資料介紹
目前,小功率DC/AC電源在UPS以及可再生能源領域(如光伏戶用電源)得到了廣泛的應用。該類電源的功能是將低壓直流轉換為市電交流。這類電源的一種主電路結構是由高頻DC/DC和DC/AC(逆變)兩個環節組成。輸出波形和轉換效率是衡量這類產品的重要指標,而保證這些指標的關鍵之一是其控制器的設計。
本文介紹一個基于高性價比16位數字信號控制器DSP 56F801和脈寬調制芯片UC3846的DC/AC電源設計,該設計實現了裝置中控制信號的發生和測量信號的檢測,采用了電壓有效值反饋加前置濾波PID調節器的數字控制和硬件與軟件相結合的抗干擾措施。實驗結果表明該設計的DC/AC電源的輸出波形、效率和可靠性等指標均有所提高。
1 主電路工作原理
圖1為該設計的主電路結構,其中24V蓄電池的直流電壓經過開關管S1和S2,高頻變壓器T、橋式整流器、L1和C1升壓為360V的直流高壓,再經S1~S6組成的逆變橋得到220V/50Hz的交流輸出。

1.1 DC/DC環節
采用變壓器的升壓DC/DC環節中的原邊逆變電路拓撲有半橋式、全橋式、椎挽式等。半橋式電路輸出電平只能為蓄電池電壓的一半,全橋式電路由于其導通同路中存在2個管壓降,因此在低直流電壓回路中采用這兩種電路拓撲將限制裝置的效率,而推挽結構可充分利用蓄電池電壓,同時在導通回路中只有一個管壓降,因此本設計采用了推挽式結構。
推挽變換器每周期內S1和S2在各自的半周期內導通一次。為了防止變壓器的偏磁,S1和S2輪流導通的時間要相等,變壓器原邊的中心抽頭繞組的繞制要注意對稱。
變壓器副邊將與原邊耦合產生的交流電壓升壓,然后經不控整流得到高壓直流
電壓。DC/DC環節中的直流電壓關系由式(1)描述。

式中:VDC1為蓄電池電壓;
VDC2為DC/DC環節的輸出電壓;
N2為副邊匝數;
N1為原邊匝數:
D為占空比。
1.2 DC/AC環節
DC/AC變換器的主電路為由4個MOS管構成的單相橋式逆變電路,將360V的直流電壓轉換成220V/50Hz的交流電壓。
SPWM調制又分為非倍頻和倍頻兩種方式,本文采用倍頻單極性SPWM調制的逆變器,這種方式可以在不改變開關管工作頻率的情況下,通過對門極脈沖控制,使得輸出波形中最低次諧波頻率是開關頻率的2倍,從而可以減小濾波器的容量和體積。單相單檄性倍頻調制驅動信號的產生可以有兩種方法,一種是用頻率與幅值均相同,但相位卻相反的兩個正弦波和頻率為fc的三角載波交截,另一種是用頻率與幅值均相同,但相位卻相反的兩個頻率為fc的三角載波與一個正弦波交截,其結果均產生兩組PWM驅動信號,分別控制單相逆變橋的兩臂,逆變輸出波形的等效載波頻率為2fc,本文采用的是前一方案。
2 電源的控制結構
DC/DC環節由電流控制型脈寬調制器芯片UC3846控制。該芯片支持一個雙環控制結構,可以實現輸出電壓調節、逐脈沖的電流限幅、對稱性校正和多電源模塊的并聯等功能。DC/DC環節由UC3846外部RC元件設置工作頻率為50kHz。本設計中測量DC/DC環節的輸出電壓VDC2以形成電壓外環,同時還將電流互感器套在變壓器T的輸入母線上測量流過主開關管的電流以形成電流內環,通過UC3846形成雙閉環結構調節tout,以維持VDC2的穩定。UC3846通過其外接元件可方便地設定DC/DC環節高壓側輸出電壓和低壓側的電流限幅值。
MOTOROLA公司的56F801為一種16位數字信號控制器(DSC)芯片,它將數字信號處理器(DSP)和微控制器豐富而靈活的外設集成在一個芯片中,可并行操作的3個執行單元在一個指令周期中執行6個操作,為多種應用提供廉價的解決方案。它的一個突出特點是提供PWM和ADC模塊,支持多電機或多相控制。56F801的PWM模塊生成SPWM信號方便簡潔,無需占用定時器資源。本設計中該芯片產生DC/AC環節巾S3“S6的PWM驅動信號,同時對整個裝置進行監測,履行測量和控制的任務。
本文介紹一個基于高性價比16位數字信號控制器DSP 56F801和脈寬調制芯片UC3846的DC/AC電源設計,該設計實現了裝置中控制信號的發生和測量信號的檢測,采用了電壓有效值反饋加前置濾波PID調節器的數字控制和硬件與軟件相結合的抗干擾措施。實驗結果表明該設計的DC/AC電源的輸出波形、效率和可靠性等指標均有所提高。
1 主電路工作原理
圖1為該設計的主電路結構,其中24V蓄電池的直流電壓經過開關管S1和S2,高頻變壓器T、橋式整流器、L1和C1升壓為360V的直流高壓,再經S1~S6組成的逆變橋得到220V/50Hz的交流輸出。

