２０１１年４月 舰船电子对抗 ＳＨＩＰＢｏＡＲＤ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＣＯＵＮＴＥＲＭＥＡＳＵＲＥ Ａｐｒ．２０１１ Ｖｏ１．３４ ＮＯ．２ 第３４卷第２期 基于１ ｋＶ直流母线电压的１ ｋＷ逆变电源设计 黎 滨 （船舶重工集团公司７２３所，扬州２２５００１） 摘要：大型风力发电设备的智能散热风机需要电压可调的交流５０ Ｈｚ正弦波电源供电。介绍了正弦脉宽调制（ＳＰ— ＷＭ）逆变器的详细设计过程，以风力发电设备输出的１ ｋＶ直流作为逆变器输入，输出为从ＡＣ ２２０ Ｖ到ＡＣ １１０ Ｖ 可调的５０ Ｈｚ正弦波信号。 关键词：正弦脉宽调制；逆变电源；滤波器 中图分类号：ＴＮ８６ 文献标识码：Ｂ 文章编号：ＣＮ３２—１４１３（２０１１）０２—０１１４—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ １ ｋＷ Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ １ ｋＶ ＤＣ Ｇｅｎｅｒａｔｒｉｘ Ｖｏｌｔａｇｅ ＬＩ Ｂｉｎ （Ｔｈｅ ７２３ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＳＩＣ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ ２２５００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｏｌｉｎｇ ｆａｎ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ｎｅｅｄ ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ（ＡＣ）５０ Ｈｚ ｓｉｎｅ ｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｗｉｔｈ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅ— ｔａｉｌｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｎｅ ｐｕｌｓｅ—ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＳＰＷＭ）ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｕｓｅｓ １ ｋＶ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ３Ｓ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｎｐｕｔ，ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｉｓ ５０ Ｈｚ ｓｉｎｅ ｗａｖｅ ｓｉｇ— ｎａｌ ｗｉｔｈ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｒｏｍ ＡＣ ２２０Ｖ ｔｏ ＡＣ １ １０ Ｖ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｅ ｐｕｌｓｅ—ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｉｎｖｅｒｓｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ，ｆｉｌｔｅｒ １ 方案设计 大型风力发电设备需要风机进行散热，采用智 能控制风机可提高风机寿命和节约能耗，风机工作 箭 口ｆＩ口 卜寸垒 欠过压 保护 在最高转速时的功耗是７００ Ｗ，本设计电源输出功 率是１ ｋＷ，且输出电压在一定范围内可调，满足风 机使用要求。