基于單片機(jī)與TC787芯片的三相半控整流電路設(shè)計(jì)

整流電路廣泛應(yīng)用在直流電機(jī)調(diào)速，直流穩(wěn)壓電壓等場合。而三相半控整流橋電路結(jié)構(gòu)是一種常見的整流電路，其容易控制，成本較低。本文中介紹了一種基于 PIC690單片機(jī)與專用集成觸發(fā)芯片TC787的三相半控整流電路，它結(jié)合專用集成觸發(fā)芯片和數(shù)字觸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn) ,獲得了高性能和高度對(duì)稱的觸發(fā)脈沖。它充分利用單片機(jī)內(nèi)部資源 ,集相序自適應(yīng)、系統(tǒng)參數(shù)在線調(diào)節(jié)和各種保護(hù)功能于一體,可用于對(duì)負(fù)載的恒電壓控制。主電路采用了三相半控橋結(jié)構(gòu)，直流側(cè)采用LC濾波結(jié)構(gòu)來提高輸出的電壓質(zhì)量。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)通過PIC690單片機(jī)作為主控制芯片，用晶閘管作為主要開關(guān)器件。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是保持輸出的直流電壓穩(wěn)定，輸出電壓紋波小，交流輸出測電流THD較低，性能可靠。

系統(tǒng)主要電路包括：三相橋式半控整流電路、同步信號(hào)取樣電路、單片機(jī)控制電路、晶閘管觸發(fā)電路。首先，由同步信號(hào)取樣電路得到同步信號(hào)并送集成觸發(fā)芯片TC787，經(jīng)過零檢測，再進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)以實(shí)現(xiàn)移相。單片機(jī)中的ADC負(fù)責(zé)采集直流母線電壓，根據(jù)電壓的設(shè)定值與實(shí)際值的偏差經(jīng)過PI運(yùn)算來調(diào)節(jié)給定輸出。PIC單片機(jī)將電壓的參考值輸出到TC787，由TC787實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的移相觸發(fā)，以實(shí)現(xiàn)整流調(diào)壓。硬件電路的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件整體框圖

主電路設(shè)計(jì)
主電路采用三相橋式半控整流電路，直流測采用LC濾波電流結(jié)構(gòu)，主電流原理圖如圖2所示。半控橋選擇SEMIKRON公司的SKDH146/120-L100模塊，該模塊額定電流140A，額定電壓1200V。直流側(cè)采用LC濾波電路結(jié)構(gòu)，比單獨(dú)電容濾波效果好。此外，還可以提高交流輸入側(cè)的電流THD。直流側(cè)主要的諧波含量為工頻的6倍及6的整數(shù)倍，設(shè)計(jì)LC低通濾波時(shí)要避免含量較高的諧波引起的諧振。在本設(shè)計(jì)中選取電感5mH，濾波電容480μF。

圖2 主電路結(jié)構(gòu)

從電網(wǎng)獲得的三相電壓經(jīng)同步電路整形后，送給集成觸發(fā)芯片TC787引腳18AT、引腳2 BT和引腳1CT。TC787內(nèi)部集成有3個(gè)過零和極性檢測單元、3個(gè)鋸齒波形成單元、3個(gè)比較器、1個(gè)脈沖發(fā)生器、1個(gè)抗干擾鎖定電路和1個(gè)脈沖分配及驅(qū)動(dòng)電路數(shù)字給定移相控制電壓，能進(jìn)行相序自動(dòng)識(shí)別。

