车载逆变电源设计

2015-08-01包广清任士康

电源技术 2015年10期

关键词：线电压车载脉冲

包广清，任士康

(兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州730050)

车载逆变电源设计

包广清，任士康

(兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州730050)

介绍了一种基于宏晶系列单片机的车载逆变电源设计方法。该电源以单片机STC12C5A60S2为主控芯片，以12 V蓄电池电压为输入，通过升压与逆变两个功率变换环节得到220 V、50 Hz的正弦交流电。在升压环节，采用推挽拓扑结构利用高频变压器进行隔离升压，结合直流母线电压负反馈电路，避免了直流母线电压的过压出现；在逆变环节，采用正弦脉宽调制技术，根据输出电压实时更新占空比，确保输出电压处在设定范围之内。并且还对电池电压检测电路、输出电压检测电路、输出电流检测电路、桥臂短路保护电路进行了设计，并研制了实验样机。实验结果表明，该逆变电源运行稳定可靠，也进一步验证了系统控制策略的正确性。

单片机；升压；推挽拓扑；正弦脉宽调制；逆变电源

伴随着时代的发展，人们对汽车电子产品的需求越来越多：除了常见的车载DVD音响系统外，游戏机、车载电视、车载冰箱、笔记本电脑等电子产品也成为人们的需求。这些电子产品大部分都需要220 V、50 Hz的交流电供电，而一般私家轿车的车载蓄电池只能提供12 V的直流电压，逆变电源能将12 V的直流电压转换成220 V、50 Hz的交流电供常见电子产品使用，因此车载逆变电源已成为车载系统必不可少的设备。传统的车载逆变电源采用全桥逆变加工频变压器升压方案，其缺点是效率低、体积大、噪声大，无法满足人们的要求[1]。本系统采用国产宏晶 (STC)系列的工业用单片机STC12C5A60S2为主控芯片，该芯片体积小，功耗低，抗干扰强，片内自带PWM产生模块、AD转换器，节省了外围电路的设计，大大降低了系统的设计成本。该逆变电源具有体积小、散热好、噪声小的优点，既便于安装也适合产品化生产，不仅适用于车载系统，还可以应用于光伏发电系统。

图1 逆变电源拓扑结构图

1 车载逆变电源拓扑结构

车载逆变电源主要由升压和逆变两个功率变换环节组成，目前主要有两种拓扑结构：一种是经全桥逆变后加工频变压器隔离升压输出，如图1(a)所示，该电路存在笨重的工频变压器，增加了系统的体积、质量以及成本，并且还伴有严重的噪声污染；另一种是采用两级式级联拓扑结构，输入直流电压经过DC/DC升压变换再进行逆变输出，如图1(b)所示，由于省去了工频变压器，大大减小了系统的体积，并且电路的效率比较高，现在被广泛采用[2-3]。

2 硬件设计与控制策略

图2所示系统采用两级式级联拓扑结构，前级升压电路以TL494为主控芯片利用高频变压器对12 V直流电压进行隔离升压，因前级与后级之间的非共地问题，利用TL431与PC817结合次级绕组辅助电源组成直流母线电压负反馈电路来确保直流母线电压处在设定范围内；后级逆变电路以单片机STC12C5A60S2为主控芯片对单相逆变全桥进行触发控制，同时输出电压、输出电流、电池电压实时采样信号也被送入单片机处理来保证系统的正常运行。交流输出电压经过隔离分压电路，AD采样后与单片机内部220 V交流电压所对应的数字值*进行比较，其中SPWM脉冲波占空比的调整系数设置为/216，软启动程序执行完毕后，的初始值为216。按照国家电能质量的要求[4]，将输出电压允许范围设置为220 V (±5%)，其中最小设定电压210 V与最大设定电压230 V分别对应的数字值为*-4与*+4。当发现输出电压的AD采样值不在上述范围内时：若<(*-4)，则执行=+2，增大脉冲占空比，使输出电压升高；若>(*+4)，则执行=-2，减小脉冲占空比，使输出电压降低，如此循环，直到输出电压调整到上述设定范围内。

