摘要：介紹了一種正弦波輸出的逆變電源的設(shè)計。設(shè)計中采用了DC/DC和DC/AC兩級變換,，高頻變壓器隔離,，單片機(jī)控制。實驗結(jié)果表明性能可靠,。
O 引言
低壓小功率逆變電源已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用領(lǐng)域,。特別是新能源的開發(fā)利用，例如太陽能電池的普遍使用,，需要一個逆變系統(tǒng)將太陽能電池輸出的直流電壓變換為220V,、50Hz交流電壓，以便于使用,。本文給出了一種用單片機(jī)控制的正弦波輸出逆變電源的設(shè)計,，它以12V直流電源作為輸入，輸出220V,、50Hz,、0~150W的正弦波交流電，以滿足大部分常規(guī)小電器的供電需求,。該電源采用推挽升壓和全橋逆變兩級變換,，前后級之間完全隔離。在控制電路上,，前級推挽升壓電路采用SG3525芯片控制,，采樣變壓器繞組電壓做閉環(huán)反饋；逆變部分采用單片機(jī)數(shù)字化SPWM控制方式,，采樣直流母線電壓做電壓前饋控制,，同時采樣電流做反饋控制；在保護(hù)上,，具有輸入過,、欠壓保護(hù)，輸出過載,、短路保護(hù),，過熱保護(hù)等多重保護(hù)功能電路，增強了該電源的可靠性和安全性,。
該電源可以在輸人電壓從10.5V到15V變化范圍內(nèi),，輸出220V±10V的正弦波交流電壓，頻率50Hz±0.5Hz，直流分量
l 主電路
逆變電源主電路采用推挽升壓和全橋逆變兩級變換，如圖1所示,。
輸入電壓一端接在變壓器原邊的中間抽頭,，另一端接在開關(guān)管S1及S2的中點?？刂芐1及S2輪流導(dǎo)通,，在變壓器原邊形成高頻的交流電壓，經(jīng)過變壓器升壓,、整流和濾波在電容C1上得到約370V直流電壓,。對S3～S6組成的逆變橋采用正弦脈寬調(diào)制，逆變輸出電壓經(jīng)過電感L,、電容C2濾波后,，最終在負(fù)載上得到220V、50Hz的正弦波交流電,。采用高頻變壓器實現(xiàn)前后級之間的隔離,，有利于提高系統(tǒng)的安全性。
輸入電壓10.5～15 V,，輸入最大電流15A,，考慮一倍的余量，推挽電路開關(guān)管S1及S2耐壓不小于30V，正向電流不小于30A,，選用IRFZ48N,。
升壓高頻變壓器的設(shè)計應(yīng)滿足在輸入電壓最低時,，副邊電壓經(jīng)整流后不小于逆變部分所需要的最低電壓350V,，同時輸入電壓最高時，副邊電壓不能過高,，以免損壞元器件,。同時也必須考慮繞線上的電壓降和發(fā)熱問題。選EE型鐵氧體磁芯,，原副邊繞組為7匝：300匝,。關(guān)于高頻變壓器的設(shè)計可以參考文獻(xiàn)。
變壓器副邊輸出整流橋由4個HER307組成.濾波電容選用68μF,、450V電解電容,。
根據(jù)輸出功率的要求，輸出電流有效值為0 6～0.7A,，考慮一定的電壓和電流余量,，逆變橋中的S3～S6選用IRF840。逆變部分采用單極性SPWM控制方式,，開關(guān)頻率fs=16kHz,。
假沒濾波器時間常數(shù)為開關(guān)周期的16倍，即諧振頻率取1kHz,，則有
濾波電感電容LC≈2.5×10-3,，可選取L=5mH，C=4.7μF,。濾波電感L選用內(nèi)徑20mm,，外徑40mm的環(huán)形鐵粉芯磁芯，繞線采用直徑0.4mm的漆包線2股并繞,，匝數(shù)180匝,。
2 數(shù)字化SPWM控制方法
該逆變電源的控制電路也分為兩部分。前級推挽升壓電路由PWM專用芯片SG3525控制,，采樣變壓器繞組電壓實現(xiàn)電壓閉環(huán)反饋控制,。后級逆變電路由單片機(jī)PICl6C73控制，采樣母線電壓實現(xiàn)電壓前饋控制,。前級控制方法比較簡單,，在這里主要介紹后級單片機(jī)的數(shù)字化SPWM控制方式。
2.l 正弦脈寬調(diào)制SPWM
正弦脈寬調(diào)制SPWM技術(shù)具有線性調(diào)壓,、抑制諧波等優(yōu)點,，是目前應(yīng)用最為廣泛的脈寬調(diào)制技術(shù)。一般用三角波μc作為載波信號，正弦波ug=UgmSin2πfgt作為調(diào)制信號,，根據(jù)μ和μg的交點得到一系列脈寬按正弦規(guī)律變化的脈沖信號,。則可以定義調(diào)制比m=Ugm/Ucm，頻率比K=fc/fa=Tg/Tco,。
正弦脈寬調(diào)制可以分為單極性SPWM和雙極性SPWM,。雙極性SPWM的載波為正負(fù)半周都有的對稱三角波，輸出電壓為正負(fù)交替的方波序列而沒有零電平,，因此可以應(yīng)用于半橋和全橋電路,。實際中應(yīng)選擇頻率比K為奇數(shù)，使得輸出電壓μo具有奇函數(shù)對稱和半波對稱的性質(zhì),，μc無偶次諧波,。但是輸出電壓μc中含有比較嚴(yán)重的n=K次中心諧波以及n=jk±6次邊頻諧波。其控制信號為相位互補的兩列脈沖信號,。
