輸出頻率可調單相升壓逆變器的設計

董招輝，歐俊希，賓 斌，陳文光

（1.南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽421001；2.湖南省特種設備檢驗檢測研究院郴州分院湖南 郴州 423000）

輸出頻率可調單相升壓逆變器的設計

董招輝1，歐俊希2，賓 斌1，陳文光1

（1.南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽421001；2.湖南省特種設備檢驗檢測研究院郴州分院湖南 郴州 423000）

采用同步boost升壓和全橋逆變技術設計了單相正弦波逆變電源電路，將24 V直流轉換為36 V交流電壓，以TM4C123GH6PM微控制器為主控芯片，加上輸入電壓前饋控制、輸出電壓-電流雙閉環PID控制、FFT處理，具有高效（效率為95%）、低THD（0.5%左右）、低瞬態響應時間（在100 ms以內）、輸出頻率20～100 Hz可調、頻率準確的特點；在輸入欠過壓、輸出過流等情況下，能進行自我保護，故障排除后自恢復輸出功能；可顯示輸出功率、功率因數、THD、頻率和電路運行狀態。系統電路結構簡單、成本低、穩定可靠。

升壓逆變；同步boost；全橋；雙閉環控制；FFT

Abstract:A single-phase sine-wave inverter power supply is designed.It can convert the 24V DC to 36V AC.It adopts synchronous boost converter and full bridge inverter technology，and TM4C123GH6PM micro-controller as the control chip.The input voltage feed-forward control，the output-voltage-current double closed-loop PID control methods and FFT process are applied.The experimental results show that its convert efficiency high to 95%，THD low to 0.5%，and transient response time within 100ms.The output frequency can adjust from 20 Hz to 100 Hz and with high accuracy；in the cases of input undervoltage，over-voltage and output over current，the inverter can protect and self-recovery under failure recovery； It can display the output power、power factor， THD， frequency and operation status.The system has the features of a compress circuit structure，low cost， running stably and reliably.

Key words:step-up inverter； synchronous boost； full bridge； double closed-loop control； FFT

隨著電力電子技術的發展，逆變電源的應用越來越廣泛，對逆變系統的效率和輸出電壓波形特性也提出了越來越高的要求。大多升壓逆變電源采用先逆變后變壓器升壓或先隔離升壓再逆變的方式，需要用到隔離變壓器，使得變換器效率低、體積大[1-3]。也有些采用單級逆變升壓的方式，輸入電壓經過兩個對稱的同步boost電路按正弦波實現升壓交流輸出，整個拓撲效率低，波形失真大，控制方法復雜[4-5]。本系統設計的直流24 V轉換為36 V交流單相正弦波逆變電源，從提高效率考慮采用同步boost升壓和全橋逆變的主電路拓撲；從減小瞬態響應時間考慮采用輸入電壓前饋控制[6-8]；從減小輸出波形的諧波考慮采用SPWM控制[9-11]、輸出電壓-電流數字雙環PID控制[12-15]、內部進行FFT處理。

1 系統總體方案

系統設計框圖如圖1所示。由同步boost升壓和全橋逆變構成系統的主電路。采用TM4C123GH6PM作為控制器，產生SPWM波、保護信號及顯示等功能。信號采集電路一方面采集輸出交流電壓、電流，進行系統的雙閉環PID控制和FFT電參數分析，實現穩壓變頻輸出、過流及短路保護；另一方面采集輸入電源電壓進行電壓前饋控制，減小瞬態響應時間，同時實現輸入電壓的欠壓及過壓保護。LCD實現輸出功率、功率因數、THD、頻率和電路工作狀態的顯示。按鍵實現輸出頻率的設定。

圖1 系統框圖

2 硬件電路設計

2.1 同步BOOST與全橋逆變電路

1）電路結構

同步boost與全橋逆變電路如圖2所示。前級由同步BOOST對輸入直流進行升壓，同步BOOST電路采用3個470 μF/35 V的電容C1～C3并聯進行穩壓濾波，減小ESR，提高電路效率。升壓時，開關管Q2為主功率元件，決定電路（升壓）變比，Q1實現同步整流，替代二極管，減小導通損耗，此時，電路電流由低壓側流向高壓側。后級由全橋和濾波電路實現逆變，全橋由四個開關管組成，互為對角的兩個開關管同時導通，同一側半橋上下兩開關管交替導通，開關管的導通受雙極性SPWM波控制，兩個橋臂中點間即可得到雙極性的SPWM波，經LCL濾波后可還原出相應正弦信號。逆變的輸出取自4.7 μF的MKP濾波電容兩端。

2）參數計算

1）同步BOOST電感計算

逆變輸出電壓有效值為VO2=36 V，輸出最大電流有效值為IO2=1.7 A，可得最大升壓最大輸出電流，輸入電壓VIN=24 V，選取開關頻率 f=20 kHz， 占空比 D=（VO1-VIN）/VO1=0.53。 取電流紋波率 r=0.4，由公式：mH，為保證余量，本設計選擇L=1.5 mH，用相對導磁率為125的鐵硅鋁磁芯繞制電感。

2）全橋濾波電感電容計算

采用LC無源濾波電路，考慮到電容耐壓值與電容值之間的矛盾，選取電容值4.7 μF無極性耐壓250 V的MKP電容。為減小電感體積，又保證濾波效果良好，濾波器截止頻率只需為載波頻率的左右。由，得L=1.4 mH，為滿足更好的濾波效果，取L=2 mH，采用雙電感LCL結構。

