0 引言

    隨著經濟的發展，社會對供電的依賴越來越大，尤其是一些重要的公共建筑，一旦中斷供電，將造成重大的社會影響和經濟損失。因此，應急電源作為獨立于電網之外的備用電源，被廣泛應用于各種建筑工程之中^[1-3]，如火災應急照明、隧道應急照明和監控等，其作用是在事故發生的情況下確保提供所需的應急電力，為人們生產和生活安全提供保障。

    應急電源是與電網在電氣上獨立的各種電源，目前應用較多的是柴油發電機和蓄電池。其中蓄電池有允許短時電源中斷的應急電源裝置(Emergency  Power Supply，EPS)和不間斷電源裝置(Uninterrup- table Power Supply，UPS)兩種。

    與柴油發電機和UPS相比，EPS具有管理智能化、使用壽命長、過載能力強、保護功能完善、無排氣、無噪聲等優勢^[1]。隨著數字信號處理器(DSP)、高速單片機和智能功率模塊(IPM)的出現，EPS的數字控制技術也得以成為現實^[2]。本文基于DSP2812設計了一個3.6 kW的應急照明電源，詳細介紹了系統核心軟硬件的設計，測試效果良好。

1 系統總體結構設計

    本文設計的應急電源是單相型的，逆變器輸出的是單相交流電，中心控制處理電路是以DSP2812^[6]為核心的控制系統，系統結構如圖1所示。

    DSP2812是美國TI公司推出的定點32位DSP芯片，其內部集成有PWM模塊，適合用于電力電子、工業控制、電機控制等，用途廣泛。DSP2812較低的供電電壓大大地降低了系統功耗，給電源設計帶來更高的可靠性^[3]。

    系統包括充電器、逆變器、切換開關、檢測電路、蓄電池、觸摸屏顯示監控和主控制板等。其中逆變器和充電器是整個系統的核心。充電器的作用在蓄電池欠壓時恢復蓄電池的容量，逆變器的功能是將直流電轉換為交流電，提供持續穩定的輸出，切換開關的主要作用是確保電網供電和逆變器供電能夠在適當的條件下完成切換。主控板的作用對整個系統進行實時監測，在觸摸屏上顯示系統的各項參數和運行狀態，并在系統故障時發出報警信號。

2 EPS逆變電路的設計

    逆變系統是EPS的核心，其性能直接影響整個系統能否正常運行，其主要功能是完成交直流點的轉換，本系統采用蓄電池作為電源，也就是將來自蓄電池的直流電轉換為交流電提供給負載。逆變器輸出的交流電必須滿足設計要求，即頻率穩定在50 Hz左右，輸出電壓穩定，受負載影響小，正弦波的畸變因素THD小于特定值。

2.1 逆變電路的硬件設計

2.1.1 逆變主電路設計

    為了減小電源的體積，主電路采用Boost-逆變兩級電路，電路前級通過Boost電路將蓄電池組的電壓升高，可以減少蓄電池數量，讓系統輕量化并降低成本，后級為電壓式單相全橋逆變電路^[4]，如圖2所示。控制電路對4個功率管T1，T2，T3和T4的通斷時間進行控制，使其處于交替導通狀態，將360 V直流母線電轉換成幅值相等(360 V)而脈沖寬度不斷變化的SPWM波電壓，再通過LC低通濾波器后輸出220 V的正弦交流電壓。

    電源由10節蓄電池串聯起來，電壓為120 V，而直流母線的電壓為360 V，所以逆變電路開關管集電極和發射極之間的電壓V_ce為：

    根據電路上的電壓等級，逆變電路選擇的IGBT型號為富士公司的電壓電流等級為600 V/100 A的2MBI-100VA-060-50。Boost電路所選用的IGBT型號為英飛凌公司的電壓電流等級為600 V/80 A的IKW75N60T。升壓電路是非隔離型電路，可能從蓄電池端引入脈動，為了進一步平滑直流輸出電壓中脈動電壓的幅值，取電解電容為2 000 μF，由兩個1 000 μF/450 V的電解電容并聯而成。為了消除噪聲對電路的干擾，在電解電容上并聯一個0.47 μF的無極性電容C2，用來吸收高頻噪聲，起到高頻旁路的作用^[5]。

2.1.2 緩沖電路的設計^[6]

    為了達到保護IGBT的目的，在逆變電路中加入了RCD緩沖電路。如圖3所示，圖中Lm為主電路中總的雜散電感，Ls為緩沖電路中的雜散電感，Cs，Rs，Ds分別為吸收電容，吸收電阻和吸收二極管。

    電阻R上的功率為：

    式中，V_ce為最大的集電極-發射極電壓，C_s為緩沖電容，f為電路的工作頻率。在本文所用的電路中，V_ce為600 V，f為20 kHz。為了減少電路中消耗的功率，一般要求P_R≤120 W，即：

2.2 逆變電路的控制軟件設計

    應急電源逆變器在電網斷電時工作。蓄電池的直流電壓隨著時間變長而逐漸降低，同時負載端也會出現變化，從而影響到逆變器輸出電壓的穩定，因此需要設計電壓負反饋閉環來穩定輸出電壓。通過采集輸出電壓的有效值，與設定值進行比較決定PI控制參數，然后輸入到控制器，對Boost電路PWM波形的占空比進行調整，從而達到調整輸出電壓的目的，其控制結構框圖如圖4所示。

    系統將逆變器輸出端的交流電壓通過采樣和調理電路反饋給DSP，然后DSP通過PI算法來改變SWPM波的調制度，進而穩定逆變電路的輸出電壓^[7-9]。逆變程序的流程圖如圖5所示。

3 系統測試與分析

    在上述工作基礎上，最終搭建了3.6 kW的EPS系統樣機。

    蓄電池組的電壓為120 V，而逆變器需要的輸入電壓是360 V。因此需要通過Boost電路將蓄電池電壓升高，從而使逆變器可以輸出220 V電壓。Boost電路輸出直流電波和驅動電路波形如圖6所示。

    由圖可見，Boost電路輸出的直流電壓比較穩定，波動小，而Boost電路的驅動波形比較穩定，負壓有較大幅值能確保IGBT的關斷，負壓部分雖有細微波動，但不影響對IGBT的驅動，達到負荷設計要求。

    本文設計的逆變電路通過SPWM波進行控制，可以將360 V的直流電壓轉換成220 V的交流電壓。其驅動波形和輸出波形如圖7所示。

    如圖7所示，在空載狀態下，IGBT的驅動波形良好；當負載滿載時，在驅動波形上升沿有一個臺階和尖峰。這個尖峰來自IGBT的米勒效應，電路已經將其控制在可以接受的范圍內，滿載時的驅動波形工作狀態良好。而最后逆變器輸出的正弦波形良好，達到了預期的要求。

4 總結

    本文對單相EPS進行了設計，確定了EPS逆變器主電路的拓撲，即Boost-逆變兩級電路。這種電路結構可以克服常規單級逆變電路需要的電池數量太多，不宜維護的缺點，比較適合中小功率的EPS系統使用。并且對電路設計過程中主要元器件的選型和參數設計進行了詳細說明。最終實現了3.6 kW的逆變器的制作和調試，測試效果良好。

參考文獻

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