一種正弦波逆變器的設計

王海濤

(河南神火集團煤業(yè)公司， 河南 永城 476600)

0 引言

正弦波逆變器廣泛運用于航空、應急、太陽能及風能發(fā)電領域等需要應急電源的場所，可構(gòu)成EPS應急電源系統(tǒng)。在民用領域，成本是重要的考慮因素之一。為了降低成本，需要采用低電壓輸入、高電壓輸出，并采用低成本的控制器以實現(xiàn)升壓及正弦逆變控制。

本文提出一種采用SG3525芯片控制低壓升高壓的前級DC-DC變換器，并結(jié)合后級采用低成本PIC16716 處理器進行正弦波脈寬調(diào)制，在實現(xiàn)正弦波逆變的同時降低系統(tǒng)成本。

1 系統(tǒng)設計

該裝置硬件結(jié)構(gòu)分為低壓升高壓的前級DC-DC和單相逆變器DC-AC兩部分，前級DC-DC主要實現(xiàn)對高壓直流的穩(wěn)壓控制，后級實現(xiàn)正弦波脈寬調(diào)制，并對輸出的正弦電壓進行穩(wěn)壓。前后級之間采用開關(guān)量進行聯(lián)動，以實現(xiàn)故障保護。

該系統(tǒng)具有兩個特點：

1) 采用前后兩級控制分離，可以實現(xiàn)SG3525的高頻直流變換，實現(xiàn)直流高壓的精確穩(wěn)壓控制，以避免采用高頻的處理器增加系統(tǒng)成本。且由于已經(jīng)實現(xiàn)直流穩(wěn)壓，可以使得前后級之間控制解耦，控制難度得以下降。

2) 后級單相逆變采用低成本的PIC16716 處理器，完成正弦波脈寬調(diào)制以及交流穩(wěn)壓控制。

2 硬件設計

2.1 前級電路設計

電源為電壓為24 V的鉛酸蓄電池，前級DC-DC變換器如圖1所示。由圖1可知，SG3525 產(chǎn)生兩路反相驅(qū)動來控制MOSFET 的導通與關(guān)閉。采用推挽式結(jié)構(gòu)，變壓器的中間抽頭接入24 V電源，兩個MOS管交替導通，在變壓器次級產(chǎn)生高頻高壓方波，經(jīng)過快復二極管構(gòu)成的全橋整流電路整流獲得高壓直流輸出，其輸出動、穩(wěn)態(tài)特性均較好。前級選用推挽式結(jié)構(gòu)主要考慮其對變壓器利用率較高，且在輸入電壓較低的情況下，仍能維持較大功率輸出。

圖1 前級電路

前級控制SG3525為控制核心，外圍電路構(gòu)成較為簡單。由RT、CT和內(nèi)部電路組成震蕩電路，取CT=5.1 nF，RT=1.5 kΩ，RD=220 Ω。根據(jù)芯片手冊提供的公式f=1/[CT(0.7RT+3RD)]，可計算出振蕩器輸出頻率約114.4 kHz。則PWM輸出頻率約為57.2 kHz。在芯片8腳接入10 μF 的電容，以實現(xiàn)變換器的軟啟動。系統(tǒng)中的基準比較調(diào)節(jié)電路則由基準引腳Uref，同相輸入端及外圍電阻構(gòu)成。2 腳的電壓固定值為5.1 V。SG3525的1，2，9腳及其外圍電路構(gòu)成了PI 調(diào)節(jié)器，進而實現(xiàn)了高壓直流電壓的穩(wěn)壓控制。

2.2 后級電路設計

后級采用6R190E6做H 橋逆變，基于SPWM調(diào)制后的高頻交流輸出，逆變橋的開關(guān)頻率為10 kHz。后級的逆變橋電路如圖2所示。考慮到較高的du/dt產(chǎn)生的米勒效應，為避免MOSFET誤導通，門極電阻反并聯(lián)了快恢復二極管，同時，在MOSFET的門極并聯(lián)了0.01 uF的電容防止MOSFET受到誤觸發(fā)。

圖2 后級逆變橋電路

輸出的斬波電壓并非期望的正弦波，故還需進行濾波。采用2 mH電感和4.7 uF 電容組成截止頻率為1.64 kHz的濾波器，濾除其中高頻分量，進而獲得50 Hz的正弦波電壓輸出，再經(jīng)EMI 濾波器濾除共模干擾。濾波電路如圖3所示。

2.3 單極倍頻調(diào)制

為獲得正弦輸出電壓，需要對逆變橋進行正弦脈寬調(diào)制。常規(guī)的脈寬調(diào)制算法有單極性正弦波脈寬調(diào)制、雙極性正弦波脈寬調(diào)制以及單極倍頻正弦波脈寬調(diào)制。雙極性正弦波脈寬調(diào)制數(shù)字實現(xiàn)簡單，但輸出諧波較大；單極性正弦波脈寬調(diào)制開關(guān)損耗較低，輸出諧波較小，但其數(shù)字實現(xiàn)稍微復雜一些；而單極倍頻正弦波脈寬調(diào)制以其優(yōu)點成為設計首選：

圖3 后級濾波電路

1) 采用相同載波頻率時，由于每個載波周期輸出脈沖數(shù)加倍(倍頻)，高次諧波頻率加倍，故而諧波含量減少。

2) 高次諧波頻率相同時，即輸出脈沖個數(shù)相同時，開關(guān)損耗減半。其實現(xiàn)的調(diào)制波與載波如圖4所示。

圖4 單極倍頻脈寬調(diào)制

3 實驗分析

研究搭建了一套實驗樣機以驗證設計的有效性。圖5所示為前級MOSFET的門極驅(qū)動信號及流過其中一路MOSFET的電流波形，由實驗波形可知，MOSFET工作頻率達到了預定的57.2 kHz，與理論相吻合。

圖6所示為逆變器以臺式機電腦作為負載時的波形。由于臺式機電源采用不控整流輸入，為非線性負載，更能考驗逆變器工作的穩(wěn)定性。由圖6波形可知，輸出交流電壓正弦度較好，電壓穩(wěn)定在220 V左右，未受到負載非線性的影響。

電氣設備的電磁兼容要求需要得到滿足。圖7所示為逆變器進行EMI測試的測試結(jié)果。測試采用EN55011標準。由測試結(jié)果可知，該設備滿足標準要求，反映設計中采用的EMI濾波設計達到了目的。

圖5 前級驅(qū)動信號及MOSFET電流波形

圖6 輸出交流電壓與負載電流波形

圖7 EMI測試結(jié)果

4 結(jié)論

逆變器采用低成本的SG3525芯片以及PIC16716 芯片進行控制，實現(xiàn)了高性能的正弦波輸出，通過實驗分析和設備實驗運行，其性能良好，不但滿足了實際應用要求而且其前景可觀。