基于EG8030的矿用移动式三相逆变电源设计

刘江文++梁纯++陈晓曦

摘 要：在不改变原先用电设备的情况下，解决煤矿井下的临时用电问题，需要设计一种矿用三相移动式逆变电源来实现。文章介绍一种逆变电源，由大容量锂电池组提供直流输入，智能功率模块IPM内含逆变主电路和驱动及保护电路，EG8030作为逆变控制芯片实现SPWM波输出，检测电路采集电池电压和逆变电压信号，单片机实现逆变器的启停和三相SPWM调制深度控制。

关键词：矿用；三相逆变；SPWM

中图分类号：TM464 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0102-03

1 概述

煤矿井下施工过程中，经常需要进行设备的拆装、搬运、检修、维护，需要临时用电。然而，煤矿井下的供电通常是由井下中央变电所通过敷设输电线路供给电能的方式实现，这种供电方式只适用于设施固定、长期运行的场所。因此，煤矿井下迫切需要一种无需敷设供电线路的移动逆变电源，能够满足临时工作场所的照明和电动工具的使用。本文设计了一款矿用移动式三相逆变电源，可以提供容量2KVA的三相交流50Hz、127V电源，能够应用于井下部分区域的照明和煤电钻用电，为井下施工及意外事故提供临时用电，弥补了当前井下集中供电方式的输电线路长、安装周期长等不足。

2 系统方案设计

矿用移动式三相逆变电源的电路构成如图1所示，由大容量锂电池模块组、三相逆变主电路、逆变控制电路、人机界面和电池电压检测、交流输出检测电路组成。

锂电池选用磷酸铁锂电池模块，标称电压48V，标称容量100Ah。5组电池组模块串联连接，锂电池组总输出直流电压为240V，作为三相逆变主电路的输入。

逆变主电路使用智能功率模块IPM，选用FUJI electric的IGBT-IPM模块6MBP30RH060，这款IPM模块内部集成6组绝缘栅双极型晶体管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor）及其驱动电路，额定电流30A，耐压600V，内部集成了过电流保护（OC）、短路保护（SC）、控制电源欠压保护（UV）、过热保护（管壳过热TcOH、芯片过热TjOH）等保护电路，且可通过向IPM相连的MCU输出报警信号（ALM），确保系统停止工作。

逆变控制电路采用低功耗单片机作为控制核心，检测锂电池组电压和三相逆变主电路输出的电压、电流，运行PID调节算法程序，控制三相纯正弦波逆变器专用芯片EG8030的输出SPWM，对三相逆变主电路的逆变过程实施控制，得到符合要求的三相交流电。

3 EG8030的特性

3.1 EG8030性能特点

EG8030 是一款功能完善的自带死区控制的三相纯正弦波逆变发生器芯片，采用CMOS 工艺，+5V单电源供电，外接16MHz晶体振荡器，可选四种载波频率，能产生高精度、失真和谐波都很小的三相SPWM信号。芯片具备完善的采样机构，能够采集电流信号、温度信号、三相电压信号，可实现输出稳压，还具有死区时间控制、软启动、相序反转、相序清零等功能以及过压、欠压、过流、短路、过热等保护功能。

3.2 EG8030的引脚功能

引脚如图2所示：

3.3 EG8030的工作模式

EG8030具有四种工作模式：分别是三相同步开环调压模式、三相同步闭环稳压模式、三相独立开环调压模式和三相独立闭环稳压模式。其中三相独立闭环稳压模式是EG8030的一种测试模式。

三相同步开环调压模式是EG8030最简单的一个工作模式。只需提供一个比较稳定的高压直流电源和一个三相输出滤波器，即可调节VOLADJ 脚上的电压使输出电压达到目标值。

三相同步闭环稳压模式是EG8030的推荐应用模式，适用于对输出电压有精度要求的场合。在这种工作模式下，芯片采样AVFB、BVFB、CVFB脚上的反馈信号并取平均值得到当前三相的平均反馈电压，再经过内部PI调节器运算得到三相SPWM的调制深度MA、MB、MC，且MA=MB=MC，同步调节三相输出。

