基于87C196MH的车载逆变电源设计

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地铁和高速列车的使用，给人们带来方便的同时也存在着较大的隐患。由于其窗门都需要处于密闭状态。若列车因发生电力故障而停留在隧道中，空调和排风设备会停止运行，进而严重地影响乘客们的生命安全。现急需一种将蓄电池直流110 V的电压逆变为三相230 V/50 Hz的交流电源，为机车电力设备供电，以确保乘客生命安全。
1 系统结构
本设计巧妙地利用了高功率因数PWM控制芯片L4981A的Boost结构的功率校正电路来实现直流升压变换器的设计。提出了一种以87C19MH为控制核心，以IPM为开关器件的逆变电源的设计方案。逆变电源系统框图如图1所示，采用两级结构，第一级是DC/DC变换器，第二级是DC/AC逆变器；DC/DC变换器将110 V直流电压变换成400 V直流电压，DC/AC逆变器则将此直流电压逆变成有效值为230 V频率为50 Hz的交流电压，以带动负载[1-2]。且系统具有输入过欠压、输出过流、缺相、负载短路、超温等保护功能。


2 DC/DC电路设计
该逆变电源的第一级为DC/DC升压电路设计，采用Boost型APFC控制，升压电路拓扑结构如图2所示。

Boost型APFC升压控制电路设计应用集成控制芯片L4981A，通过采样电阻Rs（RS102，RS101）通过8、9两引脚采集系统输入电流；直流输入电压（VCCP+）经限流电阻R17后，加到4脚，作为控制输入电流的跟踪信号；输入电压的有效值通过7脚送入乘法器，以调节输入总功率的恒定；输出电压（VOUT）经R27、R28、W3(可调电位器)和R32分压后，由14脚加到芯片内部的误差放大器的输入端。以上4个信号作为L4981A芯片内部电路控制方式的参考值，通过芯片结构内部的电压控制环路和电流控制环路，来实现双闭环的调节。采集的输出电压信号与L4981A芯片内部基准电压比较后，误差信号经过PI调节送入乘法器，用来调节输出电压为一稳定值。电流误差信号经过调节后生成PWM脉冲信号输出，L4981A的输出端(20脚)将输出的PWM控制IGBT管的导通和关断，通过外接振荡器的定时电阻和电容来设定PWM开关频率，经过输出电容Ca滤波来实现直流输出。升压后的输出电压VOUT经R29、R30、R31和W4(可调电位器)分压后加到3脚，当此管脚的电压大于5．1 V时，即VOUT超过410 V时，L4981A将实现过压保护，输出将被强制接地，来强制截至功率开关管[3-4]。
  
输入电流经R22后加到2脚，实现峰值电流限制。同时输出通过电压分压器来设定芯片的欠压锁定开通和关断阈值，通过欠压封锁控制端来控制是否欠压。当15脚的电压低于10 V时（Q3导通），实现欠压封锁；当l5脚的电压高于15.5 V时(Q3断开)，将正常起动，使电源电压具有滞回功能。L4981A电路软启动的时间由E3的电容值决定。
3 DC/AC电路设计
车载逆变器主控芯片为Intel单片机87C196MH，由单片机87C196MH输出6路互补SPWM信号为IPM提供驱动脉冲，将400 V直流电源逆变为三相230 V/50 Hz的交流电源，为机车电力设备供电，主控电路结构如图3所示。

当单片机上电启动后首先经历一个软启动过程，该过程中单片机主要完成检测输入电压过欠压、输入电流过流和IPM电流过流故障。若无故障，则单片机根据输出电压反馈值调整SPWM的载波频率和调制比，使输出电压稳定。
当输出电压稳定后，单片机启动缺相保护，检测输出电压是否跌落。如果发生缺相故障，单片机将停止输出驱动脉冲，并且点亮软件故障指示灯。同时，当逆变电路正常工作的同时，单片机继续实时检测其他故障情况，一旦发生故障将停止输出SPWM信号并点亮故障指示灯，进入软件保护状态。这样保证了逆变电源工作在安全状态。
3.1 单片机控制系统设计
单片机通过地址总线和数据总线分别控制片外EPROM和锁存器，其中8位数据总线和14位地址总线的低8位分时复用。EPROM存放单片机程序，当单片机上电后将运行EPROM中的程序。锁存器起到数据暂存作用，当读取EPROM某个地址中的程序时，先由单片机对EPROM进行地址操作，然后通过锁存器暂存地址总线的低8位，此时它们作为8位数据总线将选定地址中的程序送入单片机去执行。
在控制系统中，单片机第46~48引脚对输出三相电压进行采样，第40引脚为外部参考电压输入，第62引脚为故障信号输入，第30~35引脚为PWM输出，第12~16引脚为高6位地址总线，第17~24引脚为低8位地址总线和8位数据总线的复用总线。
单片机对输出电压进行采样，并且实时监控各个故障信号。同时根据输出电压的反馈量调整SPWM的调制比，调节输出电压有效值。
3.2 驱动电路设计
图4所示为驱动电路，该电路的作用就是把单片机输出的SPWM驱动信号经过光耦隔离并适当放大，然后送到IPM模块的相应管脚，进而控制IPM内部IGBT的开通和关断。光耦主要用来实现主电路和控制电路之间的信号连接，满足主电路和控制电路之间的电气隔离。本设计中选用HP公司的光耦HCPL-4503，该芯片有效地起到信号隔离和电压放大作用，完成驱动IPM的目的。


4 实验研究
为了验证本系统控制策略的正确性，对本文所研制的车载逆变器进行了实验测试。车载逆变器带阻性负载，实验样机输入DC电压90 V~120 V；输出AC电压230 V，50 Hz；开关频率3 kHz；最小输出功率为880 W。
在测试实际波形的时候，用数字示波器测量L4981A的PWM输出端，同时使用1:100的高压差分探头，测量直流输出波形，在空载时对DC/DC的驱动信号波形进行采集如图5所示。输入110 V，PWM频率27.66 kHz，占空比为8.45%，直流升压输出电压为405 V。

图6所示为IPM上下桥臂驱动信号的死区时间。由于单片机发出的SPWM信号经光耦后将反向，因此单片机输出的两路互补SPWM信号同是高电平时为死区时间。由图可见，死区时间为15 ?滋s，能够有效地防止上下桥臂直通。

图7所示为输出电压波形，实验中使用了1：1 000的高压差分探头。由图可见实际输出电压为49.60 Hz，有效值为230 V。当输入电压在90 V~120 V间波动及负载阻抗变化时，逆变器的输出电压都能够有效地稳定在230 V/50 Hz交流电压，且谐波含量较小。
  
本文设计了符合地铁列车应急需求的车载逆变电源，采用IPM模块有效减小了系统体积。使用单片机波形发生单元输出6路SPWM作为IPM的驱动信号，提高了系统的性能，并通过硬件和软件实时检测电压和电流，保证逆变器安全工作。经试验验证，该系统控制方案简单、高效、可靠，具有良好的应用价值。