单相正弦逆变电源设计

刘曼玲+陈滢+魏源

【摘 要】 本系统以STM32单片机为主控制器，以Boost升压电路和全桥逆变电路为核心，辅以检测电路、驱动电路与辅助电源电路。控制信号PWM波与SPWM波由STM32内部定时器工作于PWM模式和SPWM模式下产生的输出；通过交流电压闭环与PI控制实现逆变输出电压可调，通过频率开环设置SPWM波的频率，实现输出电压频率可调。系统可以测量显示逆变后的电压、电流，并且为整体系统添加了过压、欠压保护和过流、短路保护等功能，提高了系统的安全性。经实测表明：所设计的系统功能完善，具有效率高、精度高、变化率低的特点，各项指标良好。

【关键词】 Boost电路；全桥逆变电路；STM32；PI控制

【Abstract】 This system take the STM32 single chip microcomputer as the principal controller， boost circuit and the full bridge inverter circuit as the core， supplemented by detection circuit， drive circuit and auxiliary power supply circuit. PWM wave and SPWM wave are generated by the timer inside of STM32 SCM which works at PWM and SPWM generating mode. The inverter output voltage can be adjusted by means of AC voltage closed loop and PI control. The frequency of the SPWM wave is set by the frequency open loop， and the output voltage frequency can be adjusted. The system can measure and display the voltage and current of the inverter. The whole system is added over voltage， under voltage protection and over current， short circuit protection function in order to improve the system security. The measured results show that the designed system has the characteristics of high efficiency， high precision and low rate of change. The indicators are good.

【Key Words】 Boost Circuit； Full-Bridge Inverter； STM32； PI control

【中图分类号】 G632.3 【文献标识码】 A 【文章编号】 2095-3089（2016）31-000-02

1.引言

单相正弦逆变电源可以构成EPS应急电源系统，市场需求大，具有优良的发展前景，它广泛应用在微机系统、通信系统、工业设备、军用车载、医疗救护车、家用、航空、船舶、太阳能以及风能发电领域等需要应急后备电源的场所。

目前市场上存在的正弦逆变电源大都将低压（12V或24V）直流电转变成220V交流电的电子设备，且可将该电源应用于笔记本等电子设备的供电，输出功率较大的逆变器还可以应用于小型的电热器等。逆变电源不适宜应用于感性负载电器的长期供电，但可以选用储备功率较大的正弦波逆变电源。

基于目前已经存在成熟的正弦波逆变器，本设计侧重在输入电压为24V直流电压的条件下，逆变输出电压幅值与频率均可调并兼具各种保护功能的单相正弦逆变电源系统。

2.系统电路设计

基于电压幅度，电压频率可调的基本要求，单相逆变电源的系统模块划分成：Boost升压模块；DC/AC逆变模块；辅助电源模块；驱动模块；交流电压、电流检测模块以及主控模块等。升压模块与逆变模块基于经典拓扑图；辅助电源模块选用DC/DC模块；交流电压与电流的检测应用交流电压、电流互感器以及有效值转换芯片；驱动模块为典型光耦隔离驱动芯片以及桥式驱动芯片；主控模块使用STM32控制器。系统电路设计采用分模块仿真与实际调试并行的方法进行。

2.1主电路设计

直流电压源的易获得性使得选择直流侧为电压源的逆变系统较为普遍，逆变电路采用电压型逆变电路，该电路直流侧的电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗的特点。单相电压型逆变电路的经典结构有半桥逆变电路与全桥逆变电路[1]。在逆變电路的前级为了实现电压幅度可调，选用Boost升压斩波电路进行电压的幅值控制[2]。

半桥逆变电路由两个桥臂构成，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管构成，直流侧接有两个相互串联的大电容，两个电容的连接点即为直流电源的中点。半桥型逆变电路结构简单，使用的器件少，但输出交流电压的幅值仅为直流侧输出的一半，且两个大电容的均衡不易控制。

全桥型逆变电路由四个桥臂构成，由两个半桥臂组合而成。相比半桥逆变电路而言，交流侧输出的电压幅值为直流侧输入，降低了对直流侧输入电压的要求，提高了系统的安全性，而且电路结构比较简单，只要一个大电容，效率高、易控制。

