UC3637雙PWM控制器在逆變控制電路中的應(yīng)用 ZT
UC3637雙PWM控制器在逆變控制電路中的應(yīng)用
張成勝,吳勝華,向龍,吳保芳
(空軍雷達(dá)學(xué)院,湖北武漢430019)
摘要:詳細(xì)介紹了UC3637的特點(diǎn),工作原理,將其應(yīng)用于逆變控制電路中的有關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì).最后給出了應(yīng)用示例.應(yīng)用表明這種控制電路具有簡單,實(shí)用,可擴(kuò)展性好,性能穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn).
關(guān)鍵詞:雙脈寬調(diào)制;控制電路;逆變器
Application of Dual PWM Controller UC3637 in Inverter control Circuit
ZHANG Cheng-sheng, WU Sheng-hua, XIANG Long, WU Bao-fang
Abstract:The feature and operation principle of UC3637 are described. Its application in the design of parameters of inverter-control circuit is introduced. An example of the application is given which indicates that this type of circuit possesses the advantages of simplicity, expansibility and stableness.
Keywords:Dual pulse width modulation; Control circuit; Inverter  
中圖分類號:TN86文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:0219-2713(2002)1·2-0009-04
1  引言
    由于PWM控制技術(shù)具有可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻、變壓、抑制諧波的特點(diǎn),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(shí)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(jià)格比較高,需要專用開發(fā)裝置,交叉匯編,軟件設(shè)計(jì)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(fèi).
    本文對選用UC3637雙PWM控制芯片設(shè)計(jì)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(diǎn)
    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(diǎn).
2.1  電路特點(diǎn)
    UC3637電路特點(diǎn)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(gè)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(gè)三角波振蕩器,誤差放大器,兩個(gè)PWM比較器,輸出控制門,逐個(gè)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(gè)PWM比較器的輸入端全部引到片外,誤差放大器的3個(gè) 端 (2個(gè) 輸 入 、1個(gè) 輸 出 ) 也 是 如 此 , 這 為 靈 活 地 設(shè) 計(jì) 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(shí) , 輸 出 波 形 會 有ωs±ω0、2ωs等 諧 波 , 而 載 波 為 三 角 波 時(shí) 則 不 存 在 這 些 諧 波[2], 并 且 是 雙 沿 調(diào) 制 , 動 態(tài) 響 應(yīng) 比 單 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(diǎn)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(shí)電容和定時(shí)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(shí),CP翻轉(zhuǎn),觸發(fā)器S端置1,Q為高電平,S1關(guān)斷;同時(shí)S2接通,CT以Is線性放電,到VCT=-VTH時(shí),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(shí)三角波為恒幅.
3  設(shè)計(jì)要點(diǎn)
    在了解了UC3637的特點(diǎn),電路組成和基本功能之后,即可具體設(shè)計(jì)逆變控制電路了.以下僅介紹幾個(gè)關(guān)鍵電路單元的設(shè)計(jì)方法.
3.1  死區(qū)時(shí)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(shí)間,所以上下橋臂之間必須留有適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí),VR/R4≈(Vs-VR)/R3,取R4=5kΩ,則R3=47kΩ.理論計(jì)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?yàn)槿遣ㄗ鬏d波應(yīng)當(dāng)恒幅),則調(diào)節(jié)RT比較容易實(shí)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(shí)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(shí)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(gè)獨(dú)立的高速運(yùn)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(gè)完整的逆變控制電路.控制電路簡單,實(shí)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.
參考文獻(xiàn)
[1]UNITRODEINTEGRATEDCIRCUITS.
[2]王兆安(譯).電力半導(dǎo)體變流電路[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1993.
[3]吳保芳.一種高性能的正弦脈寬調(diào)制器[J].電氣傳動,1999,29(4):60~63.
[4]吳保芳.一種新型三相SPWM變頻電源控制電路[J].電氣自動化,1998,20(1):34~37.
作者簡介
張成勝(1978-),男,碩士生,電力電子與電力傳動專業(yè).
吳勝華(1974-),男,碩士生,電力電子與電力傳動專業(yè).
向龍(1978-),男,碩士生,電力電子與電力傳動專業(yè).
吳保芳(1946-),男,教授,主要從事電力電子技術(shù)的教學(xué)和科研工作.

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