單相正弦逆變電源設(shè)計(jì)

劉曼玲+陳瀅+魏源

【摘 要】 本系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控制器，以Boost升壓電路和全橋逆變電路為核心，輔以檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路與輔助電源電路?？刂菩盘?hào)PWM波與SPWM波由STM32內(nèi)部定時(shí)器工作于PWM模式和SPWM模式下產(chǎn)生的輸出；通過(guò)交流電壓閉環(huán)與PI控制實(shí)現(xiàn)逆變輸出電壓可調(diào)，通過(guò)頻率開環(huán)設(shè)置SPWM波的頻率，實(shí)現(xiàn)輸出電壓頻率可調(diào)。系統(tǒng)可以測(cè)量顯示逆變后的電壓、電流，并且為整體系統(tǒng)添加了過(guò)壓、欠壓保護(hù)和過(guò)流、短路保護(hù)等功能，提高了系統(tǒng)的安全性。經(jīng)實(shí)測(cè)表明：所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能完善，具有效率高、精度高、變化率低的特點(diǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)良好。

【關(guān)鍵詞】 Boost電路；全橋逆變電路；STM32；PI控制

【Abstract】 This system take the STM32 single chip microcomputer as the principal controller， boost circuit and the full bridge inverter circuit as the core， supplemented by detection circuit， drive circuit and auxiliary power supply circuit. PWM wave and SPWM wave are generated by the timer inside of STM32 SCM which works at PWM and SPWM generating mode. The inverter output voltage can be adjusted by means of AC voltage closed loop and PI control. The frequency of the SPWM wave is set by the frequency open loop， and the output voltage frequency can be adjusted. The system can measure and display the voltage and current of the inverter. The whole system is added over voltage， under voltage protection and over current， short circuit protection function in order to improve the system security. The measured results show that the designed system has the characteristics of high efficiency， high precision and low rate of change. The indicators are good.

【Key Words】 Boost Circuit； Full-Bridge Inverter； STM32； PI control

【中圖分類號(hào)】 G632.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2095-3089（2016）31-000-02

1.引言

單相正弦逆變電源可以構(gòu)成EPS應(yīng)急電源系統(tǒng)，市場(chǎng)需求大，具有優(yōu)良的發(fā)展前景，它廣泛應(yīng)用在微機(jī)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)備、軍用車載、醫(yī)療救護(hù)車、家用、航空、船舶、太陽(yáng)能以及風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域等需要應(yīng)急后備電源的場(chǎng)所。

目前市場(chǎng)上存在的正弦逆變電源大都將低壓（12V或24V）直流電轉(zhuǎn)變成220V交流電的電子設(shè)備，且可將該電源應(yīng)用于筆記本等電子設(shè)備的供電，輸出功率較大的逆變器還可以應(yīng)用于小型的電熱器等。逆變電源不適宜應(yīng)用于感性負(fù)載電器的長(zhǎng)期供電，但可以選用儲(chǔ)備功率較大的正弦波逆變電源。

基于目前已經(jīng)存在成熟的正弦波逆變器，本設(shè)計(jì)側(cè)重在輸入電壓為24V直流電壓的條件下，逆變輸出電壓幅值與頻率均可調(diào)并兼具各種保護(hù)功能的單相正弦逆變電源系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

基于電壓幅度，電壓頻率可調(diào)的基本要求，單相逆變電源的系統(tǒng)模塊劃分成：Boost升壓模塊；DC/AC逆變模塊；輔助電源模塊；驅(qū)動(dòng)模塊；交流電壓、電流檢測(cè)模塊以及主控模塊等。升壓模塊與逆變模塊基于經(jīng)典拓?fù)鋱D；輔助電源模塊選用DC/DC模塊；交流電壓與電流的檢測(cè)應(yīng)用交流電壓、電流互感器以及有效值轉(zhuǎn)換芯片；驅(qū)動(dòng)模塊為典型光耦隔離驅(qū)動(dòng)芯片以及橋式驅(qū)動(dòng)芯片；主控模塊使用STM32控制器。系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)采用分模塊仿真與實(shí)際調(diào)試并行的方法進(jìn)行。

2.1主電路設(shè)計(jì)

直流電壓源的易獲得性使得選擇直流側(cè)為電壓源的逆變系統(tǒng)較為普遍，逆變電路采用電壓型逆變電路，該電路直流側(cè)的電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗的特點(diǎn)。單相電壓型逆變電路的經(jīng)典結(jié)構(gòu)有半橋逆變電路與全橋逆變電路[1]。在逆變電路的前級(jí)為了實(shí)現(xiàn)電壓幅度可調(diào)，選用Boost升壓斬波電路進(jìn)行電壓的幅值控制[2]。

半橋逆變電路由兩個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂由一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管構(gòu)成，直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的大電容，兩個(gè)電容的連接點(diǎn)即為直流電源的中點(diǎn)。半橋型逆變電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用的器件少，但輸出交流電壓的幅值僅為直流側(cè)輸出的一半，且兩個(gè)大電容的均衡不易控制。

全橋型逆變電路由四個(gè)橋臂構(gòu)成，由兩個(gè)半橋臂組合而成。相比半橋逆變電路而言，交流側(cè)輸出的電壓幅值為直流側(cè)輸入，降低了對(duì)直流側(cè)輸入電壓的要求，提高了系統(tǒng)的安全性，而且電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，只要一個(gè)大電容，效率高、易控制。

全橋逆變電路是單相逆變電路之中應(yīng)用最為廣泛的，其電壓波形可以通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)展開進(jìn)行定量的分析，幅值為Ud的矩形波uo可以展開成傅里葉級(jí)數(shù)得[3]：

