逆變電源" title="逆變電源">逆變電源應(yīng)用廣泛,，特別是精密儀器對(duì)逆變電源性能要求更高。好的逆變電源不僅要求工作穩(wěn)定,、逆變效率高,、輸出的波形特性好、瞬態(tài)響應(yīng)特性好,，還要求逆變電源小型化,、智能化、并且具備可擴(kuò)展性,。因此,，這里提出一種基于AVR 系列單片機(jī)AT90PWM2 的數(shù)字正弦逆變電源， 前級(jí)SG3525A采用PWM 控制升壓電路實(shí)現(xiàn)輸入和過熱保護(hù),。后級(jí)單片機(jī)AT90PWM2 使用單極性倍頻SPWM 控制方式進(jìn)行全橋" title="全橋">全橋逆變,，且進(jìn)行輸出保護(hù)。
1 總體設(shè)計(jì)及工作原理
逆變電源的系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示,，系統(tǒng)的主電路采用前級(jí)推挽" title="推挽">推挽升壓和后級(jí)全橋逆變的2 級(jí)結(jié)構(gòu)[2],，這樣可以避免使用工頻變壓器，有效降低電源的體積和質(zhì)量,，提高逆變效率,。其工作原理為：12 V 的直流輸入電壓經(jīng)過濾波后推挽升壓和全橋整流升壓到350 V 的直流母線電壓，再經(jīng)過全橋逆變電路" title="逆變電路">逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)?20 V/50 Hz 的工頻交流電,。
圖1 系統(tǒng)的總體框圖
為了減小輸入電壓的影響,，采樣全橋整流后的輸出電壓作為反饋電壓來控制前級(jí)推挽升壓電路的控制器， 調(diào)節(jié)SG3525A 輸出PWM 波形的占空比,， 使得直流母線的電壓始終保持在350 V,。同時(shí)采樣輸出濾波電容上的電壓和輸出濾波電感上電流，采用電壓電流雙環(huán)控制,，調(diào)節(jié)后級(jí)全橋逆變電路的SPWM 的輸出,，從而得到良好的輸出波形特性以及穩(wěn)定的負(fù)載特性。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 推挽升壓PWM 波形的產(chǎn)生
直流升壓電路采用推挽式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，效率高,。電路中的功率管" title="功率管">功率管VQ1，VQ2通過SG3525A outputA,，outputB 交替產(chǎn)生的2 路互補(bǔ)PWM 波來控制通斷,。SG3525A 可以通過調(diào)節(jié)外接的電阻和電容來產(chǎn)生100 Hz～500 kHz 之間的不同頻率段的PWM 波形，其PWM 波的頻率fPWM和外接電阻RT,，RD,，外接電容CT關(guān)系為：
SG3525A 通過反饋的直流母線電壓可自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM 波的占空比，使得輸出穩(wěn)定,。同時(shí)SG3525A 具有電壓的輸入欠壓鎖定和PWM 鎖定功能,，一旦發(fā)生過流或者過壓的現(xiàn)象，可以迅速關(guān)斷PWM,，保證了整個(gè)電路的安全性,。
2.2 全橋逆變SPWM 波形的產(chǎn)生
SPWM 波形由AVR 單片機(jī)系列的AT90PWM2 產(chǎn)生。AT90PWM2 具有2 個(gè)12 位的波形發(fā)生器PSC0,，PSC2,， 分別產(chǎn)生2 路互補(bǔ)的SPWM 信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后驅(qū)動(dòng)全橋逆變中的功率管。其中PSC0 生成為VQ3和VQ4的控制信號(hào),，PSC2 生成VQ5和VQ6的控制信號(hào),。
選擇PSC 工作在中心對(duì)齊模式， 并且PSC0 和PSC2 工作在同步狀態(tài),。則PSC 計(jì)數(shù)器從寄存器OCRnRB 定義的最大值開始計(jì)數(shù),，先減到零再加到最大值，當(dāng)PSC 計(jì)數(shù)器的值與寄存器OCRnSB,，OCRnSA 的值相等時(shí),， 則將分別改變PSCn輸出引腳PSCOUTn0、PSCOUTn1 的電平,。其三角波載波周期
fSPWM和PSC 計(jì)數(shù)頻率fPSC以及寄存器OCRnRB,、OCRnRA（n=0或2）的關(guān)系為:
2.3 全橋逆變電路
逆變電路是逆變電源的核心組成部分，完成將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷旱倪^程,。采用由4 個(gè)IGBT 作為功率管組成全橋逆變電路,，該電路具有控制方便，功率管利用率高等特可以采用IR2110 驅(qū)動(dòng)電路,。IR2110 采用高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù),，大大簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，同時(shí)提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性,。尤其是上管采用外部自舉電容,，使得驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目較其他驅(qū)動(dòng)器大大減少,，如圖2 所示,。
2.4 輸出LC 濾波電路
