基于DSP 56F801和脈寬調(diào)制芯片UC3846的DC／AC電源設(shè)計(jì)

目前，小功率DC／AC電源在UPS以及可再生能源領(lǐng)域（如光伏戶(hù)用電源）得到了廣泛的應(yīng)用。該類(lèi)電源的功能是將低壓直流轉(zhuǎn)換為市電交流。這類(lèi)電源的一種主電路結(jié)構(gòu)是由高頻DC/DC和DC／AC（逆變）兩個(gè)環(huán)節(jié)組成。輸出波形和轉(zhuǎn)換效率是衡量這類(lèi)產(chǎn)品的重要指標(biāo)，而保證這些指標(biāo)的關(guān)鍵之一是其控制器的設(shè)計(jì)。
　　本文介紹一個(gè)基于高性?xún)r(jià)比16位數(shù)字信號(hào)控制器DSP 56F801和脈寬調(diào)制芯片UC3846的DC／AC電源設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了裝置中控制信號(hào)的發(fā)生和測(cè)量信號(hào)的檢測(cè)，采用了電壓有效值反饋加前置濾波PID調(diào)節(jié)器的數(shù)字控制和硬件與軟件相結(jié)合的抗干擾措施。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)的DC／AC電源的輸出波形、效率和可靠性等指標(biāo)均有所提高。
　　1 主電路工作原理
　　圖1為該設(shè)計(jì)的主電路結(jié)構(gòu)，其中24V蓄電池的直流電壓經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管S1和S2，高頻變壓器T、橋式整流器、L1和C1升壓為360V的直流高壓，再經(jīng)S1～S6組成的逆變橋得到220V/50Hz的交流輸出。
　　
　　1.1 DC／DC環(huán)節(jié)
　　采用變壓器的升壓DC／DC環(huán)節(jié)中的原邊逆變電路拓?fù)溆邪霕蚴?、全橋式、椎挽式等。半橋式電路輸出電平只能為蓄電池電壓的一半，全橋式電路由于其?dǎo)通同路中存在2個(gè)管壓降，因此在低直流電壓回路中采用這兩種電路拓?fù)鋵⑾拗蒲b置的效率，而推挽結(jié)構(gòu)可充分利用蓄電池電壓，同時(shí)在導(dǎo)通回路中只有一個(gè)管壓降，因此本設(shè)計(jì)采用了推挽式結(jié)構(gòu)。
　　推挽變換器每周期內(nèi)S1和S2在各自的半周期內(nèi)導(dǎo)通一次。為了防止變壓器的偏磁，S1和S2輪流導(dǎo)通的時(shí)間要相等，變壓器原邊的中心抽頭繞組的繞制要注意對(duì)稱(chēng)。
　　變壓器副邊將與原邊耦合產(chǎn)生的交流電壓升壓，然后經(jīng)不控整流得到高壓直流
　　電壓。DC／DC環(huán)節(jié)中的直流電壓關(guān)系由式（1）描述。
　　
　　式中：VDC1為蓄電池電壓；
　　VDC2為DC／DC環(huán)節(jié)的輸出電壓；
　　N2為副邊匝數(shù)；
　　N1為原邊匝數(shù)：
　　D為占空比。
　　1．2 DC／AC環(huán)節(jié)
　　DC／AC變換器的主電路為由4個(gè)MOS管構(gòu)成的單相橋式逆變電路，將360V的直流電壓轉(zhuǎn)換成220V／50Hz的交流電壓。
　　SPWM調(diào)制又分為非倍頻和倍頻兩種方式，本文采用倍頻單極性SPWM調(diào)制的逆變器，這種方式可以在不改變開(kāi)關(guān)管工作頻率的情況下，通過(guò)對(duì)門(mén)極脈沖控制，使得輸出波形中最低次諧波頻率是開(kāi)關(guān)頻率的2倍，從而可以減小濾波器的容量和體積。單相單檄性倍頻調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生可以有兩種方法，一種是用頻率與幅值均相同，但相位卻相反的兩個(gè)正弦波和頻率為fc的三角載波交截，另一種是用頻率與幅值均相同，但相位卻相反的兩個(gè)頻率為fc的三角載波與一個(gè)正弦波交截，其結(jié)果均產(chǎn)生兩組PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別控制單相逆變橋的兩臂，逆變輸出波形的等效載波頻率為2fc，本文采用的是前一方案。
　　2 電源的控制結(jié)構(gòu)
　　DC／DC環(huán)節(jié)由電流控制型脈寬調(diào)制器芯片UC3846控制。該芯片支持一個(gè)雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)、逐脈沖的電流限幅、對(duì)稱(chēng)性校正和多電源模塊的并聯(lián)等功能。DC／DC環(huán)節(jié)由UC3846外部RC元件設(shè)置工作頻率為50kHz。本設(shè)計(jì)中測(cè)量DC／DC環(huán)節(jié)的輸出電壓VDC2以形成電壓外環(huán)，同時(shí)還將電流互感器套在變壓器T的輸入母線上測(cè)量流過(guò)主開(kāi)關(guān)管的電流以形成電流內(nèi)環(huán)，通過(guò)UC3846形成雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)tout，以維持VDC2的穩(wěn)定。UC3846通過(guò)其外接元件可方便地設(shè)定DC／DC環(huán)節(jié)高壓側(cè)輸出電壓和低壓側(cè)的電流限幅值。
　　MOTOROLA公司的56F801為一種16位數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）芯片，它將數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和微控制器豐富而靈活的外設(shè)集成在一個(gè)芯片中，可并行操作的3個(gè)執(zhí)行單元在一個(gè)指令周期中執(zhí)行6個(gè)操作，為多種應(yīng)用提供廉價(jià)的解決方案。它的一個(gè)突出特點(diǎn)是提供PWM和ADC模塊，支持多電機(jī)或多相控制。56F801的PWM模塊生成SPWM信號(hào)方便簡(jiǎn)潔，無(wú)需占用定時(shí)器資源。本設(shè)計(jì)中該芯片產(chǎn)生DC／AC環(huán)節(jié)巾S3“S6的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，履行測(cè)量和控制的任務(wù)。