一种小型发电机逆变电源的研制

　　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。汽油发电机组是一种发电设备，系指以汽油等为燃料，是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。发动机是将化学能转化为机械能的机器，它的转化过程实际上就是工作循环的过程，简单来说就是是通过燃烧气缸内的燃料，产生动能，驱动发动机气缸内的活塞往复的运动，由此带动连在活塞上的连杆和与连杆相连的曲柄，围绕曲轴中心作往复的圆周运动，而输出动力的。

　　在这个过程中，发动机的进气门开启，排气门关闭。随着活塞从上止点向下止点移动，活塞上方的气缸容积增大，从而使气缸内的压力将到大气压力以下，即在气缸内造成真空吸力，这样空气便经由进气管道和进气门被吸入气缸，同时喷油嘴喷出雾化的汽油与空气充分混合。在进气终了时，气缸内的气体压力约为0.075－0.09MPa。而此时气缸内的可燃混合气的温度已经升高到370-400K。

　　1 瑞萨H8／3687单片机简介

　　瑞萨H8／3687单片机是一种高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。

　　随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制。通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度。压力。位移。图像等），要使计算机或数字仪表能识别。处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析。处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路-模数和数模转换器。将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称a/d转换器或adc,analog to digital converter）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称d/a转换器或dac,digital to analog converter）；a/d转换器和d/a转换器已成为信息系统中不可缺俚慕涌诘缏贰？br>为确保系统处理结果的度，a/d转换器和d/a转换器必须具有足够的转换；如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，a/d与d/a转换器还要求具有较高的转换速度。转换与转换速度是衡量a/d与d/a转换器的重要技术指标。随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的a/d和d/a转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标。

　　控制电路以瑞萨H8／3687单片机为，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，得到所需的单相220 V／50 Hz正弦波交流电输出。

　　2.1.1 IGBT驱动电路设计

　　IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似。也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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，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。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。

　　3 实验结果及分析

　　建立了以IGBT为逆变器的实际实验平台，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。