新型全桥逆变电源电路设计

周成虎，李 娜

(河南工程学院 电气信息工程学院，河南 郑州 451191)

用于井下电力设备的高标准逆变器，要求其正弦波的谐波含量较低，虽然传统纯硬件控制的逆变器就可以实现，但其体积庞大、效率较低，难以推广应用．另外，传统逆变器的输出电压反馈调节复杂且效果不佳，输出电压波形约占总谐波失真(THD)的31%[1-2]，而采用数字算法控制可以提高逆变电源的开关频率、减少其体积和质量，并可消除变压器的噪声、改善输出电压的响应速度[3-5]．本设计给出了新型数字正弦脉宽脉位调制(SPWPM)控制算法，分析了该算法的原理，并用ARM微处理器实现了该算法．

1 逆变电源电路的原理分析

图1 逆变电源的系统图Fig.1 Inverter power supply system diagram

本设计采用的直流电压是蓄电池的输出电压VDC=48 V．使用全桥逆变器产生等幅不等高的不连续脉冲电压Uef，该电压供给负载,经高频变压器隔离并滤波后得到正弦波Uo.该电压控制芯片选用ARM微处理器，主要通过查找表的方法进行PWM脉宽控制，经光耦隔离并由专用驱动芯片IR2130驱动桥式逆变电路，如图1所示．

电源VDC为蓄电池电压，考虑到蓄电池在欠压的情况下不宜工作，故设置欠压保护．欠压保护的功能由继电器实现，其常开触点与电源串联，电源电压不足时继电器不吸合，电路无法工作．D1是一个大功率二极管，用于防止电源反接造成的短路．

采用全桥式DC-AC逆变电路输出工频交流电压，通过ARM微处理反馈调节电路,使桥式逆变电路(V1～V4)输出电压为等幅不等高的不连续脉冲电压Uef，如图2所示．

图2 电压Uef的波形图Fig.2 Voltage waveform Uef in figure

电源电压和负载变化时，输出电压平均值Uf变小，与标准值相比得到一个系数k1=Uf/标准值．查找表的所有数值均除以系数k1，来调节ARM微处理器输出的每个PWM波的占空比．这时，电压Uef的平均值会上升，使正弦波Uo的幅值上升，该调节方法不影响其总谐波失真(THD)．反之，用同一方法减少查找表的所有数值．

谐波校正是该电路的难点，电压Uo的总谐波畸变率

(1)

可将电压Uo展开成傅里叶基数，从而得到一系列不同频率的正弦波[6-9]，如果采用以前部分学者的反馈方法，逐个计算谐波分量，再按照分量逐个补偿，其反应速度较慢．

图3 驱动电路原理图Fig.3 Driver circuit diagram

逆变器控制系统选用具有Cortex-M3内核的ARM微处理器(STM32F103RTB6)．外部晶振选为8 MHz，内核频率为72 MHz，谐振开关频率是5.5 kHz．

2 驱动电路及软件设计

驱动电路原理如图3 所示，ARM微处理器的PWM驱动信号经过高速光耦(6N137)隔离和升压，得到15 V驱动信号．再经过IR2130得到驱动开关管V1～V4的信号．IR2130内置简化的自举电路和过流保护电路，自举电路由电容(470 μF)和二极管组成，其原理参见有关手册，不再详述．

为了保证电源的可靠运行，在开关管V1～V4的栅源极并联一个10 kΩ的电阻，用以消除感应电压，防止桥臂上下两个MOS管直通断路[10]．

根据以上分析，给出该电路的软件流程，如图4所示．

图4 软件流程图Fig.4 Software flow chart

3 实验结果

图5 负载电压波形Fig.5 Load voltage waveform

该电路的输入电压为48 V直流电压，V0=660 V，输出频率为50 Hz，I0=0～1.5 A，开关频fs=5.1 kHz．设定纹波电压ΔV0<2 V．控制系统是设计的关键部分，由ARM微处理器控制DC-AC变换电路，实现电压的稳定输出．ARM微处理器自带A/D．采用闭环控制电路来实现输出电压稳定和减少谐波影响，实验波形如图5所示．

电路具有输出电压自动调节、输入欠压保护、过流保护等功能．采用该算法的逆变器克服了传统SPWM逆变器的缺点，具有电气隔离功能，电路结构简单．实验验证了所提出的电路功能，输出电压波形占总谐波失真(THD)的比例小于5%．

参考文献：

[1] 张兴，张崇巍，曹仁贤．光伏阵列并网逆变器非线性控制策略的研究[J]．太阳能学报,2002,23(6):770-773．

[2] 杨海柱，金新民．基于DSP控制的光伏并网逆变器最大功率的跟踪问题[J]．太阳能学报，2005，26(6)：760-765．

[3] 王长贵，王斯成．太阳能光伏发电使用技术[M]．北京：化学工业出版社，2005：3-5．

[4] 叶秋香，郑建立．光伏电池最大功率跟踪器的研究与开发[J]．东华大学学报：自然科学版，2007，33(1)： 78-82．

[5] 孙孝峰，邬伟扬，李长吾，等．高效率并网太阳能逆变器研究[J]．电力电子技术，2003，37(2)：49-52．

[6] 李开彦，贺攀，干磊．PWM技术优化的实现与应用[J]．煤炭技术，2011，30(9)：66-69．

[7] Member M D，Marwali M N，Jung J W．A three phase four wire inverter control technique for a single distributed generation unit in island mode[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23(1)：322-331．

[8] Ahmed M E，Mekhilef S．Design and implementation of a multi level three-phase inverter with less switches and low output voltage distortion[J]．IEEE Power Electronics Letters，2009，9(4)：593-602．

[9] Somasekhar V T，Gopakumar K．Three-level inverter configuration cascading two two-level inverters[J]．IEEE Proceedings Electric Power Applications，2003，150(3)：245-254．

[10] 周成虎，瓮嘉民．电动汽车无线反馈非接触充电电路设计[J]．电力电子技术，2012，46(5)：20-21．