这里采用ＵＣ３８７５软开关移相控制全 桥变换器，经高频变压器降压输出稳定直流电压，利 用单片机控制全桥正弦脉宽调制（ＳＰｗＭ），经ＬＣ 滤波器输出５０ Ｈｚ交流电源。根据设计条件采用 ＤＣ／ＤＣ降压和逆变的结构，系统框图如图ｌ所示。 图１系统框图 全桥整流滤波后的电压取样反馈输出到 ＵＣ３８７５，使全桥ＳＰＷＭ逆变器的输入稳压， ＵＣ３８７５的电压基准由单片机产生，单片机接收温 控信号调节ＵＣ３８７５的电压基准，从而调节最终输 出的５０ Ｈｚ正弦波电压幅度以控制智能风机的转 前级采用软开关移相控制全桥高频逆变器，使１ ｋＶ 直流经变压器隔离降压稳定输出１８Ｏ～３５０ Ｖ直流； 后级采用ＡＶＲ单片机控制全桥单极性倍频ＳＰＷＭ 逆变器，经ＬＣ滤波输出交流（ＡＣ）ｌ１０～２２０ Ｖ可 调的５０ Ｈｚ正弦波电源。 速。母线电压的过欠压保护输出到单片机和 ＵＣ３８７５，以封锁各自的输出信号，移相全桥变换器 和全桥ＳＰＷＭ逆变器都设计有过流检测和保护 电路。 收稿日期：２０１０—１０—０９ 第２期 黎滨：基于１ ｋＶ直流母线电压的１ ｋｗ逆变电源设计 １１５ ２ ＵＣ３８７５移相全桥变换器 ２．１ ＵＣ３８７５工作原理和外围电路 ＵＣ３８７５芯片是美国ＵＮＩＴＲ０ＤＥ公司生产的 移相式准谐振变换器控制集成电路，它可用于桥式 准谐振变换器控制中，既可用来控制零电压准谐振 变换器，也可用来控制零电流准谐振变换器。 ＵＣ３８７５的核心是相位调制器，其Ｂ输出信号与Ａ 输出信号反相，Ｄ输出信号与Ｃ输出信号反相，Ａ、Ｃ 输出信号的移相相同，Ｂ、Ｄ输出信号移相相似。由 于采用了恒频脉宽调制、谐振和零电压开关等技术， 因此在高频工作状态下，可以获得很高频率。 为了实现快速故障保护，该电路还具有的 过电流保护。每个输出级导通前都有一个死区，而 且死区时间可以调整。因此，每对输出级（Ａ／Ｂ，Ｃ／ Ｄ）的谐振开关作用时间可以单独控制。振荡器的 频率可超过２ ＭＨｚ，在实际应用中，开关频率可达１ ＭＨｚ，高频振荡器除了作标准的自由振荡器外，还 可与时钟／同步引脚（１７）引入的外部时钟信号保持 同步。典型的外围电路如图２所示。 ３ｋ ｊ幽 ▲ ２Ｏ ｌ９ ¨－一广！！１８ ｌ７ 广— 一－ ｌ６ １ｕ ６ ｌ５ ７ ｌ４ ｌ一 Ｉ厂— ｌｕ１３ １２ ｌ ６．８ ｋ Ｏ ０１ ｕ ＶＣＣ 图２ ＵＣ３８７５外围电路 ＵＣ３８７５芯片的管脚功能如下：１脚（Ｖｒｅｆ），基 准电压；２脚（Ｃｏｍｐ），误差放大器的反相输出；３脚 （Ｅ／Ａ一），误差放大器的反相输入；４脚（Ｅ／Ａ－Ｉ－）， 误差放大器的同相输入；５脚（ＣＳ－Ｉ－），电流检测；６ 脚（ＳＯＦＴＳＴＡＲＴ），软启动；７脚（ｃ／Ｄ），输出延迟 控制；８脚，输出Ｄ；９脚，输出Ｃ；１Ｏ脚，电源电压；ｌ１ 脚，芯片供电电源；１２脚，电源地；１３脚，输出Ｂ；１４ 脚，输出Ａ；１５脚，输出延迟控制；１６脚，频率设置 端；１７脚，时钟／同步；１８脚，陡度；１９脚，斜波；２０ 脚，信号地。 ２．２软开关移相全桥变换器 主功率变换器和输出整流滤波电路框图如图３ 所示。 Ｌ。 ２ Ｚ ｃ Ａ ｍ 、 Ｚ 图３功率变换器 功率变压器的设计：变压器磁芯选择ＥＥ５５Ａ２１ 铁氧体磁芯，磁芯有效截面积Ａ 一２．１０ ｃｍ Ｘ １．７２ ｃｍ一３．６１ ｃｍ ，窗口面积为Ａ。一２× １．８５ ｃｍ×１．０ ｃｍ一３．７ ｃｍ ，功率容量为：Ａ 一 Ａ Ａ。一１３．３５；开关频率用１００ ｋＨｚ，１ ０００ Ｗ开关 电源功率容量为：Ａ 一 Ｐ Ｘ１０６ ： —５．５６， ＥＥ５５Ａ２１磁芯的功率容量满足使用要求。变压器 初 级 匝 数 为： Ｎ ＝＝＝ 一 ４ Ｘ １Ｏ０×１ ０ Ｘ １ ０００ ×３６ ＝＝＝１ ６９．３，变’ ’一比 ．…‘ 一 －３．５７，次级匝数Ｎ 一Ｎ ／ ＝－１９．４，取整 后次级匝数取２Ｏ匝，初级取７１匝。输出功率Ｐ。为 １ ｋＷ，输出满载要求３５０ Ｖ稳定电压，这样额定输 出电流 为：Ｉ 一Ｐ。／ｖ。一１ ０００／３５０—２．８５ Ａ，由 于逆变电路的输入电压是１ ｋＶ直流，副边电压最 低为１８０ Ｖ，要求变压器的变比为３．