基于瑞萨H8／3687的小型发电机逆变电源的研制

摘要：提出了一种稳定性高、抗干扰能力强的小型发电机逆变电源的设计方案。采用瑞萨科技的工业级电机控制专用处理器H8／3687作为控制核心，产生频率为12．5 kHz的高额SPWM脉宽调制信号，SPWM信号通过结合具有高频抗干扰技术的驱动电路，将低压的控制信号和高电压信号隔离开，避免了高压信号对控制信号的影响。最后有效地驱动了组成逆变桥的IGBT。实验表明，这种小型发电机逆变电源能够在较强的外界干扰下平稳运行，可以实现220 V／50 Hz交流电的稳定输出，且输出误差保持在±3％的范围内。
关键词：发电机；脉宽调制；逆变；瑞萨单片机；H8／3687

    汽油发电机组是将发电机输出的原始电压通过电力电子技术的处理，然后再输出给负载。开发出体积小运行稳定可靠的发电机逆变电源，能节省能源并具有广泛的市场前景。

1 瑞萨H8／3687单片机简介
    瑞萨H8／3687单片机是一种高精度控制的工业级电机专用处理器，运行速度高、处理功能强大，具有丰富的片内外围设备，便于接口和模块化设计，被广泛应用于数字马达控制、电力转换系统各种电源设备。该单片机具体性能指标如下：1)高性能静态COMS技术，主频可达20 MHz，超低功耗设计，抗干扰能力强；2)内置32 K×16 bit的ROM程序存储器；3)动态PLL，主频可由软件编程修改；4)8通道10位A／D转换器，双采样，保持最小转换时间3．5μs；5)2个串行通信接口(SCI)、同步时钟模式的I2C总线接口。

2 发电机逆变电源系统结构
    发电机逆变电源系统的整体框图如图1所示。汽油机的汽缸经过进气、压缩、膨胀和排气4个过程，将热能转变成为机械能，然后经过曲轴连杆机构带动交流发电机，输出电压为330～470 V，频率为150～330 Hz的交流电；经过整流电路和大电容滤波电路进入单相全桥逆变电路。

    控制电路以瑞萨H8／3687单片机为核心，产生单相逆变电路工作所需要的SPWM信号，通过驱动电路，使得单相全桥逆变主电路输出高频脉宽调制型交流电。该交流电再经输出滤波器处理最后得到稳定、纯净的正弦波交流电。输出母线电压通过霍尔电流传感器的采样并将检测量送到单片机的A／D转换端口。
2．1 系统硬件电路设计
    发电机逆变电源的硬件主要由整流电路、滤波电路、单相逆变电路和控制电路组成。整流电路为三相桥式不可控整流电路；整流电路和逆变电路之间采用大电容构成加突波吸收器，有效滤除整流环节所产生的高次谐波，防止发电机和负载之间的相互干扰；经过单相全桥逆变电路和LC滤波电路，最后得到所需的单相220 V／50 Hz正弦波交流电输出。该系统硬件电路设计的核心是逆变电路中IGBT驱动电路和保护电路的设计。
2．1．1 IGBT驱动电路设计
    IGBT的驱动电路必须具备2个功能：1)实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离；2)提供合适的栅极驱动脉冲。本设计采用2ED020I12-F作为IGBT驱动器，2ED020I12-F不仅体积小而且速度快，工作频率最高可达60 kHz，开通和关断延时分别为120 ns和94 ns：并采用高端悬浮自举电源设计，单相桥式电路中，仅用一组电源即可，简化设计和节省成本。2ED020I12-F用于半桥驱动电路如图2所示。图中 C1、VDb分别为自举电容和二极管，C2为滤波电容。假定在VQ1关断期间C1已经充电完成。当高端输入为高电平时，VQ1导通，VQ2关断，VCC加到VQ1的栅极和源极之间。随着VQ1的导通，VQ1源极电压接近直流母线的正端电压，由于C1的电压不能突变，C1上的电压被抬高，维持VQ1栅极和源极的电位差，令VQ1维持导通。当高端输入为低电平时，VQ1截止，VQ2导通，C1通过VQ2进行充电，迅速为VQ1补充能量，如此循环反复。

