车载逆变电源控制电路的研究

易映萍，王晓丽，唐志俊，姚为正

（1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

地铁列车在运行时为了保证安全性，其窗门都需要处于密闭状态。若列车因发生电力故障而停留在隧道中，则空调和排风设备将停止运行，如此则会严重影响乘客的生命安全。此时需要应急车载逆变电源为通风设备提供电力供应，使其继续正常工作，确保乘客生命安全。本文设计的车载逆变电源能够在列车发生故障时为排风设备及时提供电力供应[1]。

1 车载逆变电源的电路结构

如图1所示为车载逆变电源拓扑结构，该逆变电源主要由升压电路、逆变电路和滤波电路构成。其输入为蓄电池提供的直流110 V，经Boost升压后直流电压稳定在400 V，再由单片机87C196MH输出六路互补SPWM信号为IPM提供驱动脉冲，将400 V直流电源逆变为三相230 V、50 Hz的交流电源，实现为机车电力设备供电。

2 控制电路工作原理

如图2所示为电源控制电路结构，车载逆变电源主控芯片为Intel单片机87C196MH，其片内六路PWM发生器适合应用于电机控制和变频器控制等场合[2]。在主控电路中，单片机除了输出六路互补SPWM为IPM提供驱动脉冲外，还具有输入电压过欠压保护、输入过流保护和输出电压缺相保护等功能。

图1 车载逆变电源拓扑结构

图2 主控电路结构

当单片机上电启动后首先经历一个软启动过程，该过程中单片机主要完成检测输入电压过欠压、输入电流过流和IPM电流过流故障。若无故障，则单片机根据输出电压反馈值调整SPWM的载波频率和调制比，使输出电压稳定在线电压230 V 50 Hz。

当输出电压稳定后，单片机启动缺相保护，检测输出电压是否跌落。如果发生缺相故障，单片机将停止输出驱动脉冲，并且点亮软件故障指示灯。同时，当逆变电路正常工作的同时，单片机继续实时检测其他故障情况，一旦发生故障将停止输出SPWM信号并点亮故障指示灯，进入软件保护状态。这样保证了逆变电源工作在安全状态。

3 车载逆变电源控制系统设计

3.1 单片机控制系统设计

如图3所示为车载逆变电源控制系统原理图，单片机通过地址总线和数据总线分别控制片外EPROM和锁存器，其中8位数据总线和14位地址总线的低8位分时复用。EPROM存放单片机程序，当单片机上电后将运行EPROM中的程序[3]。锁存器起到数据暂存作用，当读取EPROM某个地址中的程序时，先由单片机对EPROM进行地址操作，然后通过锁存器暂存地址总线的低8位，此时它们作为8位数据总线将选定地址中的程序送入单片机去执行。

图3 控制系统原理图

在控制系统中，单片机第46～48引脚对输出三相电压进行采样，第40引脚为外部参考电压输入，第62引脚为故障信号输入，第30～35引脚为PWM输出，第12～16引脚为高6位地址总线，第17～24引脚为低8位地址总线和8位数据总线的复用总线。

单片机对输出电压进行采样，并且实时监控各个故障信号。同时根据输出电压的反馈量调整SPWM的调制比，从而调节输出电压有效值。

3.2 驱动电路设计

如图4所示为驱动电路，该电路的作用就是把单片机输出的SPWM驱动信号经过光耦隔离并适当放大，然后送到IPM模块的相应管脚，再去控制IPM内部IGBT的开通和关断。光耦主要用来实现主电路和控制电路之间的信号连接，满足主电路和控制电路之间的电气隔离。本设计中选用HP公司的光耦HCPL-4503。该芯片有效地起到信号隔离和电压放大作用，完成驱动IPM的目的。

3.3 输出电压检测电路设计

如图5所示为输出电压检测电路，主控电路需要检测输出电压作为反馈量，根据其调节输出电压有效值。

本文采用电流型电压互感器，互感器副级电压通过二极管整流、电容滤波和齐纳二极管保护后，由单片机片内AD对其进行采样。将采样值与给定值进行比较，对误差量做PI调节，使输出电压稳定在给定值附近。

