車(chē)載逆變電源設(shè)計(jì)

包廣清，任士康

(蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州730050)

車(chē)載逆變電源設(shè)計(jì)

包廣清，任士康

(蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州730050)

介紹了一種基于宏晶系列單片機(jī)的車(chē)載逆變電源設(shè)計(jì)方法。該電源以單片機(jī)STC12C5A60S2為主控芯片，以12 V蓄電池電壓為輸入，通過(guò)升壓與逆變兩個(gè)功率變換環(huán)節(jié)得到220 V、50 Hz的正弦交流電。在升壓環(huán)節(jié)，采用推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利用高頻變壓器進(jìn)行隔離升壓，結(jié)合直流母線(xiàn)電壓負(fù)反饋電路，避免了直流母線(xiàn)電壓的過(guò)壓出現(xiàn)；在逆變環(huán)節(jié)，采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，根據(jù)輸出電壓實(shí)時(shí)更新占空比，確保輸出電壓處在設(shè)定范圍之內(nèi)。并且還對(duì)電池電壓檢測(cè)電路、輸出電壓檢測(cè)電路、輸出電流檢測(cè)電路、橋臂短路保護(hù)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該逆變電源運(yùn)行穩(wěn)定可靠，也進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)控制策略的正確性。

單片機(jī)；升壓；推挽拓?fù)?；正弦脈寬調(diào)制；逆變電源

伴隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)電子產(chǎn)品的需求越來(lái)越多：除了常見(jiàn)的車(chē)載DVD音響系統(tǒng)外，游戲機(jī)、車(chē)載電視、車(chē)載冰箱、筆記本電腦等電子產(chǎn)品也成為人們的需求。這些電子產(chǎn)品大部分都需要220 V、50 Hz的交流電供電，而一般私家轎車(chē)的車(chē)載蓄電池只能提供12 V的直流電壓，逆變電源能將12 V的直流電壓轉(zhuǎn)換成220 V、50 Hz的交流電供常見(jiàn)電子產(chǎn)品使用，因此車(chē)載逆變電源已成為車(chē)載系統(tǒng)必不可少的設(shè)備。傳統(tǒng)的車(chē)載逆變電源采用全橋逆變加工頻變壓器升壓方案，其缺點(diǎn)是效率低、體積大、噪聲大，無(wú)法滿(mǎn)足人們的要求[1]。本系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)宏晶 (STC)系列的工業(yè)用單片機(jī)STC12C5A60S2為主控芯片，該芯片體積小，功耗低，抗干擾強(qiáng)，片內(nèi)自帶PWM產(chǎn)生模塊、AD轉(zhuǎn)換器，節(jié)省了外圍電路的設(shè)計(jì)，大大降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。該逆變電源具有體積小、散熱好、噪聲小的優(yōu)點(diǎn)，既便于安裝也適合產(chǎn)品化生產(chǎn)，不僅適用于車(chē)載系統(tǒng)，還可以應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)。

圖1 逆變電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1 車(chē)載逆變電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

車(chē)載逆變電源主要由升壓和逆變兩個(gè)功率變換環(huán)節(jié)組成，目前主要有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：一種是經(jīng)全橋逆變后加工頻變壓器隔離升壓輸出，如圖1(a)所示，該電路存在笨重的工頻變壓器，增加了系統(tǒng)的體積、質(zhì)量以及成本，并且還伴有嚴(yán)重的噪聲污染；另一種是采用兩級(jí)式級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入直流電壓經(jīng)過(guò)DC/DC升壓變換再進(jìn)行逆變輸出，如圖1(b)所示，由于省去了工頻變壓器，大大減小了系統(tǒng)的體積，并且電路的效率比較高，現(xiàn)在被廣泛采用[2-3]。