６：１，原边电流 为 一２．８５／３．６—０．８ Ａ，考虑设计余量，所以功率 开关管选择反向耐压１ ５００ Ｖ、２．５ Ａ的ＭＯＳＦＥＴ。 ３ 单片机控制数字化全桥单极性倍频 ＳＰＷＭ逆变器设计 ３．１ ＳＰＷＭ信号生成 逆变器的ＳＰＷＭ控制信号采用ＡＴＭＥＧＡ８Ｌ 单片机数字控制产生，Ａｔｍｅｇａ８Ｌ单片机是一款高 性能、低功耗的８位ＡＶＲ微处理器，采用先进的 ＲＩＳＣ结构，具有８路１０位模数转换器（ＡＤＣ）和一 个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的ｌ６位定 时／计数器。 单片机外接８ ＭＨｚ晶振，设置定时器１工作在 １６位相位和频率修正脉宽调制（ＰＷＭ）模式，时钟 １１６ 舰船电子对抗 第３４卷 源选择无预分频的系统时钟＾ ，定时器１控制寄 存器１Ａ设置为０ｘＣ０、控制寄存器ｌＢ为０ｘｌ１，设置 本设计采用的是倍频式的ＳＰＷＭ技术，在开关 频率不变的情况下，达到输出频率倍增的效果，逆变 定时器１溢出中断允许寄存器为０ｘ０４。计数寄存 器ＴＣＮＴ１的计数最大值Ｍｔ。。为输人捕捉寄存器 ＩＣＲ１的数值Ｎ ｃ ，因此ＳＰＷＭ的输出频率由Ｎ ｃ 确定，设置频率为２５ ｋＨｚ，输出ＰＷＭ频率由下式 确定： ｆｒ，ｗ 一 ＪＣＬＫ （１） 器的开关管选用ＩＧＢＴ，驱动器采用ＥＸＢ８４１混合 驱动模块的标准电路和参数。ＩＧＢＴ采用了高效尖 峰吸收电路。 输出ＬＣ滤波器的设计：单极性倍频ＳＰＷＭ调 制下输出滤波电感的值一般由电感电流的最大纹波 决定，取该值为满载输出电流峰值的１５ ，本设计 因此…Ｎ —ＭＩｏｐ一 ｆＣＬＫ一 一 １６Ｏ。 输出比较寄存器ＯＣＲ１Ａ和ＯＣＲ１Ｂ按正弦规 律变化的关系如下：ＯＣＲ１Ａ为８０＋８０ｓｉｎ ， ＯＣＲ１Ｂ为８０－－８０ Ｘ ｓｉｎ ，ｉ一０～ ， 一５００，将 正弦数值存放于单片机的８ ｋ字节的ｆｌａｓｈ。输出 比较寄存器ｏＣＲ１Ａ／Ｂ数值更新的时刻和定时器１ 溢出标志位ＴＯＶ１置位的时刻都是计数值ＴＣＮＴ１ 为０的时刻，因此每个ＰＷＭ周期执行一次中断函 数，可以在定时器ｌ溢出中断函数里更新ＯＣＲ１Ａ／ Ｂ的正弦数值。单片机ＯＣＩＡ／Ｂ引脚输出波形如 图４所示。 ｈ 卜 Ｉ ｆ ｌ ｆ 输出正 Ｉ ． ；：＿ 冀ＩＩ ｝ ｏＣ１Ａ １Ｉ －＿ Ｉｌ 至＿ １ｒ ＯＣＩＢＪ￣ 图４ ０Ｃ１Ａ／Ｂ输出波形图 ３．２全桥ＳＰＷＭ逆变器和ＬＣ滤波器设计 逆变器原理框图如图５所示。 ＤＣ３５０Ｖ 葺２ 至星。ｏ田 ＤＣ３５ＯＶ－ 图５逆变器原理框图 逆变器的输出满载功率１ ｋＷ，输出电压２２０ Ｖ，频 率５０ Ｈｚ，根据以上参数可得：△ＩＬ一—１５ ％ｖ ￣Ｐｏ—一 ０．９６，设逆变器输出脉冲为 ，输入电压３５０ Ｖ，占 空比 —Ｕ ／３ｓｏ，根据公式： ＡＩ一＿ＡｔＵ （２） 可得电感纹波表达式为： ＝＝： （３） 当 一３Ｓ０／２时，电感电流纹波最大为ＡＩ 一 兰 ，一 一 兰曼 一 ８ ＸＬｘｆ’ ８ＸＡＩＬ ｘｆ ８×０．９６ Ｘ ２５ Ｘ １０。 １．８２ ｍＨ。由于在单极性倍频ＳＰＷＭ调制方式下， 输出谐波为开关频率２倍以上的偶次倍的高次谐 波，所以ＬＣ滤波器的截止频率可以取最低次输出 谐波的１／２ 口 ２丁【√Ｌ ≤ ｚｏ ４ Ｃ，。 ４ 一ｎ 。 Ｌ ２．２“Ｆ。 ４ 实验结果 本设计提出的设计方案切实可行，效率高，体积 小，重量轻，可靠性高，可满足大型风力发电设备智 能散热风机的供电需求。本设计的空有载压降大， 虽能满足本设计使用要求，但还可进行改进设计，引 入输出电压有效值、瞬时值和电流瞬时值反馈控制 以改善负载调整率，满足更高的使用要求。 参考文献 ［１］ 刘胜利，李龙文．高频开关电源新技术应用［Ｍ］．北京： 中国电力出版社，２００８． ［２］陆涵，胡磊，何湘宁．一种基于单片机的正弦波输出逆 变电源的设计［Ｊ］．电源技术应用，２００５，８（１０）： ２５—２８． Ｅａ３李琛．基于单极性倍频ＳＰＷＭ调制的逆变电源系统研 究ＥＪ］．宁夏工程技术，２００９，８（３）：１９７—２００．
