基于STM32的全桥逆变器的设计

黎山峰　黄超龙

(东莞理工学院　电子工程学院, 广东东莞　523808)



基于STM32的全桥逆变器的设计

黎山峰黄超龙

(东莞理工学院电子工程学院, 广东东莞523808)

为设计一种低功耗的数字化正弦逆变器，设计了以STM32单片机为控制核心的全桥逆变器，该逆变器采由单片机的高速定时器产生高分辨率的SPWM脉冲，通过光耦隔离和IR2111驱动芯片把SPWM脉冲信号对由IRF840场效应管构成的全桥电路实现斩波逆变，经过LC滤波电路，最后实现高压SPWM脉冲转换成交流电源。

正弦逆变器; STM32; SPWM

逆变器是指整流器的逆向变换器，其作用是通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能的一种电力电子变换器[1]。随着电力电子技术的高速发展，大量高功率开关器件相继出现，可以满足各行各业对逆变技术的需求，逆变技术的应用领域越来越广泛[2-3]。在光伏和风能等新能源开发领域中，均需逆变器将电能转换为恒压、恒频的交流电源；在通信领域中的不间断电源里，逆变器是重要的角色；在控制交流电机的领域中，逆变器的应用更为广泛。逆变器的发展从工频方波逆变和多重叠加逆变，发展到现今的PWM逆变，三相空间矢量逆变以及多电平PWM逆变。从逆变器的发展来看，逆变器的复杂程度日渐上升，为了更好地设计和管理，现今的逆变器的发展趋势必定为数字化逆变器。笔者设计的单相逆变器是以STM32单片机为核心控制的全桥逆变器。

图1　系结构框图

1　系统结构

如图1示，设计的逆变器是由4部分组成，分别为STM32主控电路、隔离驱动电路、全桥电路和采样反馈电路。STM32单片机产生两组SPWM脉冲通过光耦隔离传输，光耦输出的两组SPWM脉冲输入到两个IR2111芯片，一个IR2111可输出两组互补性的PWM脉冲，从而得到四组SPWM脉冲，四组脉冲驱动全桥电路的四个功率开关管。其中全桥电路中的高压直流电源是由推挽升压电路提供的，因篇幅有限，将不介绍推挽升压电路的设计。在全桥电路中，以SPWM脉冲为信号斩波，输出的电压波形为高压SPWM脉冲波形，需通过以电感电容构成的低通滤波器后，才能得到所需的交流正弦电源。为了输出稳定的交流电源，需要采样反馈调制，采样反馈电路是由电压互感器采样得到的交流信号，通过整流滤波得到的直流电压信号，接着由STM32单片机内置AD转换成的数据与SPWM数据调制，最后得到可调的SPWM脉冲，从而输出稳定的交流电压[4]。

2　系统设计

2.1SPWM算法的设计

SPWM是PWM脉冲的占空比按正弦规律变化的PWM信号。SPWM脉冲由两种不同频率的调制获得，载波为高频的三角波或者锯齿波，被调制波为50 Hz正弦波，通过电压比较器可得到调制波即所需的SPWM脉冲信号，通过调整50 Hz正弦波的幅值和频率，即可调整SPWM脉冲信号。该设计的算法利用了等面积算法，即在一个开关周期内PWM占空比的面积与正弦交流波形相对应电角度内的面积相等，此算法和上述的调制方法本质是相同的，均通过改变正弦波的频率和幅值则可调节正弦交流电源输出的频率和幅值。

STM32单片机的定时器功能强大，可通过定时器控制I/O输出PWM脉冲信号。STM32的定时器在脉冲宽度调制模式可以产生一个由TIMX_ARR寄存器确定频率，由TIMX_CCR寄存器确定占空比的信号[5]。设计是由TIMX_ARR寄存器写入正弦逆变的频率数值，TIMX_CCR寄存器写入SPWM数组的数据，当定时器计数溢出时中断，即一个开关周期结束时进入中断函数，把下一个SPWM数组的数据写入寄存器TIMX_CCR里，一直进行循环，则STM32单片机可输出所需的SPWM脉冲信号[6]。