2 硬件設(shè)計(jì)與控制策略

圖2所示系統(tǒng)采用兩級(jí)式級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，前級(jí)升壓電路以TL494為主控芯片利用高頻變壓器對(duì)12 V直流電壓進(jìn)行隔離升壓，因前級(jí)與后級(jí)之間的非共地問(wèn)題，利用TL431與PC817結(jié)合次級(jí)繞組輔助電源組成直流母線(xiàn)電壓負(fù)反饋電路來(lái)確保直流母線(xiàn)電壓處在設(shè)定范圍內(nèi)；后級(jí)逆變電路以單片機(jī)STC12C5A60S2為主控芯片對(duì)單相逆變?nèi)珮蜻M(jìn)行觸發(fā)控制，同時(shí)輸出電壓、輸出電流、電池電壓實(shí)時(shí)采樣信號(hào)也被送入單片機(jī)處理來(lái)保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。交流輸出電壓經(jīng)過(guò)隔離分壓電路，AD采樣后與單片機(jī)內(nèi)部220 V交流電壓所對(duì)應(yīng)的數(shù)字值*進(jìn)行比較，其中SPWM脈沖波占空比的調(diào)整系數(shù)設(shè)置為/216，軟啟動(dòng)程序執(zhí)行完畢后，的初始值為216。按照國(guó)家電能質(zhì)量的要求[4]，將輸出電壓允許范圍設(shè)置為220 V (±5%)，其中最小設(shè)定電壓210 V與最大設(shè)定電壓230 V分別對(duì)應(yīng)的數(shù)字值為*-4與*+4。當(dāng)發(fā)現(xiàn)輸出電壓的AD采樣值不在上述范圍內(nèi)時(shí)：若<(*-4)，則執(zhí)行=+2，增大脈沖占空比，使輸出電壓升高；若>(*+4)，則執(zhí)行=-2，減小脈沖占空比，使輸出電壓降低，如此循環(huán)，直到輸出電壓調(diào)整到上述設(shè)定范圍內(nèi)。

圖2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 推挽拓?fù)淇刂齐娐吩O(shè)計(jì)

圖3 推挽拓?fù)淇刂齐娐?/p>

如圖3所示推挽拓?fù)淇刂齐娐芬訲L494為主控芯片，該芯片包含了脈寬調(diào)制型開(kāi)關(guān)電源的所有控制部分：5 V直流電壓參考電源、兩個(gè)誤差放大器、輸出控制電路、脈寬調(diào)制比較器、死區(qū)時(shí)間比較器和一個(gè)振蕩器。更改外圍的定時(shí)電阻與定時(shí)電容就可以實(shí)現(xiàn)某一固定頻率的PWM輸出，切換電源供給器的供給電壓可選擇單端式或推挽輸出的模式[5]。將TL494的輸出控制引腳即13腳接+5 V，設(shè)置為推挽輸出模式；直流母線(xiàn)電壓分壓隔離后的信號(hào)電壓經(jīng)U2B(PC817)反饋到TL494的誤差放大器引腳，經(jīng)電壓跟隨后反饋到死區(qū)控制引腳即3腳，來(lái)保證母線(xiàn)電壓處在設(shè)定范圍內(nèi)。電源啟動(dòng)時(shí)，三極管Q7開(kāi)通，前級(jí)升壓電路以最大占空比觸發(fā)脈沖開(kāi)環(huán)啟動(dòng)，待母線(xiàn)電壓穩(wěn)定后，Q7關(guān)斷，轉(zhuǎn)入閉環(huán)模式。為了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力保證開(kāi)關(guān)管的可靠導(dǎo)通與關(guān)斷，設(shè)計(jì)了推挽電路即Q1、Q5和Q2、Q6。

2.2 過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)

因輸入端蓄電池電壓范圍較寬，經(jīng)高頻變壓器升壓后導(dǎo)致直流母線(xiàn)電壓的浮動(dòng)范圍較大，母線(xiàn)電壓過(guò)高就會(huì)擊穿開(kāi)關(guān)管，所以必須對(duì)母線(xiàn)電壓的過(guò)壓保護(hù)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用可編程精密穩(wěn)壓源TL431和線(xiàn)性光耦PC817組成反饋電路成功解決了因TL494與母線(xiàn)電壓非共地母線(xiàn)電壓信號(hào)無(wú)法直接反饋到TL494的脈寬控制引腳的問(wèn)題。過(guò)壓保護(hù)電路如圖4所示，15 V為高頻變壓器次級(jí)繞組輔助穩(wěn)壓電源，HV為母線(xiàn)電壓。當(dāng)TL431基準(zhǔn)端電壓即1腳電壓從8 V到10 V變化時(shí)，此時(shí)輸出端即3腳電壓將在0 V到1 V間線(xiàn)性變化，利用PC817的線(xiàn)性區(qū)域即將前向?qū)娏髡{(diào)整在2.5 mA左右時(shí)的變化范圍很寬[6]，組成負(fù)反饋電路。當(dāng)母線(xiàn)電壓處在311 V到400 V時(shí)，TL494的脈寬控制引腳即3腳電壓幾乎為零，觸發(fā)脈沖占空比保持恒值48%不變；當(dāng)母線(xiàn)電壓高于400 V時(shí)，3腳電壓將隨母線(xiàn)電壓的升高而升高，此時(shí)輸出觸發(fā)脈沖的占空比下降，母線(xiàn)電壓也隨之下降，當(dāng)3腳電壓高于3.5 V時(shí)將會(huì)關(guān)閉輸出。該電路確保母線(xiàn)電壓處在允許范圍的同時(shí)還起到了過(guò)壓保護(hù)的作用。

