小功率三相变频电源的设计

    在实验室中或者在家庭的某些特殊场合经常会用到三相交流电源，而如果室内配电没有三相电源，那么就会给我们的实验或者生活带来很大的麻烦，针对此问题，本文提出了一种简单并且易于实现的三相逆变电路，可以输出三相变流电，并且具有输出电压以及输出频率等参数可以灵活调节的特点。

1 设计原理
    传统的方式是用晶体管和变压器购成自激振荡电路，再通过变压器的次及输出。以这种方式实现的电路由于晶体管工作在线性状态，所以通常效率较低。本文将介绍一种数字方式实现的逆变电源，相比传统的方式效率有很大的提高，而且应用中也更加的灵活方便，电路工作过程中也更加的稳定可靠。总体的设计思路如图1所示。

    本系统由一个稳压的直流电源供电，可以解决AC变换器设计稳压电路困难的问题。桥式功率输出级在SPWM信号发生模块的控制下，输出占空比随时间变化方波。如果再用LC低通滤波器把SPWM中的载波滤掉就可以得到正弦信号。
    直流稳压电源的电压决定了输出交流的电压，交流电的输出电压UO与直流供电电压UD府在下面的关系：
    即直流供电电压取要输出交流电压的峰值，在重负载的情况下可能取值还更大一点。
    基于上述的理论，要实现设计主要的工作就是SPWM信号的产生以及功率输出级的设计。

2 电路的实现
2．1 SPWM信号的产生
    首先，要产生三路SPWM信号，并且这三路信号要彼此有120°的相位差。这部分可以用FPGA或者MCU编程实现，用软件来实现可以非常灵活地实现各种控制，为本设计实现输出频率可调节，调制的载波的频率可调节提供了方便。
    本设计采用单片机XC164S定时器硬件来产生精确的SPWM信号。定时器T12配置为循环模式，通过改变定时器的初始值，可以改变PWM的周期，从而可以控制电机的转速。同时T12的三路通道比较模式可以装入三路相位差为120°的比较值，同时每路的比较的输出值设置成两个不同的翻转，这样就可以控制上下两个MOS管的导通，同时通过设置死区时间，可以使一个桥臂上两只MOS管不同时导通，保护MOS管不被损坏。
2．2 MOS管驱动
    对于这种全桥电路，要驱动下桥臂的MOS管是比较容易的，而要驱动上桥臂的MOS管就要麻烦一点，在这里选用MOS专用驱动芯片一IR211 3来完成，实际应用的电路如图2所示。

    在图2中，Hin、Lin、SD为控制信号输入端，分别对应上下桥臂的打开和关断以及整个电路的关断。OUT为三相当中的一相输出端。因为是三相全桥，所以要做三个这样的电路。
    在本设计中功率MOS选用IR公司的高压大功率MOS管IRFP460，其耐压为500V，较大电流为23A。基本上可以适应大部分应用场合的要求。
2．3 驱动隔离
    为提高系统的稳定性，尤其是在要求输出的三相电压较高的时候，把把高压的部分和我们SPWM信号发生以及控制的部分隔离开是非常用必要的。
    一般情况下采用通常的光电耦合器来实现隔离是可行的，如果要求较高，这里介绍一个专用隔离芯片ADuM1200，它不但性能比光电耦合器好，而且应用起来也十分简单，这部分电路的原理图如图3所示。

2．4 其它模块
    本系统输出的电压是方波，如果负载只能用正弦交流电来供电，那么可以通过加一个LC滤波网络来实现。
    前面所述的系统实现了基本的功能，另外还有过压保护、过流保护等模块，各部分检测通过单片机的ADC进行采集，在发生工作状态异常时及时关断输出，保护电路不被损坏。

4 结束语
    通过实验验证，本设计实现了三相交流电源的基本功能，通过单片机的软件设置可以调节输出频率，通过调节为系统供电的直流电源电压可以调节三相电源输出电压。
    功率输出电路选用MOS管构成的全桥而没有采用常规的成品功率模块(IPM)。主要出于下面几点的考虑：
    (1)MOS管具有更低导通内阻，所以开关管上的损耗很小，电路的效率比较高；
    (2)MOS管的开关速度较快，这样开关损耗就比较小，可以采用较高频率的载波，如果要求输出的交流电频率较高，这一点比较实用。
    (3)可以通过选用不同型号参数的MOS管，来适用不同的应用场合。本设计只要稍改动一下软件就可以用在无刷电机驱动中。

相关阅读:

• ...2012/01/31 10:32·小功率电源变换器电路
• ...2011/09/19 14:49·光伏系统用中小功率逆变电源现状与发展分析