一种高性价比的SPWM逆变器的设计

朱颖莉

（南京铁道职业技术学院 江苏 南京 210031）

一种高性价比的SPWM逆变器的设计

朱颖莉

（南京铁道职业技术学院 江苏 南京 210031）

由于燃料能源的不断减少及其对环境危害的日益严重，人们把眼光投向了太阳能、风能等清洁且储量巨大的可再生能源的开发，而逆变就是将这些可再生能源得以利用的关键技术。本文采用Microchip公司的30F3011单片机，设计了一款结构简单，性价比较高的逆变系统，详细阐述了SPWM控制器、功率管驱动电路、低通滤波器、采样电路的设计，由Matlab仿真证实其性能完全可满足普通民用供电的要求。

逆变；数字控制；SPWM；电压外环

逆变器（DC/AC）就是一种将低压（12或24 V或48 V）直流电转变为220 V交流电的电子设备，在新能源供电系统中广泛应用。根据逆变器中输出的电能去向分类逆变器得：1）无源逆变（即某用电设备）；2）有源逆变（即回馈电网）。通常情况下，逆变器发展的过程为：方波型→阶梯波型→SPWM型[1]。SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）技术，是指调制信号正弦化的PWM技术。SPWM具有开关频率固定、输出电压只含有固定频率的高次谐波分量、滤波器设计简单等一系列优点，成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术[2-4]。

随着时代的发展，微电子科技兴起，开始取代模拟控制模式，微处理器具有成本低、性能好的特点，其市场价格也很合理，使得单片机控制的逆变器的应用得到极大提高，数字控制取代模拟控制的趋势已经势在必行[5-7]。目前，德州仪器（Texas Instruments）、MOTOROLA、ADI和Microchip公司相继推出了适用于逆变电源数字控制的DSP芯片，单片机可以对逆变器进行控制，这种数字化技术的应用使得逆变器有着明显的竞争优势。本文的研究对象是单相恒压恒频（CVCF）无源逆变器是在由12 V至350 V的DC/DC升压的基础上，可以将直流电转化为交流电。

1 数字控制SPWM逆变器的设计

1.1 数字SPWM控制器

在图1中有、、和开关管组合，也是这种主电路（全桥单向）的逆变桥，而由单片机产生如图2所示的四路信号来控制4个开关管，故是整个逆变系统的核心[8-9]。

图1 逆变单向电路

整个程序的设计思路为：将一个工频50 Hz均分为400份，也就是每隔50μs计算一个SIN[N]，将此SIN表预先存入单片机。主程序在运行时，每隔50μs就中断一次，相应的SIN[N]数值可以通过查表得到。初始化单片机Timer2定时器8分频，定时器周期PR2=50N即每计数50次产生一次中断，在中断程序中根据N值重置PR2；由OC1、OC2、OC3、OC4分别控制逆变桥的四个功率管，OC2、OC4产生50 Hz的工频信号来控制S2、S4，OC1、OC3产生20 kHz的信号来控制 S1、S3；但是在主程序中，A/D的转换始终进行着，将ADCON3寄存器转换时间和取样时间设置为最大值63Tcy，粗略估算一下在一个工频周期中将取样2 000次以上，足以取到正弦波的峰值，保留一个工频周期中A/D转换的最大值Vmax同Vref比较作为前级DC/DCPWM调节的依据。

图2 逆变波型图

1.2 功率开关管和驱动电路

在选取开关管时，必须要求开关管能够具有抗电流和耐压的能力。图2中的主电路开关管中输入的电压就是电压应力。

电感电流指输入开关管中的电流，表示符号为iLf，即输出负载电流i0和滤波电流icf两部分。阻性负载状况下i0与icf相位存90°在的差值，因此最大开关管电流为i0与icf处于阻性满载状况下的均方值。电容滤波电流的输出值为Icf=2π×f0× Cf×V0=0.1 A；电感滤波电流的值，均为有效值。开关管中电压与电流需保持一定的裕量，型号为IXGH40N60C2D1的开关管IXYS公司定为IGBT。查阅器件手册，IXGH40N60C2D1的关断时间最大为130 ns（125℃），故设定死区时间为1μs。

专业芯片能够协助全桥逆变电路中隔离驱动的启动，因为桥臂上管是悬浮着的。本设计采用公司的专用驱动芯片，这是内部设有多个独立通道，可用于同时驱动多个高压、高频IGBT和MOSFET器件的专用芯片[10]。适用于反向电压，可以耐得起高的瞬间电压。图3为的外围电路。

图3 IR2113驱动电路

IR2113的工作原理是：IR2113门限电压处在10～20 V范围内，因此Vcc连接的是15 V的电压，开关D1可以控制桥臂上下的连通与关断。D1开通时，VB等于VCC15 V，并且下管输入即OC3、OC4为高电平时，VB与L0连通，驱动下管导通，与此同时，VCC通过D1对C2充电，当D1负端的电压为VCC时，D1二极管就会断开，假如上管驱动的输入（OC1与OC2）为处于高电平状态时，VB会联通HO，HO会为VCC15 V开通上管，且C2会借助VB与VS进行放电。D1负端电压降到D1时开关启动下一循环。循环的开关运行使得上下管能够进行交替的驱动。由图3可知：传递了OC1、OC2、OC3、OC4信号，即

