基于XC878M变频器的设计

张 慧

长江大学文理学院，湖北荆州 434023

节能是当今电器领域科技发展的主要方向之一，也是人们日常消费与生活关注的焦点。变频技术在实现电器节能方面发挥着重要作用。对中小容量变频器而言，应用最为广泛的是交流－直流－交流变换器。此类变换器中，又以正弦脉宽调制(SPWM)型变换器为主。

利用变频技术产生SPWM信号的方法有多种，如利用分立元件搭建模拟、数字混合电路、使用SPWM专用芯片或基于CPLD/FPGA设计SPWM发生器等。本文主要研究基于单片机实现SPWM，此方法控制电路简单可靠，利用软件产生SPWM波，减轻了对硬件的要求，且成本低，受外界干扰小。

图1 系统总体结构框图

图2 正弦逆变电路

1 变频器方案设计

本文以英飞凌公司XC878M单片机实现对交流－直流－交流变换器的实时检测和自动控制。系统总体结构框图如图1所示。其中，变频器设计主要由电源电路、控制电路、驱动和逆变电路、滤波电路及保护电路等几部分构成。

变频器各模块设计：

1）电源模块

本系统要求提供给桥式逆变模块310V直流电压。该310V直流电压由市电经全桥整流、滤波后获得。

2）控制模块

由XC878M输出利用软件方法产生的正弦脉宽调制信号（SPWM）。

3）驱动和逆变电路模块

由英飞凌公司提供的2片驱动芯片2ED020I12-FI、4只IGBT管SKW30N60HS及外围辅助电路构成，完成DC-AC的逆变、电压变换。

4）滤波电路模块

驱动和逆变电路输出的高频电压信号，经由LC低通滤波后，得到带动空调压缩机电机的纯正弦波电压信号。

5）保护电路模块

由1个10A保险丝、4个反向并联在IGBT管集-射极间的反向偏置二极管和LM393及辅助电路组成的比较电路和继电器构成，完成系统的过欠压、过流保护及IGBT管的瞬间过流保护工作。

2 变频器硬件电路设计

2.1 逆变电路设计

逆变电路由4个IGBT管（Q3、Q4、Q5、Q6）组成的全桥式逆变电路组成，每个IGBT管并联1个反向偏置二极管（D2、D6、D5、D10），利用二极管的极间电容，可以滤除IGBT管导通瞬间的大电流，起到瞬间过流保护作用。桥臂Q3、Q6和Q5、Q4在输出正弦波信号的一个周期内交替工作，可将直流电压转换成按正弦规律变化的梯形脉冲波，经低通滤波器滤波后，负载上得到的实际电压为正弦波。逆变桥的SPWM控制信号由主控芯片XC878M产生，并通过隔离驱动电路传递到IGBT管的栅极。逆变电路如图2所示。

2.2 驱动电路

由于XC878M产生的SPWM信号不能直接驱动IGBT，故逆变桥的驱动采用英飞凌专用驱动芯片2ED020I12-FI。2ED020I12-FI为双通道、高压高速功率驱动器件，可驱动1200V的MOSFET及IGBT。2ED020I12-FI可同时输出两路独立并且隔离的驱动信号用于驱动两路同一桥臂IGBT。2ED020I12-FI输出部分采用15 V供电，供电电压可直接供给或经由二极管及电容供给。常规逆变电路经常需要四组隔离的驱动电源，而2ED020I12-F驱动芯片只需要单组15 V电源供电，这可以极大地简化驱动电路并且节约成本。2ED020I12-F的所有逻辑输入电压可为3.3V或5V。/SD（高低端两通道关断逻辑输入）、INH（高端逻辑输入）和INL（低端逻辑输入）为2ED020I12-F的逻辑输入端。/ SD为高电平时，INH和INL输入无效（OutH 与OutL输出低电平）。/ SD为低电平时，若INH为高电平（而INL为低电平），则OutH（高端输出）启用（输出高电平）；反之，若INL为高电平（而INH为低电平），OutL（低端输出）启用（输出高电平）。若INH和INL均为高电平，则两个输入都无效（OutH 与OutL输出低电平），直至两者之一变为低电平时才有效。2ED020I12-FI内部还有一个通用运算放大器和一个通用比较器，可分别用于IGBT管的电流检测和过流检测。

利用1片2ED020I12-FI驱动半桥逆变电路的电路图如图3所示。

图3 半桥驱动电路

XC878M的输入捕获/输出比较单元CCU6中的定时器T12（选通道0和通道1）可产生两路PWM信号。2ED020I12-FI为双通道驱动芯片，故2片2ED020I12-FI可驱动4个IGBT管SKW30N60HS。其中，第一片驱动芯片2ED020I12-FI用于控制IGBT管Q3、Q4。第二片驱动芯片2ED020I12-FI用于控制IGBT管Q5、Q6。在交流输出的前半个周期，XC878M的P3.0输出有效，利用三极管的开关作用，送至第一片驱动芯片2ED020I12-FI的INL（低端输入）及第二片驱动芯片的INH（高端输入），由第一片驱动芯片2ED020I12-FI的OutH（高端输出）及第二片驱动芯片的OutL（低端输出）控制IGBT管Q3、Q6的导通与关断。同理，在交流输出的后半个周期，XC878M的P3.1输出有效，此时的SPWM信号经由两片2ED020I12-FI控制IGBT管Q5、Q4的导通与关断。XC878M的P3.0和 P3.1轮流交替有效，使得输出端得到正负交替出现的调制方波。

