单片机芯片的三相半控整流电路设计

 整流电路广泛应用在直流电机调速，直流稳压电压等场合。而三相半控整流桥电路结构是一种常见的整流电路，其容易控制，成本较低。本文中介绍了一种基于 PIC690单片机与专用集成触发芯片TC787的三相半控整流电路，它结合专用集成触发芯片和数字触发器的优点 ,获得了高性能和高度对称的触发脉冲。它充分利用单片机内部资源 ,集相序自适应、系统参数在线调节和各种保护功能于一体,可用于对负载的恒电压控制。主电路采用了三相半控桥结构，直流侧采用LC滤波结构来提高输出的电压质量。 　　
系统总体设计
　　本系统通过PIC690单片机作为主控制芯片，用晶闸管作为主要开关器件。设计的目标是保持输出的直流电压稳定，输出电压纹波小，交流输出测电流THD较低，性能可靠。
　　系统主要电路包括：三相桥式半控整流电路、同步信号取样电路、单片机控制电路、晶闸管触发电路。首先，由同步信号取样电路得到同步信号并送集成触发芯片TC787，经过零检测，再进行相应的延时以实现移相。单片机中的ADC负责采集直流母线电压，根据电压的设定值与实际值的偏差经过PI运算来调节给定输出。PIC单片机将电压的参考值输出到TC787，由TC787实现对晶闸管的移相触发，以实现整流调压。硬件电路的整体框图如图1所示。

　图1 系统硬件整体框图
　　
主电路设计
　　主电路采用三相桥式半控整流电路，直流测采用LC滤波电流结构，主电流原理图如图2所示。半控桥选择SEMIKRON公司的SKDH146/120-L100模块，该模块额定电流140A，额定电压1200V。直流侧采用LC滤波电路结构，比单独电容滤波效果好。此外，还可以提高交流输入侧的电流THD。直流侧主要的谐波含量为工频的6倍及6的整数倍，设计LC低通滤波时要避免含量较高的谐波引起的谐振。在本设计中选取电感5mH，滤波电容480μF。

图2 主电路结构
　　从电网获得的三相电压经同步电路整形后，送给集成触发芯片TC787引脚18AT、引脚2 BT和引脚1CT。TC787内部集成有3个过零和极性检测单元、3个锯齿波形成单元、3个比较器、1个脉冲发生器、1个抗干扰锁定电路和1个脉冲分配及驱动电路数字给定移相控制电压，能进行相序自动识别。
控制电路设计
　　采用PIC16F690作为控制芯片。PIC16F690单片机内部自带10位AD；宽工作电压（2.0～5.5V）；低功耗；带有PWM输出功能；内部自带晶振。用芯片内部自带10位AD，对采集到的直流侧电压进行AD转换。为了降低硬件成本，直接采分压电阻代替电压传感器来采集直流侧电压，分压电阻上的电压经过两个反向比例电路到单片机。单片机的模拟地和信号地直接相连（也可以通过磁珠相连，以减小干扰）。PIC16F690单片机通过一个IO口使能或禁止芯片TC787的输出，如图3所示。当PIC单片机的I/O口RC3输出高电平（+5V）时，Lock口为低电平；当单片机I/O口RC3输出低电平时，Lock为高电平（+15V）。选用一个IO口作为TC787参考电压的给定信号，采用PWM脉冲方式，调节占空比来调节输出电压， PWM波经过一个RC低通滤波器后为一个近似直流信号，用这个信号作为参考电压给定Uref，其范围为0～5V。由于芯片TC787所需的给定输入范围为0-15V，所以PWM波要经过一个光耦进行电平转换，如图3所示。

图3 控制电路硬件结构
　　电网电压经过同步变压器输入到TC787，TC787的6脚输出高时双脉冲或低时单宽脉冲。12、11、10引脚分别为A、B、C的触发输出端，经过脉冲变压器输出到晶闸管。
触发驱动电路设计
　　触发芯片选择高性能晶闸管三相移相触发集成电路TC787。TC787可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和变流装置。TC787的内部结构如图4所示。

图4 TC787芯片内部结构
　　在本设计中，TC787采用15V供电，引脚4（Vr）：移相控制电压输入端。该端输入电压的高低直接决定着TC787/TC788输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输出。引脚5（Pi）：输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787/TC788的输出，高电平有效，应用中，接保护电路的输出。同步电压输入端：引脚1（Vc）、引脚2（Vb）及引脚18（Va）为三相同步输入电压连接端。应用中，分别接输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超过TC787/TC788的工作电源电压VDD。
　　触发驱动电路主要由电网电压同步电路、TC787集成触发电路和脉冲放大隔离驱动电路组成。图5中给出了同步电路和TC787的外围电路。其前半部分为电压同步电路，采用这种设计方法需要加较多辅助元件。而对RP1～RP3三个电位器进行不同调节，可实现0～  60°的移相，从而适应不同主变压器连接的需要。图5中，直接将同步变压器的中点接到（1/2）电源电压上，使所用元件得以简化。TC787的引脚4输出单片机的给定电压（0～+15V），引脚6为触发脉冲封锁引脚。引脚10～12为触发脉冲输出引脚，分别接到C、B、A相的隔离放到电路。 

图5 同步电路与脉冲发生电路结构图

　图6 电压检测电路
电压检测电路设计
　　为了降低硬件成本，设计直流母线电压检测电路时采用了分压电阻的方法，而没有采用电压传感器。采用这种分压电阻的方法结构简单，易于调试。电路如图6所示。通过分压电阻得到的电压为直流母线电压的1/31，该电压通过两个反向比例放大电路输入到PIC单片机的AD1输入口中，再通过PIC单片机的AD转换处理为数字量。