1 引言
由于PWM控制技術(shù)具有可以同時實現(xiàn)變頻、變壓、抑制諧波的特點,所以一直是變頻領(lǐng)域中的核心技術(shù),其應(yīng)用相當(dāng)廣泛.最常用、最流行的SPWM技術(shù)在 CVCF電源中始終占主導(dǎo)地位.其基本實現(xiàn)方法一類是采用模擬集成電路完成正弦調(diào)制波與三角波載波的比較,產(chǎn)生SPWM信號;另一類是采用數(shù)字方法.隨著 應(yīng)用的深入和集成技術(shù)的發(fā)展,已商品化的專用集成電路(ASIC)和專用單片機(jī)(8X196/MC/MD/MH)以及DSP,可以使控制電路結(jié)構(gòu)簡化,集 成度高.由于數(shù)字法一般價格比較高,需要專用開發(fā)裝置,交叉匯編,軟件設(shè)計復(fù)雜,調(diào)試工作量大,這對于一些對生產(chǎn)成本比較敏感的產(chǎn)品和中小容量的變頻器也 是一種浪費.
本文對選用UC3637雙PWM控制芯片設(shè)計變頻電源控制電路的方法進(jìn)行了介紹,其硬件結(jié)構(gòu)既不復(fù)雜,又能得到良好的控制性能.
2 UC3637的基本特點
為后面的敘述方便,簡要介紹一下UC3637的一些基本功能,這樣更有益于將其正確地應(yīng)用于逆變控制電路.該芯片是UNITRODE公司生產(chǎn)的用于直流電動機(jī)控制的雙PWM控制器[1],具有其它PWM控制器不可多得的優(yōu)點.
2.1 電路特點
UC3637電路特點如下:
——單電源或雙電源工作,電壓范圍±2.5V~±20V,特別有利于雙極性調(diào)制;
——雙路PWM信號,圖騰柱輸出,供出或吸收電流能力100mA;
——逐個脈沖限流;
——內(nèi)藏線性良好的恒幅三角波振蕩器;
——欠壓封鎖;
——有溫度補(bǔ)償,2.5V閾值控制.
2.2 電路組成與基本功能
UC3637的原理框圖如圖1所示.其內(nèi)部包含有一個三角波振蕩器,誤差放大器,兩個PWM比較器,輸出控制門,逐個脈沖限流比較器等.不同于其它(如 3524/5,TL494,3520…)雙PWM控制器的是,2個PWM比較器的輸入端全部引到片外,誤差放大器的3個端(2個輸入、1個輸出)也是如 此,這為靈 活地設(shè)計電路帶來極大的方便 .
PWM控制芯片通常采用鋸齒波振蕩器.當(dāng)載波為鋸齒波時,輸出波形會 有ωs±ω0、2ωs等諧波,而載波為三角波時則不存在這些諧波[2],并且是雙沿調(diào)制,動態(tài)響應(yīng)比 沿調(diào)制快.UC3637最具特色的是三角波振蕩器,三角波產(chǎn)生電路如圖2所示.
圖1 UC3637原理框圖(原圖,未作標(biāo)準(zhǔn)化處理)
圖2 恒 幅 三 角 波 產(chǎn) 生 電 路 ( 原 圖 , 未 做 標(biāo) 準(zhǔn) 化 處 理 )
在電源+Vs和-Vs之間串接電阻R1、R2、R1組成分壓電路,分壓點分別為+VTH和-VTH,作為三角波正峰值和負(fù)峰值的轉(zhuǎn)折(閾值)電壓.CT和RT為定時電容和定時電阻.+VTH還通過內(nèi)部緩沖電路與RT共同作用產(chǎn)生CT的恒值充電電流Is.CP,CN構(gòu)成窗口比較器,當(dāng)CT以恒流Is線性充電到VCT=+VTH時,CP翻轉(zhuǎn),觸發(fā)器S端置1,Q為高電平,S1關(guān)斷;同時S2接通,CT以Is線性放電,到VCT=-VTH時,CN翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器R端復(fù)位,Q為高電平,S2關(guān)斷,S1接通;則三角波新的一周開始.RT設(shè)置Is的大小,一般不大于2mA.振蕩頻率由RT、CT及+VTH,-VTH共同決定.由于是恒流充放電,三角波的正負(fù)斜率對稱,線性優(yōu)良,調(diào)節(jié)頻率時三角波為恒幅.
3 設(shè)計要點
在了解了UC3637的特點,電路組成和基本功能之后,即可具體設(shè)計逆變控制電路了.以下僅介紹幾個關(guān)鍵電路單元的設(shè)計方法.
3.1 死區(qū)時間td
逆變主電路通常有半橋、單相全橋、三相橋等幾種基本形式.功率開關(guān)管的開通和關(guān)斷都需要時間,所以上下橋臂之間必須留有適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時間,這關(guān)系到逆變主電路的安全.UC3637的死區(qū)設(shè)置是相當(dāng)靈活的,可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)整.