    VDb和C1是在设计驱动电路时需要严格挑选和设计的元器件，既不能太大影响窄脉冲的驱动性能，也不能太小而影响宽脉冲的驱动要求。自举二极管VDb应该选择反向漏电流小的快恢复二极管，以减少电荷的损失。[!--empirenews.page--]
2．1．2 IGBT保护电路设计
    2ED020I12-F不能产生负偏压，逆变电路中处于关断状态下的IGBT由于其反并联二极管的恢复过程，将承受C-E电压的急剧上升，这种现象称为密勒效应。由于密勒效应，IGBT门极驱动电压增加，甚至导致IGWT被导通，上下IGBT直通，桥臂短路。
    针对2ED020I12-F的不足，在上下桥臂的驱动电路中加上由电容和5 V稳压管并联组成的负压电路。工作原理为，电源电压为18 V，电源通过电阻R7给电容C6充电，电容C6两端电压为+5 V。当InL输入为高电平时，OUTL输出为高电压18 V，这时加在下桥臂VQ2栅极上的电压为18 V-5 V=13 V，IGBT正常道通。当InL输入为低电平时，OUTL输出为O V，此时栅极上的电压为-5 V，实现了关断时产生负压；同理适用于上桥臂。
    为使IGBT关断时过电压能得到有效抑制并减小关断损耗，通常为IGBT主电路设置关断缓冲吸收电路。本设计中采用RCD型关断缓冲吸收电路，电容C7、 C8使IGBT关断时电压缓升，因此称为缓压电容，电阻R3、R4的作用是限制IGBT导通时电容C7、C8中储能沿IGBT流过的电流。IG-BT关断时，充电电流在电阻R3、R4上会产生压降，二极管VD的作用是旁路电阻上的充电电流，克服过冲电压。对缓冲吸收电路的要求是：1)尽量减小主电路的布线电感L；2)吸收电容应采用低感吸收电容，其引线应尽量短，最好直接接在IGBT的端子：3)吸收二极管应选用快开通和快速恢复二极管，以免产生开通过电压和反向恢复引起较大的振荡过电压。
2．2 系统软件设计及算法实现
2．2．1 PWM的基本原理
    如图3所示，把半个周期正弦波波形分成n等分，可以把正弦波看成幅值不等的n个彼此相连宽度相等的脉冲所组成，各脉冲的幅值按正弦规律变化。把n个脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲替代，矩形脉冲和相应的正弦等分的面积(冲量)相等，这就是脉宽调制波形。根据冲量相等效果相同的原理，脉宽调制波形和正弦半波是等效的。在正弦脉宽调制波形中，各脉冲的幅值都是相等的，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度，就可以改变等效输出正弦波的幅值。发电机逆变电源输出正弦波交流电为Ursin(wt)，则电压幅值为Ur。输出脉冲幅值为Uo，在线计算出IGBT每个载波周期内的开通时间为：
   

2．2．2 系统软件设计
    H8／3687主要用于控制和数据处理，并具备产生PWM调制信号的功能，通过驱动电路驱动IGBT，A／D接口采集电压检测和电流检测的模拟信号，对关键功率器件的运行参数进行实时监控。系统的程序流程如图4所示。载波频率取12．5 kHz，则载波周期T1=50μs，所以参考波在一个周期内的载波数为n=12．5 kHz／50Hz=250，可通过式(1)在线计算出IGBT一个载波内的开通时间。

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3 实验结果及分析
    建立了以IGBT为逆变器核心的实际实验平台，实验电动机采用HT2700L，2．2 kW，IGBT开关频率12．5 kHz，单片机不采用倍频，基频为20 MHz。这里用安捷伦示波器采集单片机输出的SPWM信号波形和逆变电源输出波形，如图5和图6所示。瑞萨H8／3687单片机产生的单极性SPWM脉冲信号稳定无干扰；逆变电源输出电压波形的正弦度很高，波形好，这就说明输出电压的总谐波含量较低。基于单极性SPWM逆变控制方法有效，逆变电源的软、硬件设计正确合理。

4 结论
    本设计采用了先进的瑞萨H8／3687工业控制单片机，增强了系统在恶劣条件下工作的稳定性；采用了新型的驱动器2ED020I12-F，不仅提高了IGWT工作的可靠性，而且大大简化了驱动电路设计，减小了产品体积，减轻产品重量，拓展了产品的应用领域。