3.4 保护电路设计

（1）故障指示电路

如图6所示为故障指示电路，其中U204A～U204D为74LS00内部四路与非门。U204B和U204C构成一个RS触发器，其中引脚9为S引脚10为R。

图6 软件保护电路

单片机初始化时，由CPU-64输出高电平，则U204B引脚5为低电平，因此U204B输出高电平。同时U204C输入引脚10初始为高电平，从而其输出低电平。所以U204D输出高电平，使硬件故障指示灯LD201熄灭，表明无硬件故障。

该电路中U204C输入引脚10为硬件故障信号输入脚，当发生硬件故障时该引脚上电平为低电平，最终导致硬件故障指示灯点亮，同时向CPU-62输出高电平，单片机响应故障报警立即停止输出SPWM驱动波形。

（2）输入过流保护

如图7所示为输入过流保护电路，当发生过流故障时比较器输出低电平信号，该信号送至故障指示电路的RS触发器，使故障指示灯点亮，单片机停止输出SPWM信号。

（3）IPM过流保护电路

图7 输入过流保护电路

图8 IPM过流保护电路

如图8所示为IPM过流保护电路，本文所采用的IPM模块为IM14400，模块自带电流检测功能[4]。电流信号经光耦送至比较器负向输入端。当IPM过流时，将输出低电平信号给光耦，此时比较器输出低电平信号，令RS触发器复位点亮故障指示灯,单片机停止输出SPWM信号。

（4）输入欠压保护电路

如图9所示为输入欠压保护电路，P2-1引脚1为高电平，当发生输入欠压故障时，P2-1引脚2为低电平，经光耦向CPU-54传递一个低电平信号。触发欠压保护后单片机停止输出SPWM信号，并点亮故障指示灯。

图9 输入欠压保护电路

4 实验结果分析

为了验证本系统控制策略的正确性，对本文所研制的车载逆变电源进行了实验测试。车载逆变电源带阻性负载，实验样机输入电压90～120 VDC；输出电压稳定在50 Hz的三相230 V；开关频率3 kHz；最小输出功率为880 W；输入额定功率为1000 W。如图10所示为IPM上下桥臂驱动信号波形。由于单片机输出的SPWM信号经光耦后反相，因此单片机输出的两路互补SPWM信号同为高电平时为死区时间。由图10可见，死区时间为15 μs，与程序中设定相符，能够有效地防止上下桥臂直通。

图11 主控电路输入和输出电压波形

如图11所示为Boost升压后波形和输出电压波形。实验中采用了1∶1000高压差分探头，其中CH2为Boost升压后的直流电压波形，CH1为输出电压波形。由图11可见输出电压频率为49.70 Hz、有效值为229 V。当负载阻抗变化时，逆变电源的输出电压都能有效地稳定在交流230 V50 Hz，且谐波含量较小。

5 结论

本文利用Intel高性能单片机87C196MH设计了一套符合地铁列车应急需求的车载逆变电源，采用IPM模块有效减小了系统体积。使用单片机波形发生单元输出六路SPWM作为IPM的驱动信号，提高了系统的性能。并通过硬件和软件实时检测电压和电流，保证逆变电源安全工作。经实验验证，该系统控制方案简单、高效、可靠，具有良好的应用价值。

[1]曲泰元，邱瑞昌.5KVA机车空调电源的设计与研究[J].测试技术，2007，10：12-15.

[2]陈丹，吴胜华，曹立威，等.80C196MC单片机波形发生器原理及其在逆变电源中的应用[J].电子技术应用，2002，5：2-26.

[3]张红莲.基于80C196MC的逆变电源设计[J].逆变电源，2008，8：54-56.

[4]李健鸣，贺文.110V IPM高频开关电源的研制[J].机车电传动，1999，10：8-10.