全桥逆变电路是单相逆变电路之中应用最为广泛的，其电压波形可以通过傅里叶级数展开进行定量的分析，幅值为Ud的矩形波uo可以展开成傅里叶级数得[3]：

2.2辅助电源设计

辅助电源主要为各类芯片以及控制器提供供电电源，为整体系统的稳定可靠运行提供保证。设计基于DC/DC的安时捷模块，选用输入电压范围为18-36VDC，输出电压为±15VDC，输出最大电流为500ma的模块。由于选用的其他模块芯片的供电电压所需为15V，12V，5V，STM32的供电电压为5V，预估工作电流在500ma之内，可以保证选用的安时捷模块的功率足够且不浪费，利用稳压芯片L7805，L7905，L7812，L7912可获得±5V与±12V的直流供电电压。

2.3驱动电路设计

主电路的Boost斩波电路与全桥逆变电路均需有效驱动，对于Boost升压斩波电路，使用A3120光耦驱动芯片，一路输出进行驱动。对于全桥逆变电路，选用两片IR2104半桥驱动芯片进行驱动，IR2104可产生互补兼具死区时间的两路驱动信号，可降低SPWM波的编程难度。

2.4检测电路设计

为了实现系统的闭环控制，交流电压与交流电流的检测是实现闭环控制的关键所在。通过交流电压互感器与交流电流互感器，按照设计比例转换成量值不同的交流电压量，如图5和图6所示。通过有效值转换芯片将检测的交流电压转换成直流电压信号输入STM32采样端进行数据处理，从而实现系统控制。由于电压、电流的变化范围不同，需选用不同的有效值转换芯片，有利于精确测量、降低误差。其中含交流电压互感器电路输出的交流电压（图5）选用AD637有效值转换芯片[4]；含交流电流互感器电路输出的交流电压（图6）选用AD736有效值转换芯片[5]。

3.程序设计

3.1 PWM控制信号

PWM波的产生方式可以用硬件或软件实现。目前有许多硬件方案可以选择，如用运放、比较器等元件构建、调制，另外可以通过专用控制芯片产生，如用专门的PWM调制芯片TL494等。但相对软件而言，硬件方法比较复杂，稳定性稍差，容易受到外界的干扰，成本较高并且增加了系统功耗。软件调制使用STM32内部的定时器，工作在PWM模式与SPWM模式。因此，软件法价格低廉且易控制。

对于Boost升压斩波电路，单片机输出一路占空比可调的方波，通过光耦A3120驱动电路对MOSFET进行驱动。对于逆变电路，单片机输出两路互补的SPWM波，通过IR2104驱动电路输出互补兼具死区时间驱动信号，对桥臂上的4个MOSFET进行有序的驱动。由步进设定所需的电压值与频率值，通过调节PWM波的占空比改变输出的电压幅值，调节SPWM波的频率改变输出正弦电压的频率，前者通过电压检测完成电压幅值的闭环控制，后者直接开环控制频率，通过示波器显示并观察。

3.2保护控制

通过硬件与软件结合的方法实现系统的保护，主要以软件控制为主。系统具有过压保护、欠压保护、过流保护和短路保护。输入侧通过分压电路取电压信号，一旦检测电压过压或者欠压，直接关断PWM波与SPWM波的输出，使得主电路的输出电压为零。交流侧的电流信号通过交流电流检测模块输出给单片机，一旦检测到过流电流与短路电流，同样关断PWM与SPWM信号的输出。同时在程序中添加自恢复时间与系统外设人工恢复按键，保护动作发生后立刻排除故障，可實现电路再次正常运行。

3.3调试结果

检测模块的检测误差低于0.5%，设定电压值与实际电压值误差保持在1%之内，系统的整体效率在85%左右，输出正弦波电压波形的失真度控制在1%之内，输出电压频率因开环控制误差几乎为零。该方案下设计的单相正弦波电源的整体性能良好，能够稳定运行较长时间。

4.总结

本文将硬件选型和软件编程有机结合，完成了一个输出电压和频率可调的单相正弦逆变电源。在实际实现中，将硬件系统划分为各大模块进行分析、设计、调试；软件设计则按各项指标要求进行采样信号的处理和输出信号的控制等。实验结果表明：设计的单相正弦电源性能完善、稳定，具有效率高、精度高、变化率低等特点。

参考文献：

[1]Sanjaya Maniktala.精通开关电源设计[M].王志强译.北京：人民邮电出版社，2008.190-198.

[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2012.101-103.

[3]徐德鸿，马皓，汪槱生.电力电子技术[M].北京：科学出版社，2006.86-87.

[4]陈仁伟，朱长青，岳夕超.AD637的简单正确使用[J]，电子测量技术，2010.33（6）.

[5]崔志勇，李建科.真有效值转换器AD736及其应用[J]，河北工业大学报，2005，34.