2.2輔助電源設(shè)計(jì)

輔助電源主要為各類芯片以及控制器提供供電電源，為整體系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供保證。設(shè)計(jì)基于DC/DC的安時(shí)捷模塊，選用輸入電壓范圍為18-36VDC，輸出電壓為±15VDC，輸出最大電流為500ma的模塊。由于選用的其他模塊芯片的供電電壓所需為15V，12V，5V，STM32的供電電壓為5V，預(yù)估工作電流在500ma之內(nèi)，可以保證選用的安時(shí)捷模塊的功率足夠且不浪費(fèi)，利用穩(wěn)壓芯片L7805，L7905，L7812，L7912可獲得±5V與±12V的直流供電電壓。

2.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

主電路的Boost斬波電路與全橋逆變電路均需有效驅(qū)動(dòng)，對(duì)于Boost升壓斬波電路，使用A3120光耦驅(qū)動(dòng)芯片，一路輸出進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。對(duì)于全橋逆變電路，選用兩片IR2104半橋驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，IR2104可產(chǎn)生互補(bǔ)兼具死區(qū)時(shí)間的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可降低SPWM波的編程難度。

2.4檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，交流電壓與交流電流的檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的關(guān)鍵所在。通過(guò)交流電壓互感器與交流電流互感器，按照設(shè)計(jì)比例轉(zhuǎn)換成量值不同的交流電壓量，如圖5和圖6所示。通過(guò)有效值轉(zhuǎn)換芯片將檢測(cè)的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)輸入STM32采樣端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。由于電壓、電流的變化范圍不同，需選用不同的有效值轉(zhuǎn)換芯片，有利于精確測(cè)量、降低誤差。其中含交流電壓互感器電路輸出的交流電壓（圖5）選用AD637有效值轉(zhuǎn)換芯片[4]；含交流電流互感器電路輸出的交流電壓（圖6）選用AD736有效值轉(zhuǎn)換芯片[5]。

3.程序設(shè)計(jì)

3.1 PWM控制信號(hào)

PWM波的產(chǎn)生方式可以用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。目前有許多硬件方案可以選擇，如用運(yùn)放、比較器等元件構(gòu)建、調(diào)制，另外可以通過(guò)專用控制芯片產(chǎn)生，如用專門的PWM調(diào)制芯片TL494等。但相對(duì)軟件而言，硬件方法比較復(fù)雜，穩(wěn)定性稍差，容易受到外界的干擾，成本較高并且增加了系統(tǒng)功耗。軟件調(diào)制使用STM32內(nèi)部的定時(shí)器，工作在PWM模式與SPWM模式。因此，軟件法價(jià)格低廉且易控制。

對(duì)于Boost升壓斬波電路，單片機(jī)輸出一路占空比可調(diào)的方波，通過(guò)光耦A(yù)3120驅(qū)動(dòng)電路對(duì)MOSFET進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。對(duì)于逆變電路，單片機(jī)輸出兩路互補(bǔ)的SPWM波，通過(guò)IR2104驅(qū)動(dòng)電路輸出互補(bǔ)兼具死區(qū)時(shí)間驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)橋臂上的4個(gè)MOSFET進(jìn)行有序的驅(qū)動(dòng)。由步進(jìn)設(shè)定所需的電壓值與頻率值，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的占空比改變輸出的電壓幅值，調(diào)節(jié)SPWM波的頻率改變輸出正弦電壓的頻率，前者通過(guò)電壓檢測(cè)完成電壓幅值的閉環(huán)控制，后者直接開環(huán)控制頻率，通過(guò)示波器顯示并觀察。

3.2保護(hù)控制

通過(guò)硬件與軟件結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)，主要以軟件控制為主。系統(tǒng)具有過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)。輸入側(cè)通過(guò)分壓電路取電壓信號(hào)，一旦檢測(cè)電壓過(guò)壓或者欠壓，直接關(guān)斷PWM波與SPWM波的輸出，使得主電路的輸出電壓為零。交流側(cè)的電流信號(hào)通過(guò)交流電流檢測(cè)模塊輸出給單片機(jī)，一旦檢測(cè)到過(guò)流電流與短路電流，同樣關(guān)斷PWM與SPWM信號(hào)的輸出。同時(shí)在程序中添加自恢復(fù)時(shí)間與系統(tǒng)外設(shè)人工恢復(fù)按鍵，保護(hù)動(dòng)作發(fā)生后立刻排除故障，可實(shí)現(xiàn)電路再次正常運(yùn)行。

3.3調(diào)試結(jié)果

檢測(cè)模塊的檢測(cè)誤差低于0.5%，設(shè)定電壓值與實(shí)際電壓值誤差保持在1%之內(nèi)，系統(tǒng)的整體效率在85%左右，輸出正弦波電壓波形的失真度控制在1%之內(nèi)，輸出電壓頻率因開環(huán)控制誤差幾乎為零。該方案下設(shè)計(jì)的單相正弦波電源的整體性能良好，能夠穩(wěn)定運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間。

4.總結(jié)

本文將硬件選型和軟件編程有機(jī)結(jié)合，完成了一個(gè)輸出電壓和頻率可調(diào)的單相正弦逆變電源。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，將硬件系統(tǒng)劃分為各大模塊進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、調(diào)試；軟件設(shè)計(jì)則按各項(xiàng)指標(biāo)要求進(jìn)行采樣信號(hào)的處理和輸出信號(hào)的控制等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的單相正弦電源性能完善、穩(wěn)定，具有效率高、精度高、變化率低等特點(diǎn)。

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