單相正弦逆變電源設計

劉曼玲+陳瀅+魏源

【摘 要】 本系統以STM32單片機為主控制器，以Boost升壓電路和全橋逆變電路為核心，輔以檢測電路、驅動電路與輔助電源電路。控制信號PWM波與SPWM波由STM32內部定時器工作于PWM模式和SPWM模式下產生的輸出；通過交流電壓閉環與PI控制實現逆變輸出電壓可調，通過頻率開環設置SPWM波的頻率，實現輸出電壓頻率可調。系統可以測量顯示逆變后的電壓、電流，并且為整體系統添加了過壓、欠壓保護和過流、短路保護等功能，提高了系統的安全性。經實測表明：所設計的系統功能完善，具有效率高、精度高、變化率低的特點，各項指標良好。

【關鍵詞】 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】 G632.3 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2095-3089（2016）31-000-02

1.引言

單相正弦逆變電源可以構成EPS應急電源系統，市場需求大，具有優良的發展前景，它廣泛應用在微機系統、通信系統、工業設備、軍用車載、醫療救護車、家用、航空、船舶、太陽能以及風能發電領域等需要應急后備電源的場所。

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

基于目前已經存在成熟的正弦波逆變器，本設計側重在輸入電壓為24V直流電壓的條件下，逆變輸出電壓幅值與頻率均可調并兼具各種保護功能的單相正弦逆變電源系統。

2.系統電路設計

基于電壓幅度，電壓頻率可調的基本要求，單相逆變電源的系統模塊劃分成：Boost升壓模塊；DC/AC逆變模塊；輔助電源模塊；驅動模塊；交流電壓、電流檢測模塊以及主控模塊等。升壓模塊與逆變模塊基于經典拓撲圖；輔助電源模塊選用DC/DC模塊；交流電壓與電流的檢測應用交流電壓、電流互感器以及有效值轉換芯片；驅動模塊為典型光耦隔離驅動芯片以及橋式驅動芯片；主控模塊使用STM32控制器。系統電路設計采用分模塊仿真與實際調試并行的方法進行。

2.1主電路設計

直流電壓源的易獲得性使得選擇直流側為電壓源的逆變系統較為普遍，逆變電路采用電壓型逆變電路，該電路直流側的電壓基本無脈動，直流回路呈現低阻抗的特點。單相電壓型逆變電路的經典結構有半橋逆變電路與全橋逆變電路[1]。在逆變電路的前級為了實現電壓幅度可調，選用Boost升壓斬波電路進行電壓的幅值控制[2]。

半橋逆變電路由兩個橋臂構成，每個橋臂由一個可控器件和一個反并聯二極管構成，直流側接有兩個相互串聯的大電容，兩個電容的連接點即為直流電源的中點。半橋型逆變電路結構簡單，使用的器件少，但輸出交流電壓的幅值僅為直流側輸出的一半，且兩個大電容的均衡不易控制。

全橋型逆變電路由四個橋臂構成，由兩個半橋臂組合而成。相比半橋逆變電路而言，交流側輸出的電壓幅值為直流側輸入，降低了對直流側輸入電壓的要求，提高了系統的安全性，而且電路結構比較簡單，只要一個大電容，效率高、易控制。

全橋逆變電路是單相逆變電路之中應用最為廣泛的，其電壓波形可以通過傅里葉級數展開進行定量的分析，幅值為Ud的矩形波uo可以展開成傅里葉級數得[3]：

2.2輔助電源設計

輔助電源主要為各類芯片以及控制器提供供電電源，為整體系統的穩定可靠運行提供保證。設計基于DC/DC的安時捷模塊，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，預估工作電流在500ma之內，可以保證選用的安時捷模塊的功率足夠且不浪費，利用穩壓芯片L7805，L7905，L7812，L7912可獲得±5V與±12V的直流供電電壓。

