)，抗干擾能力強(qiáng)；2)內(nèi)置32 K×16 bit的ROM程序存儲(chǔ)器；3)動(dòng)態(tài)PLL，主頻可由軟件編程修改；4)8通道10位A／D轉(zhuǎn)換器，雙采樣，保持最小轉(zhuǎn)換時(shí)間3．5μs；5)2個(gè)串行通信接口(SCI)、同步時(shí)鐘模式的I2C總線接口。

2 發(fā)電機(jī)逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
發(fā)電機(jī)逆變電源系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。汽油機(jī)的汽缸經(jīng)過(guò)進(jìn)氣、壓縮、膨脹和排氣4個(gè)過(guò)程，將熱能轉(zhuǎn)變成為機(jī)械能，然后經(jīng)過(guò)曲軸連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)，輸出電壓為330～470 V，頻率為150～330 Hz的交流電；經(jīng)過(guò)整流電路和大電容濾波電路進(jìn)入單相全橋逆變電路。


控制電路以瑞薩H8／3687單片機(jī)為核心，產(chǎn)生單相逆變電路工作所需要的SPWM信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，使得單相全橋逆變主電路輸出高頻脈寬調(diào)制型交流電。該交流電再經(jīng)輸出濾波器處理最后得到穩(wěn)定、純凈的正弦波交流電。輸出母線電壓通過(guò)霍爾電流傳感器的采樣并將檢測(cè)量送到單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換端口。
2．1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
發(fā)電機(jī)逆變電源的硬件主要由整流電路、濾波電路、單相逆變電路和控制電路組成。整流電路為三相橋式不可控整流電路；整流電路和逆變電路之間采用大電容構(gòu)成加突波吸收器，有效濾除整流環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的高次諧波，防止發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間的相互干擾；經(jīng)過(guò)單相全橋逆變電路和LC濾波電路，最后得到所需的單相220 V／50 Hz正弦波交流電輸出。該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的核心是逆變電路中IGBT驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。
2．1．1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
IGBT的驅(qū)動(dòng)電路必須具備2個(gè)功能：1)實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)IGBT柵極的電隔離；2)提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。本設(shè)計(jì)采用2ED020I12-F作為IGBT驅(qū)動(dòng)器，2ED020I12-F不僅體積小而且速度快，工作頻率最高可達(dá)60 kHz，開通和關(guān)斷延時(shí)分別為120 ns和94 ns：并采用高端懸浮自舉電源設(shè)計(jì)，單相橋式電路中，僅用一組電源即可，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和節(jié)省成本。2ED020I12-F用于半橋驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。圖中 C1、VDb分別為自舉電容和二極管，C2為濾波電容。假定在VQ1關(guān)斷期間C1已經(jīng)充電完成。當(dāng)高端輸入為高電平時(shí)，VQ1導(dǎo)通，VQ2關(guān)斷，VCC加到VQ1的柵極和源極之間。隨著VQ1的導(dǎo)通，VQ1源極電壓接近直流母線的正端電壓，由于C1的電壓不能突變，C1上的電壓被抬高，維持VQ1柵極和源極的電位差，令VQ1維持導(dǎo)通。當(dāng)高端輸入為低電平時(shí)，VQ1截止，VQ2導(dǎo)通，C1通過(guò)VQ2進(jìn)行充電，迅速為VQ1補(bǔ)充能量，如此循環(huán)反復(fù)。


VDb和C1是在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)需要嚴(yán)格挑選和設(shè)計(jì)的元器件，既不能太大影響窄脈沖的驅(qū)動(dòng)性能，也不能太小而影響寬脈沖的驅(qū)動(dòng)要求。自舉二極管VDb應(yīng)該選擇反向漏電流小的快恢復(fù)二極管，以減少電荷的損失。