基于STC89C52与IPM调压调频高压电源

邱兴阳

(湄洲湾职业技术学院 福建莆田 351254)

1 引言

随着半导体技术和变频技术的发展，越来越多的交流电源中运用先进的功率电子器件和高频逆变技术，而自关断的电力电子器件在逆变器中的应用大大提高了交流电源的性能，使传统的工频整流电源的材料减少80%～90%，节能20%～30%，动态反应速度提高2～3个数量级，因此正日益应用于工业各生产领域[1]。而在众多工业生产中，对逆变器在小型化、快速性、低噪音、抗干扰等方面都提出了新的更高的要求。逆变技术的基础与核心部件是电力电子开关器件，逆变技术的发展与电力电子器件的发展是密切相关的。IPM是一种以IGBT为主体的功率器件，将输出功率元件IGBT及其门极驱动、控制和过流、过压、过热、短路、欠压锁定等多种保护与故障检测电路集成在同一模块内的大功率器件，具有结构紧凑、性能稳定、驱动简单、体积小、重量轻和效率高的优点[2]。本文基于单片机与IPM智能功率模块研制的调压调频高压电源由于其效率高、体积小、重量轻等特点在工控、民用等领域将得到了广泛的应用。

2 系统的组成及原理

系统的结构组成方框图如图1所示。系统由单相整流滤波电路、BUCK调压电路、IPM逆变电路、励磁升压变压器、滤波电路、电压采样电路(含A/D转换电路)、单片机控制模块、光电隔离电路、电压显示电路等组成。

图1 系统的组成方框图

单相220V交流电经整流滤波后变为直流电，送至Boost调压电路(经PWM控制)后，产生电压和频率可调的直流方波电压信号，此信号作为IPM逆变电路的输入电压，通过方波脉冲控制方式(PFM控制)将直流方波电压转换为交流电，励磁升压变压器是用来升高调频逆变电路的输出电压。电压采样电路对滤波输出电压进行采样，进行A/D转换后送至单片机控制模块，单片机控制模块主要用来产生Boost调压电路的PWM信号(电压调节控制)和IPM逆变电路的PFM信号(频率调节控制)，从而控制系统的输出电压；同时单片机控制模块通过接收IPM故障输出信号，对系统电路出现的过压、过流及短路等故障进行检测和控制，若系统出现故障时，将立即封锁PWM和PFM控制信号。

3 硬件电路设计

3.1 单相整流滤波电路

单相整流滤波电路如图2所示，220V交流电经桥式整流和电容C11滤波后将交流电变为直流电，为了防止交流电源接通时对电容充电产生瞬间脉冲大电流而损坏整流桥，在整流滤波电路之间加了电阻R11用来抑流。当电容充电完成后，与电阻并联的继电器常开触点J1将闭合，电阻将被短路，系统正常工作同时减小系统的工作损耗。RS用来检测电流信号，送至单片机从而控制J1触点的动作。

图2 单相整流滤波电路

3.2 Boost调压电路

Boost调压电路如图3所示。输入端接单相整流滤波电路的输出电压U01，L21为升压电感(选择磁体较大和线圈粗的电感)，V21采用Motorola公司生产的 MTM7N45大功率场效应管，为了减小电路的损耗，应降低二极管的反向恢复电流[3]，V22采用反向恢复时间很短的MUR1520型二极管，滤波电容C21用来稳定调压电路的输出电压Uod。Boost调压电路采用PWM脉宽控制具有正向压降小、反向电流小和阻断电阻高等优点，能有效地提高转换器的效率[4]。

图3 Boost调压电路

3.3 IPM逆变电路

IPM全桥逆变电路如图4所示，在任何时刻，逆变桥同一个桥臂上、下两个开关管都不能同时导通。S1、S4和S2、S3分别组成两组电子开关，工作时这两组开关轮流导通，从而将前级的直流电UOd转换为交流电，为后级的励磁变压器提供试验电压[5]。

