一種SPWM逆變電源的設(shè)計(jì)

陳黎敏

常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 江蘇 常州 213164

0 引言

目前，在現(xiàn)代通訊設(shè)備、高鐵、車載用品等各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都普遍應(yīng)用低壓小功率逆變電源作為存貯電源。在電力智能保護(hù)領(lǐng)域，為了保證電力停電的情況下能夠快速檢修，也需要應(yīng)急備用電源，把備用的直流24V電源轉(zhuǎn)換成交流220V/50 Hz電源。

隨著新型電力電子器件和電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用高頻大功率器SPWM全橋逆變方案可以徹底改變傳統(tǒng)工頻變壓器的體積大、效率低等缺陷。該方案采用先進(jìn)的高速嵌入式單片機(jī)實(shí)現(xiàn)推挽升壓、全橋逆變實(shí)現(xiàn)逆變，同時(shí)前后級(jí)之間完全隔離，實(shí)現(xiàn)輸入過(guò)/欠壓保護(hù)、輸出過(guò)載/短路保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等多重安全保護(hù)功能，使逆變系統(tǒng)可靠、安全。

1 SPWM逆變電源組成

逆變電源通過(guò)嵌入式片上系統(tǒng)管理，采用推挽升壓和全橋逆變兩級(jí)變換，如圖1所示。

直流電壓正極接于變壓器原邊的中心抽頭，負(fù)極接于開(kāi)關(guān)管S1S2的中點(diǎn)，控制MOS管S1及MOS管S2輪流導(dǎo)通，在片上系統(tǒng)監(jiān)控下變壓器原邊即形成高頻的交流電壓，經(jīng)過(guò)變壓器升壓、整流和濾波在電容C1上得到約370V直流電壓。對(duì)S3~S6組成的逆變橋采用正弦脈寬調(diào)制，逆變輸出電壓經(jīng)過(guò)電感L、電容C2濾波后，形成220V/50Hz的正弦波交流電。高頻變壓器同時(shí)實(shí)現(xiàn)前后級(jí)之間的隔離，提高了系統(tǒng)的安全性。直流端輸入電壓22~27V，輸入最大電流15A，考慮一倍的余量，推挽電路開(kāi)關(guān)管S1及S2耐壓不小于30V，正向電流不小于30A，選用IRF250N。

為使電路可靠運(yùn)行，嵌入式單片機(jī)對(duì)升壓高頻變壓器輸入電壓進(jìn)行監(jiān)控使直流電壓最低時(shí)滿足副邊電壓保持在350V，直流電壓最高時(shí)副邊電壓同時(shí)維持在350V附近，以免損壞元器件。同時(shí)也必須考慮繞線上的電壓降和發(fā)熱問(wèn)題。選EE型鐵氧體磁芯，原副邊繞組為7匝：300匝。變壓器副邊輸出由4個(gè)二極管組成整流橋，濾波電容選用100μF/450V電解電容。

根據(jù)輸出功率的要求，輸出電流有效值保持在0.6~0.7A，考慮一定的電壓和電流余量，逆變橋中的S3~S6選用IRF940。逆變部分采用單級(jí)性SPWM控制方式，開(kāi)關(guān)頻率fs=6.4kHz。

圖1 硬件框圖

2 單極性SPWM控制算法

該逆變電源由推挽升壓和全橋逆變兩部分組成。前級(jí)推挽升壓電路由PWM專用芯片TL494控制并與變壓器實(shí)現(xiàn)電壓反饋控制。后綴逆變電路由嵌入式單片機(jī)PIC16F73對(duì)母線電壓采樣，實(shí)現(xiàn)電壓前饋控制。

正弦脈寬調(diào)制SPWM技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的脈寬調(diào)制技術(shù)，采用單極性SPWM的載波為單極性的不對(duì)稱三角波，生成單極性的方波組成的輸出電壓。因?yàn)檩敵鲭妷褐邪汶娖?，因此單極性SPWM只能應(yīng)用于全橋逆變電路。單極性SPWM的控制信號(hào)為一組高頻（載波頻率fc）脈沖和一組低頻（調(diào)制頻率fs）脈沖，每組的兩例脈沖相位互補(bǔ)。由三角載波和正弦調(diào)制波的幾何關(guān)系可以得到，在k＞＞1時(shí)，高頻脈沖的占空比D為：

