关键词：电梯应急系统；DC/AC；逆变器

1  引言

本文在了解了电梯系统结构和各部分工作原理的基础上，确定了应急系统的控制方案及系统硬件电路的搭建，项目前期通过统计市场电梯系统的各项数据的了解到现有应急系统逆变器电路的优劣性，DC/AC逆变器作为整个应急系统的能量来源，其稳定性与准确性至关重要 ，因此对其性能的研究与优化具有实际的意义与运用价值^[1]。

2  逆变器主电路

2.1  拓扑结构

逆变器是应用功率半导体器件，将直流电能转换成交流电能的一种静止变流装置，供交流负载用电或与交流电网并网发电，图1为逆变器主电路拓扑结构。系统利用工频升压原理即：当系统检测到市电停止后，把3个45V蓄电池输出的直流电通过逆变器转为交流后经过变压器升压至高压交流电维持系统继续正常工作，逆变器作为应急系统的关键部分^[2]-[3]，逆变电路的部分从硬件和软件两方面实现45V蓄电池直流逆变为交流电能的功能^[4]-[6]，如图1所示，采用三相独立不对称半桥式逆变电路，每相桥臂配置4个功率开关管，高低端独立驱动，每个桥臂配直流母线平波电容Cp0、Cp1、Cp2，提高功率变换器的容错能力和抗干扰能力。

图1  逆变器主电路拓扑结构

2.2  SPWM调制

采用SPWM调制方式，即正弦波脉冲宽度调制方式，是指在进行脉宽调制时，

使脉宽按正弦波规律变化，以这一系列等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，如图2将正弦波的正半周期波形按横轴分为等分，则每等分宽度为π，每等分面积是按正弦波规律变化的。接着用一组等幅不等宽矩形脉冲分别代替上述等分波形，使得矩形脉冲的中点相应正弦波等分中点重合，和并且每一个矩形脉冲面积和相应正弦波等分面积相等。可以看出，这一系列矩形脉冲的宽度将是按正弦规律变化的。对于正弦波负半周期亦是如此。

图2  SPWM波形原理图

3  驱动部分

3.1  驱动电路

本设计的驱动电路是以EG2104为核心，如图3所示，EG2104是一款高性价比的带SD功能的MOS管、IGBT管栅极驱动专用芯片内部集成了逻辑信号输入处理电路、死区时控制电路、电平位移电路、脉冲滤波电路及输出驱动电路。EG2104高端的工作电压可达600V，低端Vcc的电源电压范围宽2.8V～20V，静态功耗小于1μA。由C90 D90 R90 C91组成的自举电路，功率管开通时充电C90、C91储存电能，功率管关闭C90放电，由于D90的存在组织C91对地放电，同时C90的电能一部分给C91再次充电，因此在功率管反复的导通与关断过程中C91的端电压被不断地抬高，使得U1信号始终高电平，完成驱动。

    图3  驱动电路原理图

3.2  驱动外围保护电路

驱动芯片输入通道IN内建了一个200K下拉电阻，SD内建了一个200K下拉电阻，在输入悬空时使上、下功率MOS管处于关闭状态，输出电流能力1-1.5A，HO、LO分别为高低端驱动信号的输出端输入为“1”时即HO有效，以第一相为例则上管开；输入为“0”即LO有效则下管开，S(__)D(__)逻辑输入控制信号低电平有效，强行使LO、HO输出低电平。“1”允许LO、HO随IN 输入控制。“0”强行使LO、HO输出低电平逻辑表如表1所示。

通过分析逻辑表可以发现，若某时刻U9、U10的逻辑信号为(1.1)(0.1)此时电流从V1～V4若下一刻的U9的逻辑信号为(0.1)且上管还未完全关闭，此时就会出现串洪现象，电流过大会击穿功率管，造成电路无法正常工作，为了防止此类现象的发生以及对硬件电路的保护，增加驱动外围电路，如图4所示，以74LS74为核心的异步清零逻辑电路，1CLR为低电平有效且优先级最高，当CPU检测到有电流过大即将带来串洪危险时，通过1CLR给以低电平封锁信号，使1Q作用到S(__)D(__)端强制拉低即上下管同时关断，当电流回归正常时，CPU发出解锁信号，逆变器主电路正常工作，加强功率电路的硬件保护功能，提高整个功率电路系统的容错性，使其更具实用性。

图4  异步清零逻辑电路

4  逆变器软件设计

由于调制比分为幅值调制比K与频率调制比（载波比）N，有：

K=V/Vc（基波幅值与载波幅值之比）  （1）

N=ft/fs(载波频率与基波频率之比)   （2）

程序设计中调制波频率f=50Hz转化成频率调制比的形式，载波频率为8kHz，则程序中PWM的输出频率是8kHz，MOSFET开关频率为20kHz则采样频率20kHz，STM32内部12分频，时钟周期为50Hz，计数周期20ns。STM32的控制程序由主程序和PWM中断服务子程序组成，如图5为逆变器中断程序流程图。PWM输出程序流程图如图6所示。

图6  PWM输出程序流程图

图5  逆变器中断程序流程图

5  仿真与实际调试图

5.1  SPWM仿真图

利用MATLAB软件中的电力系统模块库，为逆变器建立了仿真模型，对其输出特性进行了仿真分析，如图7为Simulink中三相逆变电路的仿真模块图，通过对相应数据的修改得出图8为单相桥臂SPWM波输出波形。

     图7  Simulink仿真模块图

               图8  单相SPWM输出波形

5.2  项目实际调试

如图9为使用普通功率驱动芯片和用EG2104驱动芯片的区别，从波形可以看出使用EG2104驱动电路其输出的驱动波形上升沿和下降沿更为理想，图10为加完硬件保护电路后实际输出SPWM波，通过对比可发现新的硬件电路的添加使得输出的SPWM波更完美，从而提高整个逆变器的抗干扰能力和硬件保护能力。

（a）普通芯片输的驱动信号波形           (b)EG2104驱动芯片输出的驱动波形    

                    图9  实际调试驱动信号波形对比

（a）未加保护电路的SPWM波输出波形     （b）加入硬件保护电路的SPWM波输出波形

                       图10  实际调试的SPWM波形对比

如图11所示为整个电梯应急电源的参考样本系统。

                          图11  电梯应急电源

6  结束语

本设计主要对于电梯应急电源逆变器的功率硬件部分进行研究，通过仿真与实际调试结果的对比分析，本次设计在已有的功率拓路系统的容错性，进一步保证了整个应急系统的稳定性，使其更具实用性。注重功率电路的稳定性，提高每相的独立能力，保证驱动电路损耗小、加强功率电路的硬件保护功能，提高整个功率电路系统的容错性，进一步保证了整个应急电源系统的稳定性，使其更具实用性。