圖4 過(guò)壓保護(hù)電路

2.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

以左側(cè)橋臂為例如圖5所示，驅(qū)動(dòng)電路以HCPL3120為主控芯片，該芯片的輸出電流能力高達(dá)2 A，最大絕緣耐壓630 V，工作電壓范圍較寬 (15～30 V)，普遍應(yīng)用于IGBT及MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路中。在HCPL3120的輸出端設(shè)置了限流電阻R16、R17，利用電阻R52、R53對(duì)開(kāi)關(guān)管的柵源極寄生電容充電，從而使觸發(fā)脈沖有良好的前沿陡度[7]。并且在柵源極間并聯(lián)了穩(wěn)壓二極管D55、D51、D56、D52，可靠地防止了柵極驅(qū)動(dòng)電壓及開(kāi)關(guān)管關(guān)斷產(chǎn)生的高壓尖峰[8]。為了保證開(kāi)關(guān)管的可靠關(guān)斷增加了負(fù)偏壓電路即穩(wěn)壓管U5、U6及泄放電路D20、D22。在開(kāi)關(guān)管需要關(guān)斷時(shí)，U5、U6用來(lái)提供-5 V的反相關(guān)斷電壓，D20、D22及時(shí)把開(kāi)關(guān)管柵源極寄生電容上的電荷泄放掉，從而大大提高了開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷穩(wěn)定性。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

如圖6所示系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化程序、軟啟動(dòng)程序、電池電壓和輸出電流檢測(cè)程序、橋臂短路保護(hù)程序、SPWM波形產(chǎn)生程序、輸出電壓調(diào)整程序及串口通信程序。根據(jù)正弦脈寬調(diào)制的基本原理[9]，結(jié)合單片機(jī)可編程計(jì)數(shù)器陣列(PCA)模塊脈寬調(diào)制輸出的方式[10]，制作了占空比呈正弦變化的數(shù)值表，將其保存在單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器內(nèi)。單片機(jī)上電后先執(zhí)行定時(shí)器初始化、PCA初始化、AD初始化、串口初始化程序，然后執(zhí)行軟啟動(dòng)程序，隨后執(zhí)行電池電壓檢測(cè)程序、輸出電流檢測(cè)程序及橋臂短路保護(hù)程序，若電池電壓處在設(shè)置值10 V到15 V之間，輸出電流不大于設(shè)置值3 A且橋臂無(wú)短路的情況下，執(zhí)行查表程序產(chǎn)生SPWM觸發(fā)波對(duì)單相逆變?nèi)珮蜻M(jìn)行觸發(fā)控制。同時(shí)執(zhí)行輸出電壓檢測(cè)程序，當(dāng)發(fā)現(xiàn)輸出電壓低于設(shè)定值210 V或高于設(shè)定值230 V時(shí)，對(duì)SPWM脈沖波的占空比進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，來(lái)保證輸出電壓處在設(shè)定范圍之內(nèi)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)輸出電流異常，電池電壓異常或者橋臂有短路現(xiàn)象發(fā)生時(shí)則立即關(guān)閉輸出。另外添加了串口通信程序，可以通過(guò)串口調(diào)試助手人機(jī)界面實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)逆變電源的輸入輸出狀態(tài)。

圖6 程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 推挽升壓電路的調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)選定的高頻變壓器磁芯規(guī)格及該逆變電源的容量要求，將觸發(fā)脈沖的頻率設(shè)定為30 kHz，將TL494的定時(shí)電阻取為1.9 kΩ，定時(shí)電容取為0.01 μF。此時(shí)輸出觸發(fā)脈沖的幅值為10 V，如圖7(a)所示，觸發(fā)脈沖G1、G2的死區(qū)時(shí)間約為1.5 μs；高頻變壓器輸出脈沖電壓的幅值約為340 V，頻率為30 kHz，如圖7(b)所示，整流濾波后的直流母線(xiàn)電壓約為332 V。