STM32单片机的机器周期为72 MHz，设计定时器计数器初值和SPWM数据的数值时应当增大相对应的倍数。STM32单片机的定时器3的PWM输出通道设定在STM32特定的I/O口，需要打开相对应引脚的PWM输出模式。下面讲述的是STM32单片机在KEIL编程环境下利用ST公司的库函数开发25 kHz的SPWM脉冲输出核心程序。

首先，初始化TIMX_ARR寄存器确定频率。

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=2880;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=0;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=0;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;

TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);

TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);

接着使能定时器3计数，并且使能定时器中断：

TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);

TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE );

TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);

最后定时器3的中断函数，更新TIMX_CCR寄存器的数值，即改变SPWM的占空比：

void TIM3_IRQHandler(void){

if(TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update)!= RESET){

TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);

PWMplus+=1;if(PWMplus==500){ PWM3plus=0;}

TIM3->CCR1=PWMdata[PWMplus]; }}

2.2SPWM驱动电路设计

因为设计的SPWM脉冲是由STM32单片机产生的，而STM32单片机是微处理器，必须工作于稳定的低压电源。因此，供电STM32单片机的电源和全桥驱动的电源必须进行隔离。如图2所示，设计使用TLP521光耦进行隔离传输，STM32单片机的引脚输出电流不大，需要三极管放大电流驱动光耦里LED。当输入脉冲为高电平时，光耦中的LED发亮，光耦输出端的E端为高电平。当输入脉冲为低电平时，光耦中的LED不工作，光耦输出端的E端为低电平[7]。

图2　SPWM驱动电路

得到隔离的SPWM脉冲后，需设计电路驱动全桥四个功率开关管。设计利用IR2111芯片驱动一个半桥即两个功率开关管。IR2111芯片是专门为驱动半桥电路设计的，并且自带死区时间为750 ns，因此外部电路非常简单，只需设计半桥上臂的功率管的驱动电源即可。上臂的驱动电源是由快恢复二极管和自举电容构成的，而自举电容的选择需要考虑功率管的栅极所需的电荷量、所需的电压和逆变的开关频率。设计的全桥电路是有IR840功率开关管构成，IR840的栅极所需的电荷量为50 nC，工作电压最低为10 VDC，设计的开关频率为25 kHz，确定这些参数后即可计算自举电容的大小。工程设计中可以粗略的计算自举电容，利用栅极所需电荷量和最低工作电压值计算，C=4Q/(VCC-Vmin)=0.2 μF。选择自举电容为0.22 μF/35 V的无感低阻抗的钽电容,自举二极管的选取是HER107，耐压1 000 V。

2.3IRF840全桥电路设计

正弦逆变的实现功能是把直流电源转换成正弦交流电源，利用占空比以正弦规律变化的PWM脉冲控制功率开关管使得电流和电压按照正弦规律输出。如图3所示，单相桥式逆变器的原理是通过四个功率开关管构成桥式的四个桥臂，Q1和Q4为同一脉冲驱动，Q2和Q3为同一脉冲驱动，需注意是两组的脉冲必须互补，再利用占空比以正弦规律变化的PWM脉冲驱动四个桥臂，即在两个半桥之间可输出的脉冲就是可输出功率的SPWM脉冲，通过LC滤波后得到所需的正弦交流电源,调整SPWM的占空比可调整输出交流电压。半桥中的两个功率开关管不可以同时导通否则电路会发生短路，因此在开关管的驱动电路中，必须设计死区时间。每一个功率管的两端是RCD缓冲网络电路，吸收功率管关闭时的尖峰电压。在实际设计中，需要在实际电路实物中测量尖峰电压，而再根据尖峰电压大小设计RCD网络的参数[8]。

图3　IRF840全桥电路

而选取LC滤波电路首先选取LC的截止频率，一般截止频率要远小于开关频率并且远大于输出正弦的频率。开关频率为25 kHz，输出频率为50 Hz，因此本设计选取的截止频率为2 kHz。。电感是抑制电流纹波，电容是抑制电压纹波，设计中电压型的正弦逆变，更倾向于抑制电压纹波，可选取大一点的无感电容，但考虑到输出电容中增大，空载消耗随着增大。根据文献[5]中设计滤波器是从滤波器的无功容量的角度来选择。