三相独立开环调压模式EG8030的另外一种开环工作模式。用户通过调节AVFB、BVFB、CVFB脚上的电压独立控制三相SPWM的调制深度MA、MB、MC。

4 移动式三相逆变电源的电路设计

4.1 逆变主电路

逆变主电路选用的6MBP30RH060型IGBT-IPM智能功率模块，内部集成6组IGBT器件及其驱动电路，内部结构如图3所示。直流输入端口与锂电池模块组连接，上桥臂驱动电路电源为三组独立的+15V DC隔离电源，下桥臂驱动电路共用一组+15V DC隔离电源；上、下桥臂PWM输入端与逆变控制电路的6路SPWM脉冲信号接入；报警输出端口经光电隔离后与逆变控制电路的通用输入/输出接口相连。

4.2 逆变控制电路

本设计中，采用EG8030的三相同步开环调压模式，由单片机通过D/A输出，控制调制深度控制引脚（Pin8：VOLADJ），D/A输出的0～5V直流电压线性对应着0～100%的SPWM波的调制深度，调制深度的数值大小影响着逆变器的交流输出电压。如式（1）所示：m代表调制深度，VACRMS代表逆变器输出交流电压的有效值，VDC代表电池组的直流电压。

单片机采用NXP公司的P89V51RD2，运行速度达36MHz，支持12时钟或6时钟模式，片上集成1kB SRAM和64kBFlashROM，拥有4个8位并行通用输入输出口、3个16位定时计数器。该款单片机无模拟量输入输出功能，本设计通过I2C总线外接扩展芯片PCF8591。PCF8591是一款8位A/D和D/A转换芯片，采用2.5V～6V单电源供电，采样速率取决于I2C总线的传输速率，支持最多4路A/D通道和1路D/A通道，模拟输入可配置成4路单端输入、3路关联的差分输入、2路单端和1路差分输入、2路差分输入等四种模式。

P89V51RD2检测锂电池组直流电压，逆变器输出的交流电流、电压，运行PID算法程序，根据结果调节D/A输出电压，从而改变SPWM波调制深度，得到稳定的逆变三相交流电输出。

4.3 光电隔离与驱动电路

EG8030的SPWM脉冲输出为推挽式输出端口，其灌电流能力达20mA，拉电流能力仅为5mA。接线时将SPWM脉冲输出引脚与光电耦合器一次侧发光二极管的阴极相连，SPWM脉冲电流由电源流出经发光二极管灌入EG8030。光电耦合器的输入侧提供的正向电流If足够大，降低了光电耦合器输出侧出现误动作的可能性。

5 逆变器软件设计

主程序流程图如图5所示。

本设计的SPWM脉冲序列由专用三相逆变控制芯片EG8030自主生成的，单片机无需参与。逆变控制电路中单片机的主要任务是实时检测锂电池组电压、逆变主电路输出的交流电流和电压，动态计算调制深度参数，进而设定EG8030的运行特征数据，维持和保障整个三相逆变器的正常工作。

6 结束语

按照上述方案设计的三相逆变电源，集成化程度高、电路简单、运行稳定可靠，与当前IGBT+驱动电路+数字信号处理器DSP的逆变器设计相比较，硬件电路和软件编程得以大大简化。该逆变器作为井下临时施工的便携电源、应急场合的备用电源进行了测试并取得良好效果。

参考文献：

[1]吴海东，任晓明，蒲强，等.基于SPWM控制的三相逆变器电路设计[J].电器与能效管理技术，2015（8）：43-45.

[2]周志敏，周纪海，纪爱华.逆变电源实用技术[M].北京：中国电力出版社，2007.

[3]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[4]富士IGBT-IPM应用手册[Z].富士电机电子设备技术株式会社，

2004，9.

[5]EG8030三相SPWM芯片数据手册（REV0.2）[Z].