3 PIC單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)

PIC16F73是MICROCHIP公司的一款八位中檔MCU，16F73內(nèi)部有兩個(gè)CCP模塊，都可以工作在PWM模式下，且共用TIMER2時(shí)鐘模塊，產(chǎn)生一致的時(shí)鐘輸出，CCP輸出引腳可產(chǎn)生10位分辨率可調(diào)的方波，設(shè)定CCPRxH值就可以設(shè)定占空比，設(shè)定PR2值就可以設(shè)定脈沖周期。脈沖占空比D可以表示為：

由于在本設(shè)計(jì)中，應(yīng)用了單極性全橋逆變SPWM調(diào)制方式，所以可用公式（1）和公式（2）聯(lián)立，得到：

現(xiàn)選擇單片機(jī)工作頻率4MHz，根據(jù)脈沖周期Tc=［（PR2）+1］×4×Tosc和頻率比K＝Tg／Tc，現(xiàn)選取PR2＝156，K＝128則有Tg＝20ms。 選調(diào)制比m＝0.923，N＝128，即一個(gè)周期中包含128個(gè)脈沖。由公式（3）得到

考慮到正弦波的90°對(duì)稱性，把一個(gè)正弦周波分成四個(gè)象限，則第二個(gè)象限（第32―63）個(gè)脈沖輸出為

第三個(gè)象限（第64―95）個(gè)脈沖輸出為

第四個(gè)象限（第96―127）個(gè)脈沖輸出為

針對(duì)PIC16系列單片機(jī)的控制靈活但運(yùn)算查表難操作的性能特點(diǎn)，充分利用正弦波的90°對(duì)稱性，只需在90°區(qū)間內(nèi)建立一個(gè)對(duì)應(yīng)幅度輸出的查找表；為了減少查表時(shí)間，可以利用相鄰兩個(gè)值變化不大的規(guī)律，以及PIC16F73的TMR2模塊通過(guò)分頻器產(chǎn)生的硬件特點(diǎn)，用每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)PWM輸出維持2個(gè)周期再產(chǎn)生一個(gè)中斷修改一次脈寬值，減少了一半的查表量，增加了控制速度，而波形精度基本保持不變。經(jīng)過(guò)精心選擇，可以確定每一個(gè)象限內(nèi)細(xì)分16個(gè)PWM控制點(diǎn)，四個(gè)象限共64個(gè)點(diǎn)，耗時(shí)128個(gè)PWM，此時(shí)單片機(jī)工作頻率為4MHz，SPWM調(diào)制頻率為6.4KHz，正弦波頻率為60Hz，PWM周期為156μs。

為了控制全橋的互補(bǔ)輸出，要有一個(gè)與SPWM相對(duì)應(yīng)的50Hz的低頻脈沖來(lái)控制半橋?qū)?，利用CCPR2模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。

正弦波的PWM輸出在TMR2的中斷里處理，流程框圖如圖2所示。

圖2 中斷流程框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上結(jié)論，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，輸出波形如圖3所示，符合設(shè)計(jì)所需要求。該電源可以在輸入電壓從22V到27V電壓波動(dòng)下實(shí)現(xiàn)220V±10V，頻率50Hz±0.5Hz的正弦交流電壓輸出。直流分量控制在1V以內(nèi)，電壓波形畸變率保持在5%以內(nèi)，具有一定過(guò)載能力。

圖3 輸出波形圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了SPWM正弦波的軟件實(shí)現(xiàn)方法，并基于此設(shè)計(jì)應(yīng)用于電力智能保護(hù)產(chǎn)品CDA901－1重合器控制器中。該電源采用嵌入式單片機(jī)SPWM控制方式，簡(jiǎn)化了電路，僅需修改程序就可實(shí)現(xiàn)各種頻率交流電的輸出，開(kāi)發(fā)出不同專用產(chǎn)品，以適應(yīng)不同用戶的需求。

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