中心議題：

• TMS320LF2407的結構特點
• 系統結構
• 工作原理

1  引言

隨著工業和科學技術的發展，用戶對電能質量的要求越來越高。包括市電在內的所有原始電能可能滿足不了用戶的要求，必須經過處理后才能使用，逆變技術在這種處理中起到了重要的作用。傳統的逆變技術多為模擬控制或模擬與數字相結合的控制系統，其缺點為

1）控制電路的元器件比較多，體積龐大，結構復雜；

2）靈活性不夠，硬件電路一旦設計完成，控制策略就不能改變；

3）調試比較麻煩，由于元器件特性的差異，致使電源一致性差，且模擬器件的工作點漂移，會導致系統參數的漂移，從而給調試帶來不便。

因此，傳統的逆變器在許多場合已不適應新的要求。

隨著高速、廉價的數字信號處理器（DSP——Digital Signal Processor）的問世，于是便出現了數字電源（DPS—— Digital Power Supply）。其優點有

1）數字化更容易實現數字芯片的處理和控制，避免模擬信號傳遞的畸變、失真，減少雜散信號的干擾；

2）便于系統調試；

3）如果將網絡通迅和電源軟件調試技術相結合，可實現遠程遙感、遙測、遙調。

這些使得逆變電源數字化控制成為今后的發展趨勢。

本文采用TI公司專門為電機及電力電子領域設計的TMS320LF2407型DSP作為控制器，介紹數字化周波逆變器的硬件設計和軟件設計。

2  TMS320LF2407的結構特點

TMS320LF2407具有高速信號處理和數字化控制功能所必需的結構特點。將其優化的外設單元和高性能的DSP內核相結合，可以為各種類型電機提供高速和全變速的先進控制技術。其主要特點為

1）其系統運行主頻達30MHz，使得指令周期縮短到33ns，絕大部份指令均可在單周期內完成，提高了控制器的實時能力。

2）2個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括2個16位通用定時器；8個16位的脈寬調制（PWM）通道。它們能夠實現三相反相器控制；PWM的對稱和非對稱波形；當外部引腳PDPINTx出現低電平時快速關閉PWM通道；可編程的PWM死區控制以防止上下橋臂同時輸入觸發脈沖；16 通道A/D轉換器等功能。事件管理模塊適用于控制交流感應電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、步進電機、多級電機和逆變器。

3）10位A/D轉換器最小轉換時間為500ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發兩個8通道輸入A/D轉換器或一個16通道輸入的A/D轉換器。

4）高達40個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳(GPIO)。

3  系統結構

本系統由主電路和控制電路兩部分組成，如圖1所示。主電路部分，采用移相式零電壓、零電流（PS－ZVZCS）全橋變換器和相控周波變換器 PCCYC（Phase ControlLED Cycle Converter）。跟其它變換器相比，相控周波變換器始終都可以工作在第一、三象限，與移相技術相結合，可以極大地提高高頻變壓器的工作效率。同時，采用高頻環進行逆變，因而無須采用工頻變壓器，使體積減小。全橋變換器部分，利用可飽和電感Lr和隔直電容Cr實現對環流的阻斷，可以在很寬的負載范圍內實現超前橋臂的ZVS和滯后橋臂的ZCS，減小了開關應力，降低了損耗，提高了工作效率。Lr和Cr的選擇可參考文獻[4]。控制部分，采用快速、高效的 DSP作為核心控制器，通過光耦隔離，并有IGBT自保護的專門驅動芯片EXB841來驅動主電路中的功率開關管。與采樣電路，保護電路配合，可對輸出實行實時控制，具有較快的動態響應速度和良好的輸出特性。

系統結構圖
                                        
                                                                                     圖1  系統結構圖
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4  工作原理

Q1～Q4構成全橋，Q5、Q6組成周波變換器。開關管的驅動波形如圖2所示。

開關管的驅動波形
                                 
                                                                       圖2  開關管的驅動波形

整個工作過程可分為4個階段，下面分別說明。

第一階段  Q1、Q4導通

當Q1、Q4（有相位差）導通，并讓Q5提前導通，直流側的能量便可傳輸到輸出端。此時諧振電感儲能，Q5軟開通，減少了開關損耗。如圖2中 ug5所示。

第二階段  諧振

由于電路隔直電容和諧振電感（包括變壓器中漏感）諧振，電感在第一階段所保存的能量得以釋放。當諧振電流到零時，關斷Q1。此階段Q2、Q4導通，Q5延遲一段時間再關斷。如圖2中ug5所示。

第三階段  Q2，Q3導通

在此階段，使Q6在Q2，Q3導通前提前導通。當Q2，Q3（Q1，Q2之間有死區）導通時，直流側的能量便可傳遞到輸出端，此時Q6為軟開通。如圖2中ug6所示。

第四階段  諧振

工作原理同第二階段類似，此時電流方向與第二階段相反，當電感上的能量釋放完畢，關斷Q6。此時一個周期便結束，開始下一個周期。

從圖1可以看出，無論變壓器副邊電壓極性如何，若Q5導通、Q6關斷，則輸出端OUT1為正，OUT2為負；若Q6導通，而Q5關斷，則 OUT2為正，而OUT1為負。所以，控制Q5，Q6的導通順序，即可控制輸出端的極性，并可獲得多種波形，例如交流、脈沖等波形均可實現。如要輸出正弦波的正半周時，PULS1控制Q1，Q4，PULS2控制Q2，Q3，并同時讓Q5，Q6相應地提前導通，便可輸出正弦波的正半周，如圖3所示。

輸出正弦波的正半周

                                                   
                                                                                 （a）  驅動波形

輸出正弦波的正半周
                                                        
                                                                                     （b） 輸出波形

                                                                              圖3  輸出正弦波的正半周