由于全橋逆變電路的輸出為50 Hz 的基波以及其他高低次諧波,，為了得到純正的正弦波形，必須考慮設(shè)置濾波環(huán)節(jié),。因?yàn)橹C波主要集中在1 倍和2 倍fSPWM附近,，所以設(shè)置截止頻率fC為fSPWM/5。則有：
式中,，R 為直流側(cè)等效負(fù)載電阻,，Vout為輸出的電流電壓，P 為逆變器的額定功率,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介
AT90PWM2 是AVR 系列單片機(jī),，該單片機(jī)主要特點(diǎn)有：
1）高性能的8 位RSIC 結(jié)構(gòu)，1 MIPS/MHz,，支持最高16 MHz的時(shí)鐘,；2）8 KB 系統(tǒng)可編程（ISP）的Flash 存儲(chǔ)器，支持自舉方式編程,，512 字節(jié)SRAM,，512 字節(jié)EEPROM；3）4 路PWM通道提供各種PWM 信號(hào),， 并可以進(jìn)行死區(qū)設(shè)置,；4）8 路10 位ADC 模塊，1個(gè)10 位DAC 模塊,，2 個(gè)模擬比較器,；5） 多達(dá)29 個(gè)中斷源；6）支持UART,，SPI,，I2C 通信方式。其引腳功能分布圖如圖3 所示,。
其中,，PSCOUT00～PSCOUT21 引腳為SPWM 波輸出引腳，用來驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管,，SD 引腳為IR2110 的使能控制,，用來開通或者鎖定SPWM 的導(dǎo)通。V_MAIN,，V_OUT,，I_OUT 引腳分別用來采樣母線電壓，輸出電容電流以及電感電壓,。單片機(jī)還包括使用LED 報(bào)警功能,， 驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇在過熱時(shí)啟動(dòng)散熱功能,，ISP 在線下載更新驅(qū)動(dòng)程序以及預(yù)留串口通信功能。
3.2 控制策略
本數(shù)字系統(tǒng)采用電感電流反饋控制,。將輸出電感電流引入控制系統(tǒng),，和輸出電容電壓一起形成雙閉環(huán)控制，通過采樣輸出電感電流和輸出電容電壓,，用外環(huán)電壓誤差的控制信號(hào)去控制內(nèi)環(huán)電流,， 調(diào)節(jié)電流使輸出電壓跟蹤參考電壓值，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)由于存在內(nèi)環(huán)回路,，增大控制系統(tǒng)帶寬，使得逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快,，輸出電壓的諧波含量減小,，對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)能力加強(qiáng)。外環(huán)調(diào)節(jié)器可以按照負(fù)荷的變化相應(yīng)地調(diào)整內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的給定值,，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然具有較好的品質(zhì),，所以雙閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可使逆變電源的輸出性能得到較大的改進(jìn),。為了簡(jiǎn)化電壓外環(huán)設(shè)計(jì),，可將電流內(nèi)環(huán)看成一個(gè)比例環(huán)節(jié)，電壓外環(huán)看成一個(gè)PI 環(huán)節(jié),。圖4 為雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖,。
3.3 軟件流程
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括：硬件初始化模塊,，正弦表初始化模塊,，輸出保護(hù)模塊，雙閉環(huán)調(diào)節(jié)模塊,，中斷處理模塊,。主程序和SPWM 產(chǎn)生中斷處理模塊的流程分別如圖5（a）和圖5（b）所示。
4 試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)以上思想完成制作一臺(tái)1 kW 的樣機(jī),， 采用IRF3805 作為推挽升壓的功率管,，RHRP8120 作為整流二極管， 全橋逆變功率管則采用IRG4PC50UD,，SG3525A 的PWM波頻率設(shè)置為80 kHz,，SPWM 波的頻率設(shè)置為10 kHz， 輸出濾波電感L 為2.5 mH,，輸出濾波電容C 為4.7 μF,，可得正弦交流輸出電壓精度220 V±1%， 頻率精度50 Hz±0.1% ,，THD小于1%,，逆變效率大于90%,，其空載和滿負(fù)載時(shí)的試驗(yàn)波形如圖6（a）和圖6（b）所示。
5 結(jié)論
提出了一種前級(jí)由SG3535A 控制推挽升壓和后級(jí)基于AT90PWM2 的全橋逆變的數(shù)字式逆變電源的設(shè)計(jì)方法,。使用AT90PWM2 的波形發(fā)生器產(chǎn)生SPWM 波形,， 有效簡(jiǎn)化電路，利用前端負(fù)反饋以及后端的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)使得逆變電源具備輸出電壓特性的高性能,。預(yù)留的串口通信和在線下載功能使得逆變電源具備與上位機(jī)通信以及擴(kuò)展功能,，完善的保護(hù)措施可使逆變電源在發(fā)生故障時(shí),，具有完善的指示和自動(dòng)處理功能,。