IR2113启动输入信号；VDD为信号电源参考，这里通过调节电阻R1、R2的值来确定。当IR2113芯片中电平达到VDD值的一半时，输出电平即为高电平。PIC高电平的值为33V，因此VDD必须超过。由此可见：仅需两个IR2113芯片就能够保证电路正常的运行，降低了电路的复杂程度。

1.3 低通滤波器

在实际应用中为了使输出电压波型保证在一个良好质量，电感值的设定不能过小或过大。一方面为了减少输出电压中的谐波分量，电感值不能取得过小，另一方面电感量增加，体积、重量和损耗也会随之增加，电感的取值应进行综合考虑；滤波电容的取值也亦然，在满足要求下，尽量取较小容值[11]。

1.4 采样调理电路

霍尔的采样型传感器可以输出电压，我们使用的是型传感器，其电压量程能够满足的500 V使用场合，流过原边最大的电流值为10 mA，副边与原边的变比满足2.5:1。该种传感器的电路图可见图4，原边电流是由经过而产生的，其副边电流由霍尔效应而生成，在上副边电流会生成一个电压，该电压就是霍尔采样值。

图4 霍尔采样电路

数字平台中的控制器PIC能够识别的电路电压为0～33 V，但是霍尔元件只能够对交流信号进行采集取样，因为交流信号存在正负值，需要由如图5的相关电路进行调理后才可以输入到处理器中，并执行的转换。

图5 调理电路

采样信号由跟随电路输出；U2能够放大采样信号，U3表示由U2处理后的信号再加上3.3 V而得到的正向偏置值，因此就可以将交流信号（存在正负值）转化PIC为能够识别的正信号，D1和D2组成能够得到限幅电路，由U3而输出的电路信号值会大于3.3 V，D1导通；低于oV，D2导通保，限制U3的输出在0～3.3 V之间，保护PIC处理器，R1、C1和R9、C2构成滤波电路，经过调理电路处理的信号可在PIC芯片内进行A/D转换。

2 Matlab仿真

本设计采用SIMULINK/MATLAB仿真来验证本文电路设计的可靠性。仿真电路如图6所示，S1、S2、S3、S4构成逆变桥，PWM Generator才生两路20 k的SPWM信号，S1和S3分别产生相位相差180°频率为50Hz的方波信号，相与之后的波形如图所示的OC1和OC2，S4同S1，S2同S3。在逆变桥中，图7输出信号V01从LC流过，最后得到图8中的电压。

图6 仿真电路图

图7 V01波形

图8 V0波形

3结 论

本设计的逆变器是一款结构和控制较简单，只有电压外环控制，并由于30F3011属于中等档次的单片机不能完成实时控制算法。而其性能指标可基本满足对电压要求不是太高的用电场合，可广泛用于太阳能、风能、水能资源丰富地区的民用供电，性价比较高。另可在单片机内进行数字PI算法，在不增加成本的前提下，进一步提高整个系统的稳定性。

[1]黄蕾.并联逆变器控制技术的研究[D].南京：南京航空航天大学，2004.[2]Cha Han-Ju，Kim Shin-Sup，Kang Min-Gu，et al，Real-time digital control of PWM with PI compensator for uninterruptible power supply[J].IEEE IECON’90，1990:1124.

[3]Kawamura Atsuo，Yokoyama Tomoki.Comparison of five different approaches for real time digital feedback control of PWM inverters[J].IEEE IAS’90，1990:1005-1011.

[4]陶永华，葛芦生.新型PID控制及其应用[J].西安：工业仪表与自动化装置，1998（3）：55-59.

[5]何中一.SPWM逆变器控制技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2005.

[6]蒋真.单相/三相逆变器的数字单周期控制研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.

[7]张蓉.数字控制SPWM逆变器研究[D].南京：南京航空航天大学，2006.

[8]梁海浪.dsPIC数字信号控制器C程序开发及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[9]何礼高.dsPIC30F电机与电源系列数字信号控制器原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[10]陈建萍，张文，魏仲华.一种基于IR2113的隔离型MOSFET驱动电路设计[N].赣南师范学院学报，2011（3）：57-59.

[11]王云平.SPWM逆变器的数字控制技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.

A cost-effective design of SPWM inverter

ZHU Ying-Li
（Nanjing Railway Vocational and Technical College，Nanjing 210031，China）

Due to the continuous decrease of fuel energy and its increasingly serious damage to the environment，people look to the development of clean and renewable energy of huge reserves such as solar energy，wind energy and etc.And the inverting technology is the key to the use of the renewable energy.Based on single chip microcomputer 30F3011of Microchip Company，a simply-structured inverting system，has been designed，which can provide high performance for low cost.In addition，the design of the SPWM controller，power tube driving circuit，low-pass filter，and sampling circuit has also been presented in this essay.Moreover，Matlabsimulationhasverifiedthatitsperformancecanfullymeettherequirementsofcivilpower.

inverter；digital control；sinusoidal pulse width modulation；voltage outer loop

TN382

A

1674－6236（2016）18-0185-03

2015-09-24 稿件编号：201509169

朱颖莉（1969—），女，江苏南京人，硕士，工程师。研究方向：电机控制、电源。