3 SPWM信号产生

3.1 PWM程序编程思路

本文将一个周期T的信号分成1 440个点（按X轴等分），两点间的时间间隔由XC878M通过定时器中断产生。因此，首先需建立正弦脉宽数据表，由XC878M初始化时算好，将其按一定的格式（即考虑相序及同一相中的脉宽次序等）存入片内的FLASH中，建立好数据指针，以便按一定的寻址方式查询。

3.2 PWM程序详细设计

SPWM实际上就是用一组经过调制的幅值相等、宽度不等的脉冲信号代替调制信号，用开关量代替模拟量。调制后的信号中除了含有调制信号外，还含有频率很高的载波频率及载波倍频附近的频率分量，但几乎不含其他谐波，特别是接近基波的低次谐波。因此，载波频率也即SPWM的开关频率越高，谐波含量越少。这从SPWM的原理可以直观地看出。当载波频率高时，半周期内开关次数越多，把期望的正弦波分段也越多，SPWM的基波就越接近期望的正弦波。

但是，SPWM的载波频率除了受功率器件的允许开关频率制约外，SPWM的开关频率也不宜过高，这是因为开关器件工作频率提高，开关损耗和换流损耗会随之增加。另外，开关瞬间电压或电流的急剧变化形成很大的du/dt或di/dt，会产生强的电磁干扰；高du/dt、di/dt还会在线路和器件的分布电容和电感上引起冲击电流和尖峰电压；这些也会因频率提高而变得严重。

综上所述，SPWM的开关频率的选择应综合考虑各个方面的因素，本设计实际采用的SPWM开关频率，也即IGBT的开关频率为18MHz，这是一个折中的选择。

正弦波输出的0～180度由XC878M定时器T12的通道0（对应的为COUT60_0）输出有效，180～360度由T12的通道1（对应的为COUT61_0）输出有效，COUT60_0和 COUT61_0两脚轮流交替有效输出脉宽调制的正弦半波。

正弦波输出的一个周期T分成1440个点（按X轴等分），两点间的时间间隔由XC878M的定时器通过计数中断实现（载波频率设置），由于XC878M的内部定时器有PWM的设置，通过在程序中设置定时器的计数值来控制频率，通过设置占空的计数值来调整脉冲的占空比，以保证输出方波的脉冲宽度按正弦规律变化。正弦脉宽调制波形示意图见图4。

本设计中压缩机电机工作频率范围为20Hz～130Hz。逆变后的方波经滤波后可以得到正弦波脉冲，调制频率为28.8KHz～187KHz，一个周期分为1 440个调制脉宽，每个正弦波周期为 1440×（1/187KHz～1/28.8KHz）=0.0077s～0.05s，输出频率为20Hz～130Hz。正弦脉冲的度数与计数值之间的一个换算见表1。

图4 正弦波脉冲宽度调制波形示意图

3.3 PWM程序流程图

首先对程序进行初始化，初始化之后程序就进入了中断，连续读取720个PWM的匹配值产生0～180度的PWM。然后，关闭此定时器和中断，并打开TIMER0和它的定时中断，同样的连续读取720个PWM的匹配值产生180～360度的PWM。

主程序中，在while(1)中不断的扫描DS18B20温度传感器返回值。通过判断室内温度与设定温度间温差，动态生成变频表。正弦波频率的改变范围是20Hz～130Hz。

PWM调制程序流程图如图5所示。

4 结论

文中以XC878M单片机输出利用软件方法产生的正弦脉宽调制信号，将310V直流电压逆变为高频交流信号，后经低通滤波得到纯正正弦波带动空调压缩机电机运行，即基于单片机实现对交流－直流－交流变换器的实时检测和自动控制，利用变频技术最终达到空调节能的目的。单片机模拟输出的SPWM信号可使硬件电路简化，系统功率因数与效率大大提高；同时，采用高频调制后可获得高质量的输出电压波形，抑制了高次谐波，使变换器损耗减小，由此提高了系统的工作性能。

[1]刘凤君.正弦波逆变器[M].北京：科学出版社，2002.

[2]李爱文.现代逆变技术及其应用[M].北京：科学出版社， 2000.

[3]陈道炼.DC-AC逆变技术及其应用[M].北京：机械工业出版 社，2005.

[4]谢力华.正弦波逆变电源的数字控制技术[J].电力电子技 术，2001(6).

[5]张燕宾.SPWM变频调速应用技术[M].北京：机械工业出版 社，2005.