一種低功率寬電壓輸入逆變器

文/李興 龍楊帆 陳文光 饒益花 黃暢

逆變技術是將直流電轉換為交流電的一種技術，而目前國內主要實現的是輸入恒定的逆變電源，對于輸入可變的逆變電源還有所欠缺。但對于一些發電設備而言，輸入功率往往是變化的而非恒定的，這時對于如何設計一種寬電壓輸入逆變輸出可調的逆變器成為需求。現需設計一個直流輸入為10～32V，輸出為頻率50～100Hz步長為1Hz可調的15～20Vrms正弦波逆變器。本文為此提供了一種寬電壓輸入、輸出電壓頻率可調的低功率逆變器設計思路。

1 硬件部分

1.1 系統結構

考慮到輸入為寬輸入的直流電，輸出為幅值頻率在一定范圍內可調的逆變交流電。因此想到先利用DC-DC斬波電路，將直流電變換為母線電壓恒定的直流電，再將電壓幅值恒定的直流電輸入到單相橋式逆變電路以達到DC-AC的變換。

圖1：系統框圖

如圖1所示，為提高電路效率，系統由同步Buck-Boost串聯和全橋構成升降壓逆變主電路，采用STM32F407作為控制器，通過信號采集電路，實現對系統進行電壓閉環控制和FFT電參數分析和穩壓變頻，電路保護和參數顯示。

1.2 DC-DC主拓撲

對于常見的升降壓電路有：Sepic、Cuk、Zeta變換器、反激性變換器等，其輸入與輸出之間的關系式均滿足：

Sepic、Cuk、Zeta變換器均為兩級變換器，其效率為前級與后級之積和單級變換器相比其效率明顯降低。反激性電路雖然為單級變換器，但其有電能到磁能再到電能的能量變換，在能量的變換過程中必有能量的損耗。因此利用Buck-Boost相串聯，以提高斬波變換效率。

表1：50Hz實驗結果表

表2：75Hz實驗結果表

圖2：DC-DC主拓撲電路

Buck-Boost的主拓撲如圖2所示，通過對傳統升降壓轉換器結構的改進，可看成是 Buck與 Boost 串聯而成，給Q4常閉信號，Q1、Q2按照降壓型變換器的工作方式工作，該電路能實現降壓功能；工作在升壓狀態時則要求Q2始終截止，Q1始終導通，利用同步整流提高變換效率，用可控MΟSFET代替傳統二極管，即可實現升降壓功能，且效率較高。

對應在Buck模式下輸入與輸出電壓關系為：

Boost模式下輸入與輸出電壓關系為：

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Buck-Boost模式下輸入與輸出電壓關系為：

當輸入為10～32V時，為使最終輸出正弦電壓能夠達到有效值為15Vrms，三端穩壓，保證DC-DC斬波部分恒定輸出為26V。

對于同步升降壓電感L的計算，同步BΟΟST依舊可在普通BΟΟST基礎上計算電感。逆變輸出電壓有效值為Vrms，輸出最大電流有效值為irms，可得最大升壓,最大輸出電流輸入電壓10～32V，選取開關頻率f=20kHz，占空比D=(Vmax-Vin)/Vmax。取電流紋波率r=0.4，由公式同時為保證余量，本設計選擇L=1200uH，可用鐵硅鋁磁芯繞制電感。

1.3 全橋逆變電路

對于逆變電路采用單相全橋逆變電路，橋管全部采用MΟSFET，以達到全控和提高效率的作用。利用SPWM波和LCL濾波電路，最終得到正弦波逆變器，再采用電壓環使輸出始終維持在15Vrms。

如圖3所示，SPWM生成采用規則采樣法，由經采樣的正弦波與三角波相交，由交點得出脈沖的寬度。這種方法只在三角波頂點位置或底點位置對正弦波采樣而形成階梯波。控制器中通過改變定時器周期改變載波頻率實現調頻,改變定時器輸出的PWM占空比，得到成正弦規律變化的SPWM波。再經過LC濾波即可得到波形較好的正弦交流電。

對于全橋濾波電感電容的計算，設濾波器的截止頻率為F。濾波電感L取得過大將引起過大的基波輸出電壓降，取得太小，流過濾波器電感的最大諧波電流也就越大，可取濾波電感L2。由此可計算濾波電容C=1/(4π2*F2*L2)，為達到更好的濾波效果，電容類型可使用CBB電容。

2 軟件部分

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PΙD閉環調節。SPWM中斷服務函數通過正弦表查詢實現系統逆變。主函數流程圖如圖4所示。

圖3：全橋逆變示意圖

圖4：主函數流程圖

圖5：降壓工作示意圖

圖6：降壓時序示意圖

圖7：升壓工作示意圖

而對于DC-DC的控制程序可分為降壓控制、升壓控制以及升降壓控制。

（1）降壓工作原理：Q3常閉，Q4常開，Q1、Q2交替開通就構成了一個同步降壓電路拓撲，與典型降壓電路的計算公式一樣滿足 Vout=D×Vin。降壓工作示意與時序如圖5、6所示。

（2）升壓工作原理：其中Q1常通，Q2常閉，Q3、Q4交替開通關斷，構成了一個同步升壓電路拓撲，與典型升壓電路的計算公式一樣滿足Vout=Vin/(1-D)。升壓工作示意與時序如圖7、8所示。

（3）升降壓工作原理：設Buck占空比為D1，Boost占空比為D2，則升降壓電路滿足Vout=D1×Vin/(1-D2)，設D1占空比恒為80%，D2占空比從0.05到0.45可調，則輸出電壓與輸入比值范圍從0.85到1.45。升降壓工作時序如圖9所示。

3 實驗結果

當輸出為15V、50Hz、2A時，其結果如表1和圖10所示。

電壓調整率和負載調整率分別為0.018636%、0.027333%。

當輸出為15V、75Hz、2A時，其結果如表2和圖11所示。

電壓調整率和負載調整率分別為0.010000%、0.014667%。

4 結論

本文提供了一種寬電壓輸入、輸出電壓幅值頻率可調的低功率逆變器設計思路，DC-DC部分采用Buck與Boost串聯，提高了逆變器效率。利用PΙD調節通過降壓、升壓與升降壓三種模式保證了直流母線電壓恒定。使用規則采樣法的SPWM生成成正弦規律變化的SPWM波，再經過LCL濾波得到波形較好的正弦波，輸出頻率在一定范圍可調高效，低THD的逆變器。

圖8：升壓工作時序圖

圖9：升降壓工作時序圖

圖10：50Hz效率曲線

圖11：75Hz效率曲線