圖2 同步boost和全橋電路結構

2.2 驅動電路

開關管的理想驅動波形應有合理的脈沖上升沿和下降沿以及足夠大的驅動能力，合適的驅動正向電壓和反偏電壓。光耦驅動的開關速度較快，對驅動脈沖的前后沿產生較小延時，且結構簡單，抗干擾能力較強。將單片機產生的PWM信號經過光耦TLP250隔離功率放大，直接驅動功率管，驅動電路如圖3所示。 其中R3、R7為柵極電阻，R4、R8為下拉電阻，確保上電復位瞬間開關管處于關斷狀態，避免開關管直通。圖2中的Q1、Q3、Q5驅動時需要供電，本設計使用自舉供電方式，D1與C8完成此功能，其驅動電路如圖 3（a）所示。 Q2、Q4、Q6 的驅動電路如圖 3（b）所示。

2.3 信號采集電路

輸入直流電壓直接經電阻分壓后采集。輸出交流電壓經差分縮小再經精密差分運放OPA2350電位提升作為單極性正電壓采集信號。輸出交流電流由穿心式電流互感器再經OPA2350電位提升得到單極性電壓采集信號。電路設計時，要盡量保證此兩路信號的延時一致，確保它們不會造成相位檢測的畸變。輸出交流電壓和輸出交流電流采集電路分別如圖4和圖5所示。

圖3 光耦驅動電路

圖4 輸出電壓采樣電路

圖5 輸出電流采樣電路

3 程序設計

系統程序由兩部分構成：主函數循環、SPWM中斷服務函數。主函數負責人機交互，顯示和電路狀態響應，并對系統進行FFT分析和數字PID閉環調節。SPWM中斷服務函數實現系統逆變。程序流程圖如圖6所示。考慮到逆變器的電壓穩定性及負載效應，使用電壓-電流雙閉環控制技術，PID參數通過離線計算得到。

圖6 程序流程圖

4 系統測試

測試所用儀器：數字存儲示波器—Tektronix/MDO3034； 萬 用 表 —VICTOR/VC890D、LNI-T UT151F；直流穩壓電源—STP3010；滑動變阻器—BX7-14。測試波形如圖7所示。

圖7 測試波形

經測試，逆變器效率為95.04%、THD=0.587%、頻率在20～100 Hz可調；輸入電壓在21.5～26.5 V變化時，輸出電壓調整率為0.05%；調節輸入電壓在20±0.5 V范圍，輸出欠壓保護；調節輸入電壓在28±0.5 V范圍，輸出過壓保護；調節輸出電流至1.7±0.1 A，電路過流保護；具有輸出短路保護自恢復，功率因數和THD及工作狀態顯示功能。

5 結 論

本系統以TM4C123GH6PM控制器為核心，采用輸入電壓前饋加數字電壓PID控制方式實現高精度的恒壓控制和快速的響應速度，電路含FFT進行參數分析。系統效率達到95%，動態響應時間僅100 ms，各種保護及顯示功能完善，系統運行穩定。

[1]劉國海，金科，等.光伏發電系統中高升壓比DCDC變換器[J].南京航空航天大學學報[J].2012，44（1）：25-31.

[2]包廣清，任士康.基于STC系列單片機的車載逆變電源[J].機電工程，2014，31（2）：239-243.

[3]付瑤，譚智力，于珊.基于SG3525控制的車載逆變電源設計[J].中國測試，2015，41（1）：77-80.

[4]閆朝陽，李建霞，賈民立，等.雙Boost逆變及用于高頻鏈矩陣式逆變器[J].電力電子技術，2010，44（5）：23-25.

[5]楊奇，黃文新，等.新型單級可升壓逆變器[J].電工技術學報，2011，26（4）：122-127.

[6]程新，劉眾鑫，沈昂，等.基于電壓前饋的DC/DC變換器雙閉環控制策略 [J].電力電子技術，2016，50（7）：18-20.

[7]潘鋼，徐浩，黃治清.基于反激變換器恒流控制的電壓前饋補償策略 [J].電力學報，2014，29（5）：400-403.

[8]Huang P C，Wu W Q，Ho H H，et al.Hybrid Buck-Boostfeedforward and reduced average inductor current techniques in fast line transient and high-efficiency Buck-Boost converter[J].IEEE Transaction on Power Electronics，2010，25 （3）：719-730.

[9]Frickson R W，Maksimovic D.Fundamentals of power electronics[M].Norwell:MA.Kluwer，2011.

[10]王紀元，紀延超，趙般多.一種新型的單相逆變電源及其調制方式的研究[J].中國電機工程學報，2003，23（7）：62-66.

[11]張先進，龔春英.一種SPWM控制雙Buck半橋逆變器研究[J].電氣傳動，2009，39（2）：48-51.

[12]Restrepo C，Calvente J，Romero A，et al.Currentmode control of a coupled-inductor Buck-Boost dc-dc switching converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（5）：2536-2549.

[13]付好名，馬皓.基于DSP和增量式PI電壓環控制的逆變器研究[J].電源技術應用，2004，7（12）：715-718.

[14]孟淵，王衛國.新型開關電源控制方法研究[J].現代電子技術，2014，37（6）：143-146.

[15]李東旭，黃燦水，湯寧平，等.基于DSP雙閉環控制的單相逆變電源設計與實現[J].2011（3）:21-23.

Design of a frequency adjustable and single-phase output boost type inverter

DONG Zhao-hui1，OU Jun-xi2，BIN Bin1，CHEN Wen-guang1
（1.School of Electrical Engineering， University of South China， Hengyang421001，China； 2.Hunan Special Equipment Inspection and Research Institute Chenzhou Branch， Chenzhou423000，China）

TN7

A

1674-6236（2017）19-0110-04

2016-09-20稿件編號201609177

衡陽市科學技術發展計劃項目（2015KG50）；2016年南華大學校級教研課題資助項目（2016XJG-ZZ01）

董招輝（1980—），女，湖南衡陽人，碩士，講師。研究方向：電力電子技術及電源技術。