2.3驅動電路設計

主電路的Boost斬波電路與全橋逆變電路均需有效驅動，對于Boost升壓斬波電路，使用A3120光耦驅動芯片，一路輸出進行驅動。對于全橋逆變電路，選用兩片IR2104半橋驅動芯片進行驅動，IR2104可產生互補兼具死區時間的兩路驅動信號，可降低SPWM波的編程難度。

2.4檢測電路設計

為了實現系統的閉環控制，交流電壓與交流電流的檢測是實現閉環控制的關鍵所在。通過交流電壓互感器與交流電流互感器，按照設計比例轉換成量值不同的交流電壓量，如圖5和圖6所示。通過有效值轉換芯片將檢測的交流電壓轉換成直流電壓信號輸入STM32采樣端進行數據處理，從而實現系統控制。由于電壓、電流的變化范圍不同，需選用不同的有效值轉換芯片，有利于精確測量、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有效值轉換芯片[5]。

3.程序設計

3.1 PWM控制信號

PWM波的產生方式可以用硬件或軟件實現。目前有許多硬件方案可以選擇，如用運放、比較器等元件構建、調制，另外可以通過專用控制芯片產生，如用專門的PWM調制芯片TL494等。但相對軟件而言，硬件方法比較復雜，穩定性稍差，容易受到外界的干擾，成本較高并且增加了系統功耗。軟件調制使用STM32內部的定時器，工作在PWM模式與SPWM模式。因此，軟件法價格低廉且易控制。

對于Boost升壓斬波電路，單片機輸出一路占空比可調的方波，通過光耦A3120驅動電路對MOSFET進行驅動。對于逆變電路，單片機輸出兩路互補的SPWM波，通過IR2104驅動電路輸出互補兼具死區時間驅動信號，對橋臂上的4個MOSFET進行有序的驅動。由步進設定所需的電壓值與頻率值，通過調節PWM波的占空比改變輸出的電壓幅值，調節SPWM波的頻率改變輸出正弦電壓的頻率，前者通過電壓檢測完成電壓幅值的閉環控制，后者直接開環控制頻率，通過示波器顯示并觀察。

3.2保護控制

通過硬件與軟件結合的方法實現系統的保護，主要以軟件控制為主。系統具有過壓保護、欠壓保護、過流保護和短路保護。輸入側通過分壓電路取電壓信號，一旦檢測電壓過壓或者欠壓，直接關斷PWM波與SPWM波的輸出，使得主電路的輸出電壓為零。交流側的電流信號通過交流電流檢測模塊輸出給單片機，一旦檢測到過流電流與短路電流，同樣關斷PWM與SPWM信號的輸出。同時在程序中添加自恢復時間與系統外設人工恢復按鍵，保護動作發生后立刻排除故障，可實現電路再次正常運行。

3.3調試結果

檢測模塊的檢測誤差低于0.5%，設定電壓值與實際電壓值誤差保持在1%之內，系統的整體效率在85%左右，輸出正弦波電壓波形的失真度控制在1%之內，輸出電壓頻率因開環控制誤差幾乎為零。該方案下設計的單相正弦波電源的整體性能良好，能夠穩定運行較長時間。

4.總結

本文將硬件選型和軟件編程有機結合，完成了一個輸出電壓和頻率可調的單相正弦逆變電源。在實際實現中，將硬件系統劃分為各大模塊進行分析、設計、調試；軟件設計則按各項指標要求進行采樣信號的處理和輸出信號的控制等。實驗結果表明：設計的單相正弦電源性能完善、穩定，具有效率高、精度高、變化率低等特點。

參考文獻：

[1]Sanjaya Maniktala.精通開關電源設計[M].王志強譯.北京：人民郵電出版社，2008.190-198.

[2]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2012.101-103.

[3]徐德鴻，馬皓，汪槱生.電力電子技術[M].北京：科學出版社，2006.86-87.

[4]陳仁偉，朱長青，岳夕超.AD637的簡單正確使用[J]，電子測量技術，2010.33（6）.

[5]崔志勇，李建科.真有效值轉換器AD736及其應用[J]，河北工業大學報，2005，34.