基于單片機的車載逆變電源設計

郭志成 任曉芳 朱東山

（蘭州工業學院電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

隨著私家汽車的普及和現代科技的進步，大量電子產品，例如車載音響、電視、冰箱、平板電腦、醫療急救電器等的投入使用，使人們出行更加舒適和方便。但這些電子產品均需交流供電，而汽車上大多為直流12V電源，因此需要車載逆變電源，要將直流12V轉換為220V、50Hz的正弦交流電，以便在車內可以使用一些通用電器。傳統的逆變電源采用全橋逆變+工頻變壓器的方案輸出所需交流電，工頻變壓器較為笨重，使電源的體積、成本增加，且噪聲較大，不能很好的滿足人們的需求[1-2]。針對上述問題，本文采用具有中間直流環節的高頻鏈逆變電源系統結構，有效減小逆變電源體積，系統具有輸出電壓穩定、成本低、轉換效率高的優點。

1 系統硬件設計

逆變電源主電路采用兩級變換，即前級DC/DC升壓變換和后級DC/AC變換，系統硬件結構圖如圖1所示，前級的推挽電路采用2組對稱的推挽電路作為主拓撲[3-4]，高頻變壓器采用雙變壓器形式，它們的一次側繞組并聯分別接一組推挽電路，并采用相同的時序控制方式，兩個變壓器的二次側繞組與單變壓器電路相比，繞組匝數減少一半，相互串聯。采用這種結構后與常用推挽電路相比，輸入電流減小一半，則變壓器一次側銅損耗和開關損耗減小為原來的1/4，提高了轉換效率，降低了變壓器設計難度。前級DC/DC電路以SG3525為主控核心，推挽電路開關管Q1和Q3為1組，Q2和Q4為1組，兩組開關管在SG3525輸出的PWM驅動下交替導通，高頻變壓器輸出高頻方波采用全橋整流，經LC濾波后得到直流310V，為確保直流母線電壓在設定范圍內，還需采集母線上的電壓，反饋至SG3525，以此調節SG3525的脈寬輸出。

圖1 系統硬件結構

后級DC/AC變換采用全橋逆變電路，以PIC單片機為控制核心，完成后級全橋逆變電路的SPWM控制任務，得到正弦交流輸出，同時電池電壓、輸出電壓、輸出電流、變壓器溫度實時采樣信號也被送入單片機處理，實現對蓄電池電壓檢測及系統的過流、過欠壓、過載和過熱等故障監控。

1.1 SG3525控制電路

SG3525是由美國硅通用半導體公司推出的一款性能優良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片[5]，它具有雙通道輸出，可產生兩路反向方波來控制開關管的導通與關閉，適用于推挽式電路，可以大大簡化PWM控制電路，完全滿足DC/DC升壓變換電路的設計需求。其內部原理框圖如圖2所示，SG3525內部集成了誤差放大器、PWM比較器、同步功能的振蕩器、5.1V精密基準電源、同步觸發器等電路，輸出驅動為推挽形式，增加了驅動能力，最大驅動電流為500mA，可以直接驅動開關管。

為穩定直流母線電壓，采用基準源TL431和光耦PC817組成電壓反饋電路，其電路原理如圖3所示，通過電阻分壓獲得母線電壓采樣值，TL431內部有2.5V基準源與其比較，當母線電壓波動時，會在TL431的陰極產生誤差電壓，導致光耦PC817中發光二極管電流變化，經過光電隔離將電壓取樣反饋電阻反饋給SG3525的引腳1，送入SG3525中誤差放大器，控制脈沖調制器的輸出占空比，以調節輸出電壓。

圖3 電壓反饋電路

1.2 逆變驅動控制電路

逆變驅動控制電路是以PIC16F877A為核心，輸出SPWM信號作為全橋逆變器的四個功率管的控制信號，功率管是由芯片IR2110驅動的，它具有欠電壓鎖定功能，可有效防止橋臂的直通，很適合橋式電路。為保證在負載波動的情況下，輸出電壓依然要保持穩定，實時監控負載電壓電流，對欠壓、過流等異常現象進行處理，發生故障可封鎖SPWM信號使輸出電壓下降為零，保護逆變電源。

2 軟件設計

系統軟件編程是在PIC單片機綜合開發環境MPLAB下進行，采用模塊化的方式，包括主程序和各個子程序，子程序包括括初始化程序、過熱檢測程序、電池電壓和輸出電流檢測程序、SPWM波形產生程序等，主程序調用子程序流程如圖4所示。系統上電后先進行初始化，主要完成中斷屏蔽寄存器設置、通用串口設置、I/O口的分配與設置等， 然后檢測電池電壓是否正常、過流、過熱等情況，當出現異常封鎖SPWM信號關閉輸出，當輸出電壓低于或高于設定值時，實時調節脈沖波形占空比，來維持輸出電壓恒定。

圖4 主程序流程圖

3 結語

本文設計了一種車載逆變電源，以PWM芯片SG3525和單片機PIC16F877A為控制核心，采用兩級變換結構，先利用推挽電路控制升壓，再通過全橋逆變得到需要的交流。設計結構簡單、成本低廉，能夠克服傳統車載逆變電源存在的問題，提高了電源的適用性。