圖7 推挽升壓電路的實(shí)驗(yàn)波形

4.2 SPWM波形產(chǎn)生電路的調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)單片機(jī)可編程計(jì)數(shù)器陣列(PCA)模塊的比較/捕獲寄存器(CCAPMn)進(jìn)行設(shè)置，讓其工作在8位PWM、無(wú)中斷的輸出模式。根據(jù)公式制作占空比成正弦變化脈沖所對(duì)應(yīng)的數(shù)值表并將其保存在單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器內(nèi)，其中為每周期采樣點(diǎn)數(shù)，為逆變器期望輸出電壓所對(duì)應(yīng)的數(shù)值。通過(guò)查表程序?qū)崟r(shí)更新內(nèi)部寄存器(CCAPnL/CCAPnH)的值來(lái)產(chǎn)生占空比從1到0呈正弦變化的脈沖波，經(jīng)過(guò)反相電路之后變?yōu)檎伎毡葟?到1呈正弦變化的脈沖波，然后經(jīng)過(guò)死區(qū)處理電路加在驅(qū)動(dòng)芯片HCPL3120上。單片機(jī)產(chǎn)生的SPWM觸發(fā)波形如圖8所示。

圖8 單片機(jī)產(chǎn)生的SPWM觸發(fā)波形

4.3 全橋逆變電路的調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖9所示，在直流母線(xiàn)電壓為332 V時(shí)，對(duì)全橋逆變電路的輸出波形進(jìn)行了測(cè)試，此時(shí)輸出電壓的有效值為224 V，周期為20 ms，THD約為3.7%。

圖9 逆變電路的輸出波形

5 總結(jié)

本文利用STC系列高性能的工業(yè)用單片機(jī)STC12-C5A60S2設(shè)計(jì)了一款車(chē)載逆變電源，詳細(xì)介紹了相關(guān)硬件電路的設(shè)計(jì)原理及參數(shù)設(shè)置，并對(duì)系統(tǒng)的控制策略和軟件設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)要的論述。硬件電路采用兩級(jí)式級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而不是工頻逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用高頻變壓器取代了傳統(tǒng)的工頻變壓器，該設(shè)計(jì)方案大大減小了系統(tǒng)電路的體積及噪聲污染；使用單片機(jī)做主控芯片，易對(duì)SPWM觸發(fā)波占空比進(jìn)行控制，從而更好地對(duì)輸出電壓做出調(diào)整。由于高頻變壓器初級(jí)繞組銅面積偏少的問(wèn)題，系統(tǒng)的輸出功率還未滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；系統(tǒng)的效率也有待進(jìn)一步提高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)的控制方案穩(wěn)定、可靠，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

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Design for automotive inverter power supply

A design idea of automotive inverter power supply based on single-chip microcomputer(SCM)of STC was introduced.The system was controlled by a SCM called STC12C5A60S2,the input voltage was 12 V DC of battery, through boost converter and invertion,the sinusoidal alternating voltage of 220 V,50 Hz was achieved.In the boost converter part, high-frequency transformer was used in push-pull circuit,then the isolation high voltage was achieved,and DC bus voltage negative feedback circuit was designed to avoid the overvoltage;in the invertion part, SPWM technology was used,in order to ensure the output voltage within the setting range the idea that changing duty cycle based on output voltage was used.In addition,the battery voltage detection circuit,the output voltage detection circuit,the output current detection circuit,the bridge arm short protection circuit were designed,and the hardware prototype was developed.The experimental results show that the inverter power supply operates steadily,and further verify the control strategies of the system are rationable.

single-chip microcomputer;boost converter;push-pull converter;SPWM;inverter power supply

TM 464

A

1002-087 X(2015)10-2250-04

2015-03-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51267011)；甘肅省杰出青年基金項(xiàng)目(1111RJDA007)；甘肅省財(cái)政廳科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(110385B120)

包廣清(1972—)，女，甘肅省人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電與電能轉(zhuǎn)換、電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算與分析、現(xiàn)代電力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。