研制一種基于TMS320LF2407A數字信號處理器和PS21964智能功率模塊（IPM）的智能化SPWM中頻逆變電源控制系統。對中頻逆變電源的功率主電路、控制電路以及保護電路等進行了詳細闡述。實現了中頻逆變電源小型化和高性能的技術要求。


0 概述

在武器裝備電氣系統中，400Hz中頻逆變電源是其廣泛使用的電源之一。在對其綜合電氣系統中的各電氣設備進行性能測試與故障診斷時，需要400Hz中頻逆變電源為其提供真實的模擬工作環境，以完成信號的采集與處理，從而判斷出系統的工作狀態，對所發生的故障進行精確定位。現有的400Hz中頻逆變電源因其體積較大，不能滿足測試設備小型化的要求，因此，我們研制了一種小功率智能化中頻逆變電源，將其放在測試設備內部，減小了測試設備的體積，提高了測試設備的可靠性。

1 系統硬件設計

圖1為中頻逆變電源硬件原理圖。

1.1 整流濾波電路

整流濾波電路是將220V、50Hz交流電通過全橋整流與電容濾波后得到311V直流電供給逆變電路中的IPM模塊，為其提供直流母線電壓。整流橋選用KBL608全橋整流模塊，電容濾波器選用2只450V、470μF的電解電容并聯。

1.2 逆變電路

逆變電路選用三菱公司的PS21964智能功率模塊。該模塊具有以下特點：1）逆變橋采用第5代平面型IGBT和CSTBT功率芯片，損耗更低；2）采用自舉電路結構，可單電源驅動；3）內置專用HVIC，可直接由DSP驅動；4）輸入接口電路采用高電平驅動，增強了模塊自保護能力；5）具有短路和控制電源欠壓保護，6）體積小，只有38×24×3.5mm.

由于電源設計輸出為單相交流電，而PS21964模塊內部為三相逆變橋，故在電源設計時，選用其中兩相（U、V）。PS21964模塊既可單電源驅動，又可多電源驅動，設計時采用多電源驅動方式。在電路中，R18為電流檢測電阻，實現短路保護；R12、C5為濾波電路；由于PS21964模塊的故障輸出端為漏極開路型，因此增加了R13上拉電阻。

1.3 中頻變壓器與中頻濾波電路

中頻變壓器采用R型400Hz鐵芯，銅制漆包線繞制，變比為1.05：1.由于系統中的載波頻率為12kHz，因此中頻濾波器的截止頻率選為2kHz，借助中頻變壓器的漏感，根據計算公式計算可得濾波電容值為20μF，故選用耐壓值為600V的CBB電容。

圖2 中頻逆變電源主電路

1.4 電壓反饋電路

電壓反饋電路是將輸出電壓調理后反饋給DSP的A/D轉換端以實現電壓平均值閉環反饋控制。

由于輸出電壓為115V、400Hz交流電，首先利用變壓器將輸出電壓將變為0～5V的電壓信號，經全橋整流、電阻分壓后反饋到DSP的ADCIN 01腳。如圖3所示。

1.5 DSP控制電路

TMS 3 2 O L F 2 4 O 7 A D S P控制電路主要由TMS320LF2407A芯片子系統和供電電路組成。TMS320LF2407A芯片子系統主要包括時鐘、復位、外部存儲、JTAG仿真接口等電路，其設計時可參考產品手冊推薦電路進行選擇。系統設計時，采用EVA事件管理器模塊的PWM1～PWM4輸出4路PWM波信號。

1.6 驅動與保護電路

（1）封鎖PWM控制信號保護。

IPM的PWM控制信號經帶控制端的三態收發器74LS640輸出后送共態脈沖互鎖電路。IPM的故障輸出信號送入74LS640的使能端。當IPM沒有故障發生時，74LS640選通，IPM正常工作；IPM發生故障時，74LS640截止，封鎖所有IPM的控制信號，關斷IPM，達到保護目的。如圖4所示。

（2）共態脈沖互鎖電路。

在使用IPM的過程中我們發現，當選取IPM時，若留出足夠的余量，IPM一般情況下不容易損壞，但有時仍有損壞情況發生，分析其原因，均為發生過流，通過測量微處理器輸出的PWM信號，發現同一橋臂的控制信號在主電路為高壓大電流情況下很容易疊加干擾信號，致使同一橋臂的兩個IGBT發生直通，導致模塊損壞。為此我們設計了共態脈沖互鎖電路，這樣即使有干擾，甚至由于某種原因，微處理器不能正常輸出，也能保證同一橋臂的兩個IGBT不能同時導通，達到保護的目的。電路圖如圖5所示。

1.7 輔助電源電路

該系統的電源主要有+5V、+3.3V和+15V三種。+5V為主電源，采用AC/DC模塊實現；+3.3V主要用于DSP系統，采用TPS7333芯片實現；+15V電源用于IPM模塊，采用金升陽公司的B0515實現。

2 系統軟件設計

本電源的控制軟件主要包括：1）雙極性SPWM控制信號程序設計；2）平均值穩定程序設計；3）輸出過壓保護程序設計。

雙極性SPWM控制信號采用對稱規則采樣法實現。其中標準正弦波（即調制波，同輸出正弦波頻率400Hz），采用離線計算方法，首先將這些數據計算出來，并存入數組，在程序運行時調用。標準三角波是利用DSP計數器的連續增/減計數模式實現的，其載波頻率為12kHz.

平均值穩定程序采用PI調節，反饋信號經濾波采樣后，與給定信號進行比較，其偏差送至PI調節器，改變調制度M，從而使輸出電壓維持恒定，實現輸出穩壓。

輸出過壓保護采用限幅比較法，反饋信號經濾波采樣后，與限定值進行比較，若超出，則輸出保護信號，中斷主電路運行，實現輸出過壓保護。

系統軟件由初始化模塊和定時器中斷模塊組成。初始化模塊主要完成中斷控制器、I/O控制器、事件管理器、時鐘管理器、看門狗、A/D轉換器等控制寄存器進行初始化和相關變量的初始化，初始化模塊的流程如圖6所示。初始化完成后，DSP程序進入死循環，等待中斷的發生。定時器中斷模塊的主要工作是通過片內A/D轉換器采樣輸出電壓，作為系統實現閉環控制的反饋信號，通過給定信號與反饋信號進行比較，經PI控制調節，得到相應的控制量，經規則采樣法計算得到每一個周期的脈沖寬度，以獲得四路PWM信號，實現對IPM的控制。其流程圖如圖7所示。

3 實驗

將研制的115V、400Hz中頻逆變電源接500W電阻性負載進行實驗，其實驗波形如圖8所示。

4 結論

本電源采用新型功率器件和數字控制技術，實現了中頻逆變電源小型化和高性能的技術要求，己在某些電氣系統檢測設備中使用，應用證明該電源性能可靠、體積小、重量輕、成本低、可以保證精度，滿足使用要求。