基于C8051F410的新型大功率三相逆变器设计

孙灵芳 纪慧超

(东北电力大学自动化工程学院，吉林 吉林 132012)

随着环境污染问题的不断升温，人们对清洁能源越发重视，风能及太阳能等清洁能源得到广泛应用，因此风能和太阳能发电具有非常好的发展前景，但利用风能发出的交流电的幅值随着风速的大小而改变，太阳能发出的电是直流电，交流负载不能直接使用，基于对这些问题的考虑，必须使用逆变器来解决，因此逆变器的好坏也变得越发重要。与其他逆变器相比，笔者介绍了一种更为简单的设计方案，不但能够产生稳定、高效的正弦波而且能够承受大功率负载，输出波形的幅值和频率自动跟踪设定值，这些参数可以在触摸屏上显示和控制。

1 总体方案①

该设计总体方案是以型号为C8051F410的单片机为核心，包括频率相位测量模块、输出反馈测量模块、脉宽时间调整电路、逻辑处理电路、HCP-316J芯片驱动电路、HCP-316J芯片驱动电路供电电源、正弦波滤波器、三相变压器，系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

频率相位测量模块主要测量经过三相变压器升压后的三相正弦交流电波形的频率。反馈测量模块采集的数据作为C8051F410单片机调整输出电压的反馈信号，因此可以根据设定的电压值来调节输出电压的大小。逻辑处理电路将C8051F410输出的SPWM波形在同一时刻进行高低电平逻辑取反，然后将两路相反逻辑的SPWM作为某一相电上下两个桥臂的输入来控制绝缘栅双极型晶体管IGBT的打开与关断。脉宽时间调整电路控制IGBT打开的死区时间，保证上下桥臂的IGBT不在同一时刻打开。A、B、C三相驱动电路由两个大功率驱动芯片HCP-316J实现，六路HCP-316J芯片驱动电路工作需要独立的电源，六路驱动电源模块采用单端反激原理制作。输出的A、B、C高电压SPWM波经过正弦滤波器进行滤波后输出高效的正弦波，再经过三相变压器进行升压后可得到负载需要的工作电压，为负载的正常工作提供稳定电源，延长负载的使用寿命。系统中需要显示的数据、设置的参数和系统的启/停都可以由触摸屏完成。

2 原理与设计

主要的硬件电路包括以下5部分：C8051F410单片机工作外围电路、HCP-316J芯片驱动电路、HCP-316J芯片驱动电路电源、脉宽时间调整电路和正弦滤波电路，下面针对各部分内容依次作出详细介绍。

2.1 C8051F410单片机工作外围电路

C8051F410单片机芯片内部具有一个高速8051控制器内核，指令结构呈流水线：70%的指令执行时间为一到两个系统时钟，其速度可达50MIPS，4个通用16位计数器/定时器，16位可编程计算器阵列PCA，内部时钟振荡器为24.5MHz，硬件搭建的SMBus/I2C 、增强型UART和SPI串行接口，片内具有上电复位功能、VDD监视器和温度传感器，多达24 个I/O端口等其他内部资源。结合以上内部资源设计C8051F410单片机片上系统(图2)，其中包括C8051F410单片机片上系统程序下载的JATG接口、电源退耦、基准滤波电路、复位电路。

图2 C8051F410外围电路

2.2 HCP-316J芯片驱动电路

A、B、C三相驱动电路[1]由6个HCP-316J驱动芯片及相应的外围器件构成，两个HCP-316J芯片驱动电路输出一相交流电，其中两个HCP-316J芯片驱动电路分上下桥臂，上桥臂控制的IGBT连接高压直流电正极，下桥臂控制的IGBT连接高压直流电的负极，每一个桥臂的输入前端都具有瞬态抑制二极管(TVS)，可以起到防雷击、防过电压、抗干扰及吸收浪涌功率等功能。而且在HCP-316J芯片输入端有大功率场效应管IRF540起到互锁作用，这样有效防止输入电平的逻辑在同一时刻相同，在输入端就避免了因相同的电平逻辑而使IGBT同时打开引起的短路事故。当输出正向电压欠压或IGBT短路时，通过光耦输出故障信号反馈给C8051F410进行处理[2]。HCP-316J芯片输出端14脚是IGBT短路电流检测输入端，将两个二极管串连与100Ω电阻同时接入HCP-316J芯片14脚，能够提高总体的反向耐压，从而提高驱动电压等级。HCP-316J芯片驱动IGBT时，IC间电流达150A，CE间电压1 200V，提升驱动大功率负载能力。因为IGBT的正偏电压应为12～15V；负偏压应为-2～-10V，所以制作的开关电源，输出+15V和-5V两路直流电，分别将两路电源连接NPN三极管和PNP三极管的集电极，芯片输出的SPWM波同时控制NPN三极管和PNP三极管的基集，使得输出高为+15V的电压，低为-5V的电压，保证IGBT的充分打开与关断。最后将IGBT的上桥臂漏极(C极)连接高压直流电的正极，下桥臂源极(E极)连接高压直流的电负极，上桥臂源极(S极)和下桥臂漏极(C极)连接处输出想要得到的高压SPWM波形。