图4 IPM逆变电路

全桥逆变电路采用三菱公司生产的PM100CSA120智能功率模块。该IPM的最高工作电压为1200V，最大电流为100A，最高工作频率可达520kHz，其内部直接集成了高速、低功耗的IGBT芯片和优化的栅极驱动与保护电路，可以连续、自动地监测功率器件的电流，实现高速的过流保护和短路保护，同时内部还直接集成了欠压和过热保护电路[6]。该驱动电路采用了模块化设计，简化了逆变单元的设计，内部的引线电感极小，使系统更稳定。

3.4光电隔离驱动电路

PFM脉冲频率调制信号与PM100CSA120智能功率模块的连接如图5所示。

图5 IPM光电隔离驱动电路

PFM控制信号通过IR2105和光耦PC817构成光电隔离驱动电路去控制PM100CSA120智能功率模块的逆变。PM100CSA120内部含有6个IGBT单元，本系统是单相电源，因此只需采用其中的4个单元。在使用中选择U、V两相来控制输入与输出端。图5中的2、6、19脚为IPM故障输出信号(即过流、短路、欠压和过热等)，这些信号直接送至单片机，当故障发生时，单片机将显示故障标志并封锁PFM信号的输出，起到保护的作用。

3.5电压采样电路

为了使调频调压高压电源的输出电压更加稳定和调节，必须对输出电压进行闭环反馈控制，因此需对LC滤波器滤波后的交流正弦电压进行采样，电压采样电路如图6所示。A1、R41、C41构成一阶低通有源滤波器， A2、A3、R42～R46、D41、D42构成全波整流放大电路。输入信号Uf取自电源输出滤波电路，电压互感器的变比为1000∶1。Uf经有源滤波器滤波、全波整流放大后经A/D转换电路后，再送至单片机的I/O口，通过单片机来控制和调节高压电源输出电压。

图6 电压采样电路

4 软件设计

软件设计是整个系统的核心工作，它决定调频调压电源的输出特性，如电压、频率范围及稳定度，系统的动态响应速度，保护功能的完善，工作可靠性等[7]。系统首先设置STC89C52的状态控制寄存器来确定调制波的模式和输出频率，利用内部的定时器/计数器产生调压的PWM信号和调频的PFM信号，其次通过采样的反馈信号设置比较寄存器，调整电压和频率调节按键，调用中断程序，改变比较寄存器中的值，就可以改变PWM的占空比和PFM的频率，从而实现系统的调压调频功能。系统软件设计简化流程如图7所示，图中的缓启动是指启动后系统的输出电压由

低逐渐升高的过程。

图7 系统软件设计简化流程图

5 结语

本系统采用STC89C52单片机芯片和IPM智能功率模块构成调压调频高压电源，电压幅值和频率可独立调节而互不影响，具有电压调频范围宽而精确，调幅范围广而误差小的优点，该电源还具有短路、欠压、过流和过热保护等完善的保护功能，有效地保护电源的工作安全。本系统采用模块化的电路设计，具有损耗小、效率高、体积小、重量轻的优点，电路的内部引线电感极小，使得系统工作更稳定可靠，将在工控、民用等领域得到广泛的应用。

参考文献：

[1]关国辉.移相全桥软开关高频高压交流电源的设计[D].大连：大连理工大学,2007.6.

[2]邱兴阳.基于智能功率模块调压调频高压电源[J].电工电气，2011，31(9):27.

[3]曹建安，裴元庆，王兆安.Boost PFC电路中开关器件的损耗分析与计算[J].电工电能新技术，2002，21(1)：41.

[4]李爱文，张承慧.现代逆变技术及其应用[M].北京：科学出版社，2002.23.

[5]陈道炼.DC-AC逆变技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2003.42.

[6]吴为民，夏勇，许东卫，等.一种采用智能功率模块的调压调频高压电源[J].高电压技术，2000，26(2)：66.

[7]高守福，杨方.一种变压变频电源的设计[J].东北农业大学学报，2008，39(4)：25.