單片機芯片的三相半控整流電路設計

整流電路廣泛應用在直流電機調速，直流穩(wěn)壓電壓等場合。而三相半控整流橋電路結構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單片機與專用集成觸發(fā)芯片TC787的三相半控整流電路，它結合專用集成觸發(fā)芯片和數(shù)字觸發(fā)器的優(yōu)點 ,獲得了高性能和高度對稱的觸發(fā)脈沖。它充分利用單片機內部資源 ,集相序自適應、系統(tǒng)參數(shù)在線調節(jié)和各種保護功能于一體,可用于對負載的恒電壓控制。主電路采用了三相半控橋結構，直流側采用LC濾波結構來提高輸出的電壓質量。 　　
系統(tǒng)總體設計
　　本系統(tǒng)通過PIC690單片機作為主控制芯片，用晶閘管作為主要開關器件。設計的目標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、同步信號取樣電路、單片機控制電路、晶閘管觸發(fā)電路。首先，由同步信號取樣電路得到同步信號并送集成觸發(fā)芯片TC787，經(jīng)過零檢測，再進行相應的延時以實現(xiàn)移相。單片機中的ADC負責采集直流母線電壓，根據(jù)電壓的設定值與實際值的偏差經(jīng)過PI運算來調節(jié)給定輸出。PIC單片機將電壓的參考值輸出到TC787，由TC787實現(xiàn)對晶閘管的移相觸發(fā)，以實現(xiàn)整流調壓。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
　　
主電路設計
　　主電路采用三相橋式半控整流電路，直流測采用LC濾波電流結構，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。直流側采用LC濾波電路結構，比單獨電容濾波效果好。此外，還可以提高交流輸入側的電流THD。直流側主要的諧波含量為工頻的6倍及6的整數(shù)倍，設計LC低通濾波時要避免含量較高的諧波引起的諧振。在本設計中選取電感5mH，濾波電容480μF。

圖2 主電路結構
　　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內部集成有3個過零和極性檢測單元、3個鋸齒波形成單元、3個比較器、1個脈沖發(fā)生器、1個抗干擾鎖定電路和1個脈沖分配及驅動電路數(shù)字給定移相控制電壓，能進行相序自動識別。
控制電路設計
　　采用PIC16F690作為控制芯片。PIC16F690單片機內部自帶10位AD；寬工作電壓（2.0～5.5V）；低功耗；帶有PWM輸出功能；內部自帶晶振。用芯片內部自帶10位AD，對采集到的直流側電壓進行AD轉換。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電壓，分壓電阻上的電壓經(jīng)過兩個反向比例電路到單片機。單片機的模擬地和信號地直接相連（也可以通過磁珠相連，以減小干擾）。PIC16F690單片機通過一個IO口使能或禁止芯片TC787的輸出，如圖3所示。當PIC單片機的I/O口RC3輸出高電平（+5V）時，Lock口為低電平；當單片機I/O口RC3輸出低電平時，Lock為高電平（+15V）。選用一個IO口作為TC787參考電壓的給定信號，采用PWM脈沖方式，調節(jié)占空比來調節(jié)輸出電壓， PWM波經(jīng)過一個RC低通濾波器后為一個近似直流信號，用這個信號作為參考電壓給定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)過一個光耦進行電平轉換，如圖3所示。

圖3 控制電路硬件結構
　　電網(wǎng)電壓經(jīng)過同步變壓器輸入到TC787，TC787的6腳輸出高時雙脈沖或低時單寬脈沖。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。