1  引言

    由于PWM控制技術具有可以同時實現變頻、變壓、抑制諧波的特點,所以一直是變頻領域中的核心技術,其應用相當廣泛.最常用、最流行的SPWM技術在 CVCF電源中始終占主導地位.其基本實現方法一類是采用模擬集成電路完成正弦調制波與三角波載波的比較,產生SPWM信號;另一類是采用數字方法.隨著 應用的深入和集成技術的發展,已商品化的專用集成電路(ASIC)和專用單片機(8X196/MC/MD/MH)以及DSP,可以使控制電路結構簡化,集 成度高.由于數字法一般價格比較高,需要專用開發裝置,交叉匯編,軟件設計復雜,調試工作量大,這對于一些對生產成本比較敏感的產品和中小容量的變頻器也 是一種浪費.

    本文對選用UC3637雙PWM控制芯片設計變頻電源控制電路的方法進行了介紹,其硬件結構既不復雜,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用于逆變控制電路.該芯片是UNITRODE公司生產的用于直流電動機控制的雙PWM控制器[1],具有其它PWM控制器不可多得的優點.

    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;
    ——內藏線性良好的恒幅三角波振蕩器;
    ——欠壓封鎖;
    ——有溫度補償,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],并且是雙沿調制,動態響應比 沿調制快.UC3637最具特色的是三角波振蕩器,三角波產生電路如圖2所示.

圖1  UC3637原理框圖(原圖,未作標準化處理)

圖2  恒 幅 三 角 波 產 生 電 路 ( 原 圖 , 未 做 標 準 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峰值的轉折(閾值)電壓.CT和RT為定時電容和定時電阻.+VTH還通過內部緩沖電路與RT共同作用產生CT的恒值充電電流Is.CP,CN構成窗口比較器,當CT以恒流Is線性充電到VCT=+VTH時,CP翻轉,觸發器S端置1,Q為高電平,S1關斷;同時S2接通,CT以Is線性放電,到VCT=-VTH時,CN翻轉觸發器R端復位,Q為高電平,S2關斷,S1接通;則三角波新的一周開始.RT設置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,三角波的正負斜率對稱,線性優良,調節頻率時三角波為恒幅.
3  設計要點
    在了解了UC3637的特點,電路組成和基本功能之后,即可具體設計逆變控制電路了.以下僅介紹幾個關鍵電路單元的設計方法.
    3.1  死區時間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.功率開關管的開通和關斷都需要時間,所以上下橋臂之間必須留有適當的死區時間,這關系到逆變主電路的安全.UC3637的死區設置是相當靈活的,可以在很寬的范圍內調整.
    圖3(a)為死區時間示意圖,圖3(b)為外圍元件的連接電路.經過推導和合理的近似,各參數之間有如下關系:

(a)  死區時間示意圖    

(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)
    在逆變控制設計中,有些參數是可以首先確定下來的.例如開關頻率fs,橋臂的死區時間td(根據開關器件的開關特性),三角波的峰值轉折電壓+VTH和-VTH等.±VTH的范圍應限制在±Vs2V之間.實際的±VTH可根據調制波的最大可能值而定,調制波的最大可能值可依據PID的供電狀況及動態范圍確定.調制波的幅值確定之后,隨之可定±VTH.再依據上述各關系式,不難解出其它各參數.若對于一個逆變系統要求:Vs=±15V,td=3μs,fs=30kHz,正弦波調制信號的最大可能值Vsm=4V.
    取±VTH=±4V,根據以上各式可算得CT=1.04×10-9F(取CT=1000pF),RT=38kΩ(取RT=39kΩ),VR=1.44V.當調制正弦波為零時,VR/R4≈(Vs-VR)/R3,取R4=5kΩ,則R3=47kΩ.理論計算的數值在應用中還需進行適當的修正.
    3.2  頻率調節控制
    作為逆變電源還要求輸出頻率fo在一定的范圍內連續可調.比如fo=400Hz的電源在±30Hz范圍內可調.如上所述,UC3637三角波振蕩頻率由±VTH,CT,RT決定,當±VTH確定之后,一般不再作為可調量(因為三角波作載波應當恒幅),則調節RT比較容易實現,電路如圖4所示.

圖4  逆 變 器 變 頻 調 節

圖5  輸 出 電 路 調 節 電 路
    A1、A2為跟隨器,調節RP1即可改變輸出端VF的電位,使RT兩端電壓發生變化,隨之使由RT設定的CT充電電流Is變化,從而調節了三角波頻率fs.將三角波整形后作為正弦波(調制波)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,從而實現同步調節的目的.
    3.3  輸出電壓反饋調節
    誤差放大器作為電壓調節器使用,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(電壓調節)器的補償網絡傳遞函數為:
      HC=UO(s)/Ui(s)=[1+(R5+R7)C3s](1+R6C1s)/
      R5(C1+C2)s{1+[C1C2/(C1+C2)]R6s}(1+R7C3s)
    調節RP2可調節輸出電壓.補償網絡可以改善輸出的動態特性.
4  應用示例
    一半橋逆變控制電路如圖6所示.圖中U1~U4為參考正弦(調制波)發生器[3],UC3637單片構成半橋正弦脈寬調制器.SPWM脈沖從管腳4,管腳7輸出,經IR2110驅動半橋的上、下橋臂的功率開關.

圖6  UC3637原 理 框 圖 ( 原 圖 , 未 作 標 準 化 處 理 )
5  結語
    采用為數不多的集成電路,就可構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,不占用微機資源,擴展性好(可擴展到單相全橋及三相橋).使用證明性能穩定,可靠.

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