2.3 驱动电路电源

驱动电源采用单端反激[3]的原理设计的开关电源，将交流电接入开关电源后，首先进入瞬变滤波电路，即EMI，主要抑制电源瞬变中的尖峰，然后进入整流桥进行整流，整流之后将正端给初级线圈，初级线圈之间接两个箝位二极管[4]，防止高电压对TOP221Y[5]的损坏，两路副边线圈公地，取其中一路输出电压作为反馈信号，通过光耦隔离控制反馈边输入TOP221Y调整端的电流最后起到稳定调节输出的作用。

2.4 脉宽时间调整电路

由于IGBT在打开与关断的时候具有一个死区时间[6]，为了避免上下桥臂同时打开，为每一个桥臂设计一个如图3所示的脉宽时间调整电路，将由C8051F410单片机输出的SPWM波与经过逻辑器件输出的SPWM分别接入脉宽时间调整电路，有效控制IGBT的开通关断时间，其中开通与关断时间可以由电阻与电容决定，二极管起到保护作用。

图3 脉宽时间调整电路

经过脉宽时间调整电路后输出的波形如图4所示，可以看到SPWM波上升沿和下降沿变得平缓，而且在上升沿达到足够打开上桥臂IGBT电压时，下降沿电压已经能够关闭下桥臂IGBT，因此避免了逻辑冲突，有效解决了IGBT通断的死区时间问题。

图4 调整后波形

2.5 正弦滤波

由于C8051F410单片机的系统时钟频率为24.5MHz，经过内部寄存器配置为分频为6.125MHz，配置的可编程计算器阵列PCA为8位，因此一个周期需要跟新256次，则载波频率为：

(1)

C8051F410选择定时器2，定时器2中断一次为0.1ms，即0.1ms更新一次码表内的数值，所以定时器1s刷新10 000次，即要产生50Hz波形，一个周期内定时器更新200次，所以正弦表内的正弦点一个周期不得大于200个点，又因为点数越多波形越好所以选择一个周期更新200点来产生50Hz的基波频率。

根据正弦滤波器的工作电压、额定功率、载波频率及基波频率等参数制作正弦滤波器[7，8]原理图如图5所示。将A、B、C三相分别接入U、V、W端，用高速数据采集仪测得A、B、C三相直接的线电压波形如图6所示。

图6 三相正弦波

3 人机接口

人机接口采用eview触摸屏组态，组态界面如图7所示。利用RS-232接口与C8051F410单片机进行通信，在此操作界面上能够显示设备的参数信息同时能够对参数设置给定值：给定频率、跟踪频率及给定幅值、跟踪幅值及设备故障等信号，可启动或停止设备，手/自动切换和历史信息显示。这样不但便于操作员直接观察设备信息，而且利于参数的设置，使得整套逆变器设计更人性化。

图7 人机接口操作界面

4 调试实验

在实验过程中，第一次将高压直流电接入IGBT[9]，供电电源短路，将IGBT拆下测试，发现IGBT器件损坏，利用高速采集仪保存的数据查看驱动IGBT栅极(G极)的SPWM波形(图8)。可以看到在打开的同时出现强烈的抖动，导致高压直流电发生正负极短路，于是流经IGBT的IC电流增大，导致IGBT[10]损坏，根据负载参数重新计算驱动电容、电阻的匹配值，如图9所示。

图8 SPWM抖动波形

图9 主要参数匹配电路

设IC为IGBT打开的电流，IC=20A使得IGBT立即开通，输出低电平V=2V，因为R41和C57关系到IGBT开通的快慢和开关损耗，增加C57可以减小dIC/dt，计算可得R41为：

R41=[VCC_3-1-(V+V_-5)]/IC=0.8Ω

(2)

当系统启动，C55起充电延时作用，当芯片开始工作，IGBT的漏极(C极)电压大于7V，在无C55的情况下会发出短路信号，直接关断输出。在芯片正常工作时，IGBT的漏极(C极)电压瞬间升高后立即恢复正常，如果没有C55也会发出故障信号，致使IGBT误动作。然而C55值取得过大会使系统反应变慢，并且在饱延时时间内就烧坏IGBT，起不到保护作用，假设C3取值100pF，其延时时间T=C3×U/I=2.3μs，能够满足设计要求。经过重新计算匹配电阻R41、电容C57、C55之后，测得的SPWM波形[11]如图10所示，上升沿和下降沿都很平缓无抖动现象出现。

图10 参数调整后SPWM波形

5 结束语

基于C8051F410的新型大功率三相逆变器经过调试实验能够输出高效稳定的正弦交流电，对大功率负载供电时能够稳定输出。并且与其他逆变器的设计不同，本设计方法将各部分功能进行了模块化，各部分功能通过实验验证其可行性后做出详细介绍。针对逆变实验中出现的问题做出分析，最后给出解决方案，通过反复实验验证其可靠性，因此此设计方法具有非常好的可移植性。

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