圖3(a)為死區(qū)時間示意圖,圖3(b)為外圍元件的連接電路.經(jīng)過推導(dǎo)和合理的近似,各參數(shù)之間有如下關(guān)系:
(a) 死區(qū)時間示意圖
(b) 外 圍 電 路 圖
圖3 雙PWM比較器
td=t2-t1=〔(+VR/2)-(-VR/2)〕Ts/2VTH (1)
Ts=1/fs=Is/2CT〔(+VTH)-(-VTH)〕 (2)
Is=〔(+VTH)-(-VTH)〕/RT (3)
+VTH=(-Vs)+〔(+Vs)-(-Vs)〕(R2+R1)/(R1+R2+R1) (4)
-VTH=(-Vs)+〔(+Vs)-(-Vs)〕R1/(R1+R2+R1) (5)
(6)
在逆變控制設(shè)計中,有些參數(shù)是可以首先確定下來的.例如開關(guān)頻率fs,橋臂的死區(qū)時間td(根據(jù)開關(guān)器件的開關(guān)特性),三角波的峰值轉(zhuǎn)折電壓+VTH和-VTH等.±VTH的范圍應(yīng)限制在±Vs2V之間.實際的±VTH可根據(jù)調(diào)制波的最大可能值而定,調(diào)制波的最大可能值可依據(jù)PID的供電狀況及動態(tài)范圍確定.調(diào)制波的幅值確定之后,隨之可定±VTH.再依據(jù)上述各關(guān)系式,不難解出其它各參數(shù).若對于一個逆變系統(tǒng)要求:Vs=±15V,td=3μs,fs=30kHz,正弦波調(diào)制信號的最大可能值Vsm=4V.
取±VTH=±4V,根據(jù)以上各式可算得CT=1.04×10-9F(取CT=1000pF),RT=38kΩ(取RT=39kΩ),VR=1.44V.當(dāng)調(diào)制正弦波為零時,VR/R4≈(Vs-VR)/R3,取R4=5kΩ,則R3=47kΩ.理論計算的數(shù)值在應(yīng)用中還需進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?
3.2 頻率調(diào)節(jié)控制
作為逆變電源還要求輸出頻率fo在一定的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào).比如fo=400Hz的電源在±30Hz范圍內(nèi)可調(diào).如上所述,UC3637三角波振蕩頻率由±VTH,CT,RT決定,當(dāng)±VTH確定之后,一般不再作為可調(diào)量(因為三角波作載波應(yīng)當(dāng)恒幅),則調(diào)節(jié)RT比較容易實現(xiàn),電路如圖4所示.
圖4 逆 變 器 變 頻 調(diào) 節(jié)
圖5 輸 出 電 路 調(diào) 節(jié) 電 路
A1、A2為跟隨器,調(diào)節(jié)RP1即可改變輸出端VF的電位,使RT兩端電壓發(fā)生變化,隨之使由RT設(shè)定的CT充電電流Is變化,從而調(diào)節(jié)了三角波頻率fs.將三角波整形后作為正弦波(調(diào)制波)存儲器的讀取時鐘(UC3637無同步信號輸出),因而逆變電源的輸出頻率fo隨fs而變,從而實現(xiàn)同步調(diào)節(jié)的目的.
3.3 輸出電壓反饋調(diào)節(jié)
誤差放大器作為電壓調(diào)節(jié)器使用,它是一個獨立的高速運算放大器,典型帶寬為1MHz,具有低阻抗輸出.誤差放大(電壓調(diào)節(jié))器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為:
HC=UO(s)/Ui(s)=[1+(R5+R7)C3s](1+R6C1s)/
R5(C1+C2)s{1+[C1C2/(C1+C2)]R6s}(1+R7C3s)
調(diào)節(jié)RP2可調(diào)節(jié)輸出電壓.補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以改善輸出的動態(tài)特性.
4 應(yīng)用示例
一半橋逆變控制電路如圖6所示.圖中U1~U4為參考正弦(調(diào)制波)發(fā)生器[3],UC3637單片構(gòu)成半橋正弦脈寬調(diào)制器.SPWM脈沖從管腳4,管腳7輸出,經(jīng)IR2110驅(qū)動半橋的上、下橋臂的功率開關(guān).
圖6 UC3637原 理 框 圖 ( 原 圖 , 未 作 標(biāo) 準(zhǔn) 化 處 理 )
5 結(jié)語
采用為數(shù)不多的集成電路,就可構(gòu)成一個完整的逆變控制電路.控制電路簡單,實用,硬件投資不高,不占用微機(jī)資源,擴(kuò)展性好(可擴(kuò)展到單相全橋及三相橋).使用證明性能穩(wěn)定,可靠.
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