基于320F2812PGFA的中频数字逆变电源的设计

2018-05-28航天科工惯性技术有限公司张福亮赵振江

电子世界 2018年10期

航天科工惯性技术有限公司张福亮赵振江

引言

目前所内的弹上和地面中频电源主要采用线性变换的方式，该变换方式具有电磁兼容性好、可靠性高等优点，但同时存在效率低、体积大、指标一致性较差等缺点。而基于数字控制的中频逆变电源可以从效率、体积等方面弥补线性电源的不足，采用数字控制系统，可以方便实现先进的控制算法，使得数字电源能够适应于非线性负载，具有良好的动态性能。同时，数字化高频逆变电源会造成比较严重的电磁干扰，需要在系统设计中针对交流输出滤波结构和滤波参数、控制以及驱动电路着重设计。

本文阐述了基于采用320F2812PGFA数字控制芯片的方案进行了中频数字电源的完整设计，其硬件组成主要包括控制电路、检测电路、驱动电路、主功率电路以及辅助电源部分。通过对设计方案的仿真验证，实现了双闭环瞬时控制，最后试验初步验证了该设计方案的可行性。

1.硬件电路设计

采用单相全桥逆变电路，输出滤波采用二阶LC模式，单相输出电压为115V/400Hz，1.5KW。

图1 主电路结构图

1.1 主电路及滤波器设计（见图1）

该部分电路主要包括全桥电路、输出滤波部分、输出变量检测部分。

根据样机输出功率指标，功率器件电压应力为180V，电流应力为18.4A，根据1.5～2倍的裕量为准则，选定功率MOSFET IXFH40N30为主开关管。

输出滤波部分采用差模滤波与共模滤波相结合的滤波方式。差模滤波部分为传统的LC二阶滤波电路：

1）滤波电感设计

输出滤波器的电流纹波决定了电感的最小值，取额定电流值10%作为纹波设计：

式中，ΔI表示纹波电流。

计算电感量的方程组为：

式中，VDC表示直流母线电压，uo表示交流输出瞬时电压，L表示滤波电感，D(t)表示占空比，f表示开关频率。

则可以得出：

进一步有：

为了确保电网电压波动时，逆变器能够向电网中有效回馈电流，取Vdc=180V，开关频率f=25.6kHz，得：

实际电路中取电感为0.6mH，而该电感计算值仅为静态电感值，当系统额定功率运行时，根据输入电压考虑直流偏置影响，实际运行参数大概为0.3～0.4mH。

2）滤波电容的设计

电容和电感构成的LC低通滤波器，对高于其谐振频率的高次谐波将以40dB/decade衰减，设计其谐振频率为10～20倍的基波频率，本文取10。

式中，fs表示基波频率，代入数据得，C=5.3μF。考虑到实际电容购买的通用性，实际工程中取电容为6.8μF。

图2 驱动电源原理图

输出电压、电流检测分别采用磁隔离霍尔元器件CSB2-10m A、CSNE151-100。

3）共模滤波器设计

共模滤波器采用共模电感和Y电容相结合的方式，在交流输出端，本系统中选择Y电容两端增加共模电感的结构，抑制系统输出共模干扰的同时，也可以抑制外界负载产生的共模干扰进入系统。共模电感采用铁镍材料环形磁芯，该型材具有高磁导率，不易饱和，高频滤波效果好的特点，并且对外电磁辐射较低，适用于共模滤波电感。

1.2 控制电路设计

该控制电路采用TI公司专门为电力电子行业设计的高速控制芯片320F2812，该控制芯片通过内部倍频，时钟频率可以达到150M，内置12位高精度AD转换器以及CAN、SCI、SPI等多种外设，尤其是专门适用于电力电子控制的EVA和EVB事件管理器，方便了系统设计并可以利用其高速性能实现电力电子中高性能控制方案设计。

由于通用CPU上电初始化为高电平，所以采用反向逻辑芯片74HC240作为电平转换芯片并驱动后级电路，同时为防止DSP内部弱信号数字地与模拟地之间交叉干扰，采用电感隔离的方式抑制高频串扰信号。

为抑制功率电路部分对控制电路板的干扰，控制电路板采用四层布线，增加了电源和地的内层，降低地线环路阻抗，增强控制电路板适应环境能力，同时，系统采用层叠布局方式，将控制电路板平行固定在功率板下面，这种布局方式可以有效抑制强电（尤其是感容性元件）对弱电信号的电磁干扰。

1.3 检测电路设计

电路采用交流霍尔传感器检测输出变量，则需要将采样交流量转化为直流量并进行电压量级变换进入DSP内置AD，同时在不影响系统动态响应的前提下，又通过硬件电路配置了二阶低通模拟滤波器，可充分抑制检测信号中的干扰。同时对输出进行过流以及短路保护，过载通过CPU软件进行判断，当过载120%并维持180s时，系统判断为过载，关闭系统。而当系统电流超过120%时，认为短路，直接关闭系统，并进行故障提示。

1.4 辅助电源设计

如图2所示，辅助供电电源，一部分为驱动芯片供电，另一部分为控制电路以及检测电路供电，该辅助电源采用单端反激控制方式，该电路就具有结构控制简单，对输入电压范围要求比较低，元器件少等优点。

图3 系统控制原理图

2.控制方案设计

近几年，为了克服传统控制方案的不足，许多改进的控制方案都成为研究热点。应用较多的有：电压单环PID控制，电压电流双闭环控制，滞环控制，重复控制，滑模变结构控制等。其中，采用瞬时值控制方案可以在运行过程中实时地调控输出电压波形，提高逆变电源的供电质量。目前，采用电压外环电流内环的双环控制方案是高性能逆变电源的发展方向之一。双闭环控制方案的电流内环加大了逆变器控制系统的带宽，使得逆变器动态响应加快，输出电压的谐波含量减小，非线性负载适应能力加强。

在双闭环控制方案中，又分为电容电流内环和电感电流内环两种，基于对逆变电源输出过载的保护，本文采用了电感电流内环控制方案，起到输出过载保护的作用。

2.1 双闭环控制方案分析

忽略电感L、电容C的寄生电阻，控制框图如图3所示。控制方案采用双环控制策略，内环是电流环控制，提高系统的动态性能；外环是瞬时电压环控制，改善输出电压的波形，使系统具有较高的输出精度。其中L为滤波电感值，C为滤波电容值，K2为内环电流检测系数，K 1为外环电压检测系数，KPWM为PWM环节等效增益。输出电压与给定参考信号相比较得到的误差信号经瞬时电压PI调节器调节，其输出作为内环电流的给定信号。反馈电感电流与内环给定信号比较，误差信号经内环P调节器，得到内环的控制信号，即调制波信号，最后送入PWM控制器，与载波比较产生SPWM脉冲。

由于外环的瞬时PI调节无法完全消除静差，所以本论文设计中加入了输出电压有效值的闭环控制，充分消除了输出的稳态误差。方案中采用的控制器如下：