图2 系统的硬件结构框图

2.1 推挽拓扑控制电路设计

图3 推挽拓扑控制电路

如图3所示推挽拓扑控制电路以TL494为主控芯片，该芯片包含了脉宽调制型开关电源的所有控制部分：5 V直流电压参考电源、两个误差放大器、输出控制电路、脉宽调制比较器、死区时间比较器和一个振荡器。更改外围的定时电阻与定时电容就可以实现某一固定频率的PWM输出，切换电源供给器的供给电压可选择单端式或推挽输出的模式[5]。将TL494的输出控制引脚即13脚接+5 V，设置为推挽输出模式；直流母线电压分压隔离后的信号电压经U2B(PC817)反馈到TL494的误差放大器引脚，经电压跟随后反馈到死区控制引脚即3脚，来保证母线电压处在设定范围内。电源启动时，三极管Q7开通，前级升压电路以最大占空比触发脉冲开环启动，待母线电压稳定后，Q7关断，转入闭环模式。为了增强驱动能力保证开关管的可靠导通与关断，设计了推挽电路即Q1、Q5和Q2、Q6。

2.2 过压保护电路设计

因输入端蓄电池电压范围较宽，经高频变压器升压后导致直流母线电压的浮动范围较大，母线电压过高就会击穿开关管，所以必须对母线电压的过压保护电路进行设计。采用可编程精密稳压源TL431和线性光耦PC817组成反馈电路成功解决了因TL494与母线电压非共地母线电压信号无法直接反馈到TL494的脉宽控制引脚的问题。过压保护电路如图4所示，15 V为高频变压器次级绕组辅助稳压电源，HV为母线电压。当TL431基准端电压即1脚电压从8 V到10 V变化时，此时输出端即3脚电压将在0 V到1 V间线性变化，利用PC817的线性区域即将前向导通电流调整在2.5 mA左右时的变化范围很宽[6]，组成负反馈电路。当母线电压处在311 V到400 V时，TL494的脉宽控制引脚即3脚电压几乎为零，触发脉冲占空比保持恒值48%不变；当母线电压高于400 V时，3脚电压将随母线电压的升高而升高，此时输出触发脉冲的占空比下降，母线电压也随之下降，当3脚电压高于3.5 V时将会关闭输出。该电路确保母线电压处在允许范围的同时还起到了过压保护的作用。

图4 过压保护电路

2.3 驱动电路设计

以左侧桥臂为例如图5所示，驱动电路以HCPL3120为主控芯片，该芯片的输出电流能力高达2 A，最大绝缘耐压630 V，工作电压范围较宽 (15～30 V)，普遍应用于IGBT及MOSFET的驱动电路中。在HCPL3120的输出端设置了限流电阻R16、R17，利用电阻R52、R53对开关管的栅源极寄生电容充电，从而使触发脉冲有良好的前沿陡度[7]。并且在栅源极间并联了稳压二极管D55、D51、D56、D52，可靠地防止了栅极驱动电压及开关管关断产生的高压尖峰[8]。为了保证开关管的可靠关断增加了负偏压电路即稳压管U5、U6及泄放电路D20、D22。在开关管需要关断时，U5、U6用来提供-5 V的反相关断电压，D20、D22及时把开关管栅源极寄生电容上的电荷泄放掉，从而大大提高了开关管的关断稳定性。

图5 驱动电路

3 软件设计

如图6所示系统的软件设计主要包括初始化程序、软启动程序、电池电压和输出电流检测程序、桥臂短路保护程序、SPWM波形产生程序、输出电压调整程序及串口通信程序。根据正弦脉宽调制的基本原理[9]，结合单片机可编程计数器阵列(PCA)模块脉宽调制输出的方式[10]，制作了占空比呈正弦变化的数值表，将其保存在单片机的程序存储器内。单片机上电后先执行定时器初始化、PCA初始化、AD初始化、串口初始化程序，然后执行软启动程序，随后执行电池电压检测程序、输出电流检测程序及桥臂短路保护程序，若电池电压处在设置值10 V到15 V之间，输出电流不大于设置值3 A且桥臂无短路的情况下，执行查表程序产生SPWM触发波对单相逆变全桥进行触发控制。同时执行输出电压检测程序，当发现输出电压低于设定值210 V或高于设定值230 V时，对SPWM脉冲波的占空比进行实时调整，来保证输出电压处在设定范围之内。当发现输出电流异常，电池电压异常或者桥臂有短路现象发生时则立即关闭输出。另外添加了串口通信程序，可以通过串口调试助手人机界面实时观测逆变电源的输入输出状态。

图6 程序流程图

4 实验结果分析

4.1 推挽升压电路的调试及实验结果

根据选定的高频变压器磁芯规格及该逆变电源的容量要求，将触发脉冲的频率设定为30 kHz，将TL494的定时电阻取为1.9 kΩ，定时电容取为0.01 μF。此时输出触发脉冲的幅值为10 V，如图7(a)所示，触发脉冲G1、G2的死区时间约为1.5 μs；高频变压器输出脉冲电压的幅值约为340 V，频率为30 kHz，如图7(b)所示，整流滤波后的直流母线电压约为332 V。