控制電路設(shè)計(jì)
采用PIC16F690作為控制芯片。PIC16F690單片機(jī)內(nèi)部自帶10位AD；寬工作電壓（2.0～5.5V）；低功耗；帶有PWM輸出功能；內(nèi)部自帶晶振。用芯片內(nèi)部自帶10位AD，對(duì)采集到的直流側(cè)電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。為了降低硬件成本，直接采分壓電阻代替電壓傳感器來采集直流側(cè)電壓，分壓電阻上的電壓經(jīng)過兩個(gè)反向比例電路到單片機(jī)。單片機(jī)的模擬地和信號(hào)地直接相連（也可以通過磁珠相連，以減小干擾）。PIC16F690單片機(jī)通過一個(gè)IO口使能或禁止芯片TC787的輸出，如圖3所示。當(dāng)PIC單片機(jī)的I/O口RC3輸出高電平（+5V）時(shí)，Lock口為低電平；當(dāng)單片機(jī)I/O口RC3輸出低電平時(shí)，Lock為高電平（+15V）。選用一個(gè)IO口作為TC787參考電壓的給定信號(hào)，采用PWM脈沖方式，調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓， PWM波經(jīng)過一個(gè)RC低通濾波器后為一個(gè)近似直流信號(hào)，用這個(gè)信號(hào)作為參考電壓給定Uref，其范圍為0～5V。由于芯片TC787所需的給定輸入范圍為0-15V，所以PWM波要經(jīng)過一個(gè)光耦進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

圖3 控制電路硬件結(jié)構(gòu)

電網(wǎng)電壓經(jīng)過同步變壓器輸入到TC787，TC787的6腳輸出高時(shí)雙脈沖或低時(shí)單寬脈沖。12、11、10引腳分別為A、B、C的觸發(fā)輸出端，經(jīng)過脈沖變壓器輸出到晶閘管。

觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
觸發(fā)芯片選擇高性能晶閘管三相移相觸發(fā)集成電路TC787。TC787可單電源工作，亦可雙電源工作，主要適用于三相晶閘管移相觸發(fā)和三相功率晶體管脈寬調(diào)制電路，以構(gòu)成多種交流調(diào)速和變流裝置。TC787的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 TC787芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在本設(shè)計(jì)中，TC787采用15V供電，引腳4(Vr)：移相控制電壓輸入端。該端輸入電壓的高低直接決定著TC787/TC788輸出脈沖的移相范圍，應(yīng)用中接給定環(huán)節(jié)輸出。引腳5(Pi)：輸出脈沖禁止端。該端用來進(jìn)行故障狀態(tài)下封鎖TC787/TC788的輸出，高電平有效，應(yīng)用中，接保護(hù)電路的輸出。同步電壓輸入端：引腳1(Vc)、引腳2(Vb)及引腳18(Va)為三相同步輸入電壓連接端。應(yīng)用中，分別接輸入濾波后的同步電壓，同步電壓的峰值應(yīng)不超過TC787/TC788的工作電源電壓VDD。

觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路主要由電網(wǎng)電壓同步電路、TC787集成觸發(fā)電路和脈沖放大隔離驅(qū)動(dòng)電路組成。圖5中給出了同步電路和TC787的外圍電路。其前半部分為電壓同步電路，采用這種設(shè)計(jì)方法需要加較多輔助元件。而對(duì)RP1～RP3三個(gè)電位器進(jìn)行不同調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)0～ 60°的移相，從而適應(yīng)不同主變壓器連接的需要。圖5中，直接將同步變壓器的中點(diǎn)接到(1/2)電源電壓上，使所用元件得以簡化。TC787的引腳4輸出單片機(jī)的給定電壓（0～+15V），引腳6為觸發(fā)脈沖封鎖引腳。引腳10～12為觸發(fā)脈沖輸出引腳，分別接到C、B、A相的隔離放到電路。

圖5 同步電路與脈沖發(fā)生電路結(jié)構(gòu)圖

圖6 電壓檢測電路

電壓檢測電路設(shè)計(jì)
為了降低硬件成本，設(shè)計(jì)直流母線電壓檢測電路時(shí)采用了分壓電阻的方法，而沒有采用電壓傳感器。采用這種分壓電阻的方法結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)試。電路如圖6所示。通過分壓電阻得到的電壓為直流母線電壓的1/31，該電壓通過兩個(gè)反向比例放大電路輸入到PIC單片機(jī)的AD1輸入口中，再通過PIC單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換處理為數(shù)字量。