1.1 DC/DC環節
采用變壓器的升壓DC/DC環節中的原邊逆變電路拓撲有半橋式、全橋式、椎挽式等。半橋式電路輸出電平只能為蓄電池電壓的一半,全橋式電路由于其導通同路中存在2個管壓降,因此在低直流電壓回路中采用這兩種電路拓撲將限制裝置的效率,而推挽結構可充分利用蓄電池電壓,同時在導通回路中只有一個管壓降,因此本設計采用了推挽式結構。
推挽變換器每周期內S1和S2在各自的半周期內導通一次。為了防止變壓器的偏磁,S1和S2輪流導通的時間要相等,變壓器原邊的中心抽頭繞組的繞制要注意對稱。
變壓器副邊將與原邊耦合產生的交流電壓升壓,然后經不控整流得到高壓直流
電壓。DC/DC環節中的直流電壓關系由式(1)描述。

式中:VDC1為蓄電池電壓;
VDC2為DC/DC環節的輸出電壓;
N2為副邊匝數;
N1為原邊匝數:
D為占空比。
1.2 DC/AC環節
DC/AC變換器的主電路為由4個MOS管構成的單相橋式逆變電路,將360V的直流電壓轉換成220V/50Hz的交流電壓。
SPWM調制又分為非倍頻和倍頻兩種方式,本文采用倍頻單極性SPWM調制的逆變器,這種方式可以在不改變開關管工作頻率的情況下,通過對門極脈沖控制,使得輸出波形中最低次諧波頻率是開關頻率的2倍,從而可以減小濾波器的容量和體積。單相單檄性倍頻調制驅動信號的產生可以有兩種方法,一種是用頻率與幅值均相同,但相位卻相反的兩個正弦波和頻率為fc的三角載波交截,另一種是用頻率與幅值均相同,但相位卻相反的兩個頻率為fc的三角載波與一個正弦波交截,其結果均產生兩組PWM驅動信號,分別控制單相逆變橋的兩臂,逆變輸出波形的等效載波頻率為2fc,本文采用的是前一方案。
2 電源的控制結構
DC/DC環節由電流控制型脈寬調制器芯片UC3846控制。該芯片支持一個雙環控制結構,可以實現輸出電壓調節、逐脈沖的電流限幅、對稱性校正和多電源模塊的并聯等功能。DC/DC環節由UC3846外部RC元件設置工作頻率為50kHz。本設計中測量DC/DC環節的輸出電壓VDC2以形成電壓外環,同時還將電流互感器套在變壓器T的輸入母線上測量流過主開關管的電流以形成電流內環,通過UC3846形成雙閉環結構調節tout,以維持VDC2的穩定。UC3846通過其外接元件可方便地設定DC/DC環節高壓側輸出電壓和低壓側的電流限幅值。
MOTOROLA公司的56F801為一種16位數字信號控制器(DSC)芯片,它將數字信號處理器(DSP)和微控制器豐富而靈活的外設集成在一個芯片中,可并行操作的3個執行單元在一個指令周期中執行6個操作,為多種應用提供廉價的解決方案。它的一個突出特點是提供PWM和ADC模塊,支持多電機或多相控制。56F801的PWM模塊生成SPWM信號方便簡潔,無需占用定時器資源。本設計中該芯片產生DC/AC環節巾S3“S6的PWM驅動信號,同時對整個裝置進行監測,履行測量和控制的任務。
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