基于三相逆變的研究

梁 帥，樊 邦，沈文富，薛 彪，王 軒

（中北大學朔州校區 山西 朔州 036000）

1 系統方案

本系統主要由單片機控制模塊、DC-AC逆變模塊、DC-DC升壓模塊、輔助電源模塊這四大模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

1.1 主控制器的論證與選擇

1.1.1 控制器選用 采用STC15F2K60S2單片機

STC15F2K60S2內部自帶高精度內部振蕩器，且該單片機有寬電壓、低功耗、抗干擾能力強的優點，對電路的適應力比較強，而且可以同時輸出三路SPWM波，符合要求，且編程難度不大。

1.1.2 控制系統方案選擇 采用單片機最小系統

單片機最小系統是應用最廣泛的基礎電路系統，它內部涵蓋了矩陣按鍵，顯示屏輸出和AD-DA轉換等模塊。在本設計中大大降低對外圍電路的設計與連接，降低對實驗硬件的要求與難度。

1.2 DC-DC升壓模塊的論證與選擇

方案一：采用TL494控制BOOST電路

TL494芯片具有固定的脈沖輸出作用，同時具有開關電源的全部功能。這一特性決定了它適用于固定頻率的脈寬電路中。但在實際運用效果不適合在本實驗中采用。因為在實際電路制作過程中，難以輸出方波，其次，帶負載通電后難以進行調試。

方案二：采用UCC28019控制BOOST電路。

UCC8019是一種兼功率因數矯正和穩壓于一體的芯片。穩壓性能好，功率因數矯正能力強，但根據電路指標和實際情況，輸入Vi=24V，輸出Vo=40V，且本電路中不需要進行功率因數校正。

綜合以上兩種方案，選擇方案二。

1.3 DC-AC逆變模塊的選擇

采用半橋逆變電路。

半橋逆變電路是由2個MOS管交替工作于正弦波的各個波段，適用于低壓小功率輸出場合，且開關電流相比于全橋有所減少，在產生三相對稱交流電時只需使用6個MOS管，成本較低，也具有較強帶不平衡負載的能力，便于焊接和調試。

1.4 輔助電源模塊選擇

采用78系列芯片控制電路，該電路為線性電源，電路較為簡單，這里不再贅述。

2 系統理論分析與計算

2.1 電路原理的分析

（1）逆變器的主要控制技術

采用SPWM控制技術，該技術是目前較為成熟的單極性，適合本電路中采用，該技術為調制信號正弦化的PWM控制技術。根據題目要求，為了產生三相對稱交流電，需要同時輸出三路SPWM波。基于此原因，STC15芯片便作為我們該設計中的主控制器，通過編程產生三路SPWM波，經過IR2104的驅動輸入到半橋逆變電路，實現對逆變電路的控制。

（2）提高效率的方法

經過多重方法的比較與分析，提高工作效率，同時降低成本的方法最行之有效的是同步整流法。能大大提高DC/DC變換器的效率并且不存在由肖特基勢壘電壓而造成的死區電壓。主要工作原理是是用通態電阻極低的專用功率MOS管取代整流二極管以降低整流損耗。在DC-DC電路實際運用中，我們使用的同步整流技術，大大提高了電路效率。

2.2 電路參數的計算

（1）逆變器前級輸出電壓計算

已知逆變得到的最終電壓有效值為U1=24V，設輸入逆變電路電壓U0，一個周期開始前電流經過圖X中上方MOS管時得到正弦波的上半部分，記錄此刻電壓為有效值Uc1，經過下方MOS管時電壓有效值Uc2，一個周期開始前經過MOS管電壓UC|t=0=U1。通過計算：

則在正半周期時，U1=Uc1=UC|t=0 （1）；

在負半周期，U1=Uc2=UC|t=0 （2）；

根據整個電路關系，可得：Uc1=U0-UC|t=0 （3）；

由（2）和(3)可得：U0=2UC|t=0=2U1=48V （4）；

同時可得MOS管最大電壓為U1=24V，IRF540最大耐壓值Vds=100V，因此不會燒壞MOS管。見圖1。

圖1

（2）逆變電路輸入濾波電容計算

由于輸入電流為直流電，則設輸入電流為I1，經過濾波電容電流為IC經過后續電路的電流為I2，等效電阻R，輸入電壓U0，電容電壓UC，則

I1=IC+I2；U0=UC(t);IC=CdUC(t)/dt；I2= UC(t)/R;

整理,解一次其次微分方程得UC(t)=Asin（wt），UC(t)max=48× √ 2=67.88；

3 電路與程序設計

電路的設計：

（1）DC-AC逆變模塊子系統框圖與電路原理圖，見圖2、3。

圖2 逆變模塊框圖

圖3 逆變電路原理圖

（2）DC-DC模塊子系統框圖與電路原理圖，見圖4、5。

圖4 DC-DC系統框圖

圖5 DC-DC電路原理圖

（3）主要程序剖析

4 測試方案與測試結果

4.1 測試方案分布

（1）硬件測試

（2）軟件仿真測試

（3）硬件軟件聯調

4.2 測試條件與儀器

測試條件：反復檢查，確保仿真電路和硬件電路必須與系統原理圖完全相同，并且在檢查無誤的情況下，硬件電路保證無虛焊。

測試儀器：模擬示波器，數字示波器，萬用表。

4.3 測試結果如表1所示

表1 2V檔信號測試結果 （單位/V）

[1]譚浩強.C語言程序設計[M].北京:清華大學出版社，2012.