变频电源设计：整流、驱动、逆变、滤波模块详述

图4 IR2130驱动电路

图5三相桥式逆变电路图

逆变电路中采用正弦脉冲宽度调制（SinusoidalPulse WidthModulation，SPWM）技术来控制MOS管导通和关断，其中SPWM波由型号为TMS320F2812的DSP芯片产生。

当使用微控制器实现SPWM调制时通常采用对称规则采样方法，此时三相逆变器输出线电压的基波和谐波幅值分别为：

基波幅值=√3 aUd/2

式中：a为调制度；Ud为直流侧电压。

1.4滤波模块设计

SPWM逆变电路由于其固有的特性，输出波形中含有大量的谐波，在接入负载前必须进行滤波。根据消谐控制的特点，简单的二阶LC低通滤波器就能满足要求。因为电容器C对直流相当于是开路的，而对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感L对直流阻抗小，而对交流阻抗大，所以L应与负载串联。逆变电路如图6所示。

图6逆变电源滤波电路

理想的二阶低通滤波器的传递函数为：

式中：ui （s），uo （s）为滤波器输入、输出电压；s为复频率；ξ为阻尼系数；固有角频率ω0 = 1 LC.

为了使滤波器输出电压接近正弦波，同时又不会引起谐振，LC滤波器的截止频率必须要远小于SPWM电压中所含有的最低次谐波频率，同时又要远大于调制波频率。文献推荐PWM逆变器中的LC截止频率f0的选择最好满足：

式中：fr为调制波频率；fc为载波频率；fhar（min）为最低次谐波频率。

LC滤波器的谐振频率是由L和C的乘积所决定的。在最初选择滤波器的参数时，一般先根据滤波器衰减特性选择滤波器的类型，如巴特沃斯型滤波器、切比雪夫型滤波器或贝塞尔型滤波器。由于巴特沃斯型滤波器是一种具有最大平坦响应的滤波器，仿真结果和实际测试特性较为接近，因此本文采用巴特沃斯型二阶低通滤波器。

2软件设计

变频电源的软件设计即变频电源中控制电压与频率的软件编程，本文通过SPWM波来控制变频电源的电压和频率，其中SPWM波形的产生通过TMS320F2812芯片实现。变频电源的整个软件程序分为主程序和中断服务子程序两部分。主程序任务是：初始化并启动系统后，进入while循环，等待定时器T1周期中断的产生。程序流程图如图7所示。

中断子程序是定时器T1周期中断函数，主要功能是更新比较寄存器的值。中断程序中比较寄存器的赋值通过查表法来实现，查表法的原理是预先计算出每个载波周期中各个采样点处的比较寄存器的值，以数组的形式存储起来，在中断程序中直接调用数组。

图7主程序流程图

3实验结果与分析

3.1整流模块实际电路运行波形图

将经过380 V -18 V三相变压器的电压送入到三相桥式整流电路的输入端，经过滤波器滤波后，测得整流的电压如图8所示。

图8整流电路波形图

由图8可得，电压为直流，每个小格是10 V，这样电压值大约为24 V.由于本设计中使用的三相变压器是380 V-18 V，即变频电源的整流输入端交流电的线电压有效值为18 V，所以其相电压有效值为18/√3 =10.4 V，根据式（2）计算，理论上整流之后电压值应为24 V.由此可得，本实验电路运行结果与理论值一致。

3.2逆变模块实际电路运行波形图

根据上面的硬件设计和软件设计，将编好的程序下载到DSP里运行，产生出六路SPWM波后送入到变频电源的两级三极管隔离放大电路的输入端，经过放大之后送到驱动IR2130的输入端；从IR2130出来之后驱动三相桥式逆变电路，经过三相桥式逆变电路和LC滤波器之后，三相负载的相电压波形图如图9所示。

由图9可得，三相电压均为交流电，相位依次相差120°，每个小格是10 V，这样负载相电压幅值大约为9.6 V.根据式（2），当调制度为0.8，直流电压为24 V时，逆变之后线电压应为16.6 V，即负载相电压应为16.6/√3 =9.6 V.所得结果与理论值一致。此外，由图9还可得三相交流电压周期大约为0.017 s，即频率为60 Hz，这与程序里设置的值一致。

图9变频电源三相负载相电压波形图

4结语

本文主要对变频调压电源的硬件进行了详细的介绍，在变频电源的硬件方面，研究了变频电源的结构组成，对变频电源的各个模块进行了详细分析，并对各个模块参数的选择给出了详细的计算过程；同时给出了系统的软件流程以及SPWM的生成方法；最后将实验结果与自行设置的值进行对比，基本保持一致。由于时间有限，系统还存在许多不足的地方，有待改善，例如变频电源系统没有反馈，其输出的电压幅值和频率大小是由软件编程来控制的，即是人为控制的。因此，在后续的研究中可搭建一个带有反馈的变频电源系统，根据输出的电压和频率自动调整逆变模块SPWM波的参数，以使输出的电压和频率稳定。