單極性SPWM的載波為單極性的不對稱三角波,，輸出電壓也是單極性的方波。因為輸出電壓中包含零電平,，因此,，單極性SPWM只能應(yīng)用于全橋逆變電路。由于其載波本身就具有奇函數(shù)對稱和半波對稱特性,，無論頻率比K取奇數(shù)還是偶數(shù)輸出電壓Uo都沒有偶次諧波,。輸出電壓的單極性特性使得uo不含有n=k次中心諧波和邊頻諧波，但卻有少量的低頻諧波分量,。單極性SPWM的控制信號為一組高頻(載波頻率fe)脈沖和一組低頻(調(diào)制頻率fk)脈沖,，每組的兩列脈沖相位互補。由三角載波和正弦調(diào)制波的幾何關(guān)系可以得到,，在k》l時,，高頻脈沖的占空比D為
2.2 PIC單片機(jī)的軟件實現(xiàn)
PICl6C73是Microchip公司的一款中檔單片機(jī)，它功能強大而又價格低廉,。PICl6C73內(nèi)部有兩個CCP(Capture,、Compare、PWM)模塊,，當(dāng)它工作在PwM模式下,，CCP x引腳就可以輸出占空比10位分辨率可調(diào)的方波，圖2為其工作原理圖,。
TMR2在計數(shù)過程中將同步進(jìn)行兩次比較：TMR2和CCPRxH比較一致將使CCPX引腳輸出低電平,；TMR2和PR2比較一致將使CCPx引腳輸出高電平，同時將TMR2清0,，并讀入下一個CCPRxH值,，如圖3所示,。因此，設(shè)定CCPRxH值就可以設(shè)定占空比,，設(shè)定PR2值就可以設(shè)定脈沖周期,。脈沖占空比D可以表示為
在本設(shè)計中，全橋逆變器采用單極性SPWM調(diào)制方式,。CCP1模塊用來產(chǎn)生高頻脈沖,，CCP2模塊用來產(chǎn)牛低頻脈沖。選擇16M晶振,，根據(jù)脈沖周期Tc=[(PR2)+l]×4×4*Tosc和頻率比k=Tg/Tc,，可以取PR2=249,，k=320,，則有Tg=20 ms，高頻脈沖序列每一一個周期中包含：320個脈沖,。設(shè)調(diào)制比m=0.92,，將，t=TgN/320代入式(2),，聯(lián)立式(3)可以得到產(chǎn)生高頻脈沖所需要的CCP1H的取值,，第0～79個脈沖為
CCP1H=230sin(πN/160) （4）
式中：N為0→79。
考慮到正弦波的對稱性,，可以得到第80～159個脈沖為
CCP1H=230sin[π×(80—N)/160] （5）
根據(jù)脈沖的互補性,，可以得到第160～239個脈沖為
CCP1H=250—230sin(πN/160) （6）
第240～319個脈沖為
CCP1H=250—230Sin[π×(80一N)/160] （7）
因此，在程序中存儲表格230sin(πN/160),，N∈[0,，79]就可以得到整個周期320個高頻脈沖的CCP.H值。第0～79點,，CCP1H為正向查表取值,；第80～159點，CCP1H為反向查表取值,；第160～239點CCP1H為計數(shù)周期減去正向查表值,；第240~319點CCP1H為計數(shù)周期減去反向查表值。
對于低頻脈沖,，前半個周期可以看成由占空比始終為1的高頻脈沖組成,，后半個周期看成由占空比始終為0的高頻脈沖組成，因此,，第0～159個脈沖,，CCP2H=250，第160～319個脈沖,，CCP2H=0,。
圖4為單片機(jī)_TMR2中斷程序的流程圖,，在中斷程序中查表修改CCPxL的值。就可以改變下一個脈沖的CCPxH值,，從而修改下一個脈沖的占空比,，實現(xiàn)SPWM控制。
3 實驗結(jié)果
實驗中,，輸入電壓變化范圍為10.5~15V,，輸出濾波電感5.3mH，濾波電容8μF,，從空載到150W負(fù)載狀態(tài)下都可以輸出(220±10V),、50Hz的正弦波交流電壓，如表1和表2所示,。圖5和圖6分別為空載和150W純阻性負(fù)載條件下輸出電壓電流波形,。可以看出輸出電壓和電流波形良好,，經(jīng)測量電壓波形的THD為3.6%,。
4 結(jié)語
本文詳細(xì)分析了一種正弦波輸出的逆變電源的設(shè)計，以及基于單片機(jī)的數(shù)字化SPWM控制的實現(xiàn)方法,。數(shù)字化SPWM控制靈活,，電路結(jié)構(gòu)簡單，控制的核心部分在軟件中,，有利于保護(hù)知識產(chǎn)權(quán),。
作者：陸涵 胡磊 何湘寧 金新偉 來源：《電源技術(shù)應(yīng)用》2005年10期