根据文献[5]的电感参数计算公式，

其中w0是基波角频率，wl为截止频率，U0为输出交流电压的有效值，I0为输出交流电流的有效值，即将设计的相关的参数导入公式里得到电感的值为6 mH，这说明输出的电流越小，滤波的电感值越大，但是因为材料有限，电感量取1.6 mH，则电容的选取为10 uF[5]。

2.4隔离采样电路设计

交流采用可以使用互感器来隔离采样。互感器的本质就是一个小的变压器，通过电磁转换实现隔离采样。设计分别利用电压互感器和电流互感器采样输出电压和输出电流。

如图4所示，T1为电压互感器，实质上是一个微型工频变压器，此互感器匝数比为1∶1，交流电源经过大电阻分压后接上电压互感器隔离反馈交流电压给次级线圈，次级线圈经过共模滤波后得到所需的采样电压。T2为电流互感器[9]，实质为一微型的工频变压器，但采样电流的方式与采样电压的方式不一样，电流采样是利用交流电流经过导线的磁场强度大小，电流越大，导线的磁场强度越大，故电流互感器的初级线圈是交流输出的导线，设计的电流互感器的匝数为1，而次级线圈的匝数为1 000，即匝数比为1 000，电流互感器是把磁场强度信号转换为电压信号，经过共模滤波后得到所需的采样电流[10]。

图4　隔离采样电路

采样得到的信号也为交流电压，需通过全波整流得到直流电压值，A/D转换得到与参考数值的误差，然后把误差的数值与SPWM数据进行运算，从而得到可调的SPWM脉冲，实现输出稳定的交流电源。

3　测试结果

STM32单片机输出SPWM脉冲通过高速光耦驱动IR2111芯片，IR2111直接驱动有MOSFET构成的全桥电路。以推挽升压电路得到的高压直流电源作为全桥逆变的直流母线，全桥电路输出交流220VDC左右的电源，通过交流电压采样反馈，输出的交流电源符合本项目的要求范围。设计测试信号时所用的示波器是Tektronix公司的TDS1002C-SC。图5和图6分别为全桥逆变的上下功率管的驱动信号和输出正弦交流电源信号。

如图5中全桥上下桥臂的驱动信号波形，CH1信号为上桥臂信号，CH2为下桥臂信号。从图5可知在一小段时间内两驱动信号都为低电频，即此时间段为死区时间，此时间段的作用是为了保证上下桥臂的功率管不会同时导通。

图6为逆变器输出的交流电源波形，由图6可知输出周期为20 ms的正弦波，输出电压的峰值约为310 V。因为光耦TLP521的传送速率不高，驱动输出的SPWM波形略有变形，主要因为光耦输出波形信号的上升时间和下降沿时间达到微秒级别，使得SPWM当中占空比较小的脉冲不能通过光耦的传输，从而造成过零点时的波形失真，可考虑的解决方案是设计SPWM脉冲算法时进行直流补偿，使得SPWM脉冲在正弦波通过零点时得到补偿。

图5　全桥上下功率管的驱动信号图

图6　正弦交流电源输出波形图

4　结语

笔者对STM32单片机如何实现产生SPWM脉冲，全桥逆变电路的设计以及如何利用电压互感器实现交流采样反馈等方面进行了介绍。实验中设计的逆变器带纯阻性负载时，正弦波并没有较大的失真，功率管的漏极和原极两端的尖峰电压不明显，且功率管开关损耗(以管子温度衡量)并不大。

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The Design of Full Bridge Inverter Based on STM32

LI ShanfengHUANG Chaolong

(College of Electronic Engineering，Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China)

The paper introduces a design of the full bridge inverter based on the STM32 microcontroller as the controlling core in order to design a low power digital sine-inverter, which uses a high resolution SPWM pulse produced by the MCU’s high speed timer, and operates the SPWM pulse into chopper inversion by the photoelectric coupler and IR2111 to amplify power with the help of the full bridge converter made of IRF840, with the LC filtering circuit, finally changing high voltage SPWM pulse into AC power.

sine-inverter； STM32； SPWM

2016-03-08

“973”计划项目(2013CB834305)；国家自然科学基金科学仪器基础研究专款项目(11127508)。

黎山峰(1979—)，男，江西临川人，实验师，主要从事传感器技术、测控等研究。

TM464

A

1009-0312(2016)03-0027-05