图7 推挽升压电路的实验波形

4.2 SPWM波形产生电路的调试及实验结果

通过对单片机可编程计数器阵列(PCA)模块的比较/捕获寄存器(CCAPMn)进行设置，让其工作在8位PWM、无中断的输出模式。根据公式制作占空比成正弦变化脉冲所对应的数值表并将其保存在单片机的程序存储器内，其中为每周期采样点数，为逆变器期望输出电压所对应的数值。通过查表程序实时更新内部寄存器(CCAPnL/CCAPnH)的值来产生占空比从1到0呈正弦变化的脉冲波，经过反相电路之后变为占空比从0到1呈正弦变化的脉冲波，然后经过死区处理电路加在驱动芯片HCPL3120上。单片机产生的SPWM触发波形如图8所示。

图8 单片机产生的SPWM触发波形

4.3 全桥逆变电路的调试及实验结果

如图9所示，在直流母线电压为332 V时，对全桥逆变电路的输出波形进行了测试，此时输出电压的有效值为224 V，周期为20 ms，THD约为3.7%。

图9 逆变电路的输出波形

5 总结

本文利用STC系列高性能的工业用单片机STC12-C5A60S2设计了一款车载逆变电源，详细介绍了相关硬件电路的设计原理及参数设置，并对系统的控制策略和软件设计做了简要的论述。硬件电路采用两级式级联拓扑结构而不是工频逆变拓扑结构，用高频变压器取代了传统的工频变压器，该设计方案大大减小了系统电路的体积及噪声污染；使用单片机做主控芯片，易对SPWM触发波占空比进行控制，从而更好地对输出电压做出调整。由于高频变压器初级绕组铜面积偏少的问题，系统的输出功率还未满足设计要求；系统的效率也有待进一步提高。经实验验证，该系统的控制方案稳定、可靠，具有良好的应用价值。

[1]范玲莉.500VA车载正弦波逆变电源设计[D].杭州：浙江大学，

2010:1 -3.

[2]童仙美，汤雨.适合宽输入电压的单级升降压逆变器[J].中国电机工程学报，2013,33(6):61-66.

[3]YU W S,HUTCHENS C,LAI J S,et al.High efficiency converter with charge pump and coupled inductor for wide input photovoltaic ac module applications[J].IEEE Energy Conversion Congress and Exposition,2009.

[4]程浩忠，艾芊，张志刚，等.电能质量[M].北京：清华大学出版社，2006:31-32.

[5]Texas Instruments.TL494脉宽调制芯片 -技术手册[EB/OL]. [2014-09-08].http://www.21icSearch.com/pdf-A85BE9BC09F73-D98/TL494.html.

[6]程晓红.基于SG3525控制的车载电源设计[J].电子元器件应用，2007,9(7):4-7.

[7]田颍，陈培红，聂圣芳，等.功率MOSFET驱动保护电路设计与应用[J].电力电子技术，2005,39(1):73-75.

[8]孟志强，陈艳东.基于EXB841的IGBT驱动电路优化设计[J].湖南大学学报，2006,33(6):63-67.

[9]陈坚.电力电子学-电力电子变换和控制技术[M].北京：高等教育出版社，2004:96-109.

[10]宏晶科技.STC12C5A60S2技术手册[EB/OL].[2014-12-05]. http://www.stcm cu.com/datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC12C5-A60S2.pdf.

Design for automotive inverter power supply

A design idea of automotive inverter power supply based on single-chip microcomputer(SCM)of STC was introduced.The system was controlled by a SCM called STC12C5A60S2,the input voltage was 12 V DC of battery, through boost converter and invertion,the sinusoidal alternating voltage of 220 V,50 Hz was achieved.In the boost converter part, high-frequency transformer was used in push-pull circuit,then the isolation high voltage was achieved,and DC bus voltage negative feedback circuit was designed to avoid the overvoltage;in the invertion part, SPWM technology was used,in order to ensure the output voltage within the setting range the idea that changing duty cycle based on output voltage was used.In addition,the battery voltage detection circuit,the output voltage detection circuit,the output current detection circuit,the bridge arm short protection circuit were designed,and the hardware prototype was developed.The experimental results show that the inverter power supply operates steadily,and further verify the control strategies of the system are rationable.

single-chip microcomputer;boost converter;push-pull converter;SPWM;inverter power supply

TM 464

1002-087 X(2015)10-2250-04