相位可调的单相正弦逆变电路的设计

周 博，代雪峰

（1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032;2.东北大学理学院,沈阳110004）

相位可调的单相正弦逆变电路的设计

周 博1，代雪峰2

（1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032;2.东北大学理学院,沈阳110004）

逆变电路在各领域有着广泛应用，介绍了常用的逆变原理，以及存在的硬件方案复杂、成本较高、精确度差等不足之处，新的设计方案的目标是设计一款专用芯片来代替复杂的硬件电路，优点是可以节约成本，使其应用更为方便，设计方案既有逆变电路的通用性，又有相位可调节的专用性。介绍了这种设计方案的基本原理和相关电路，详细说明了SPWM波形的产生原理，设计的重点是SPWM波形的实现手段和原理，这种设计有速度快、精度高、实时性高等特点。同时对滤波电路和保护电路等相关模块电路的设计进行了介绍，由于目前市场上没有一颗专用芯片来实现上述功能，这种产品具有比较好的经济效益。

相位可调；逆变电路；设计原理；SPWM波形；滤波电路；保护电路；

1 引言

本电路设计既具有逆变电源的通用性，又兼有相位可调节的专用性，并以普遍使用的220V 50Hz交流电为基本出发点进行设计。该设计可以扩展到常用的400Hz，60Hz和25Hz频率的电路。

2 常用的逆变方案

目前市场的单向正弦逆变电源一般以MCU或DSP为核心，利用内部定时器和自带的PWM功能产生逆变所需要的SPWM信号，使用电阻、电容延迟来避免上下桥臂同时导通的死区状态。该设计硬件方案比较复杂，成本也相对较高，精确度差。图1为典型的单路SPWM信号产生电路。

3 设计方案

本设计方案的终极目标是设计一款专用芯片代替这些复杂的硬件，达到节约成本、简化设计的目的，从而广泛应用于逆变领域，如太阳能光伏电池的能源逆变，机车、航空领域的电瓶逆变。由于芯片设计的成本高，前期方案只能以FPGA代替所要设计芯片的数字部分；外围的模拟电路部分，如欠压保护、过压保护、电流过载等以通用芯片暂时代替[1]。

图1 SPWM信号产生电路

图2 系统结构框图

设计中引入了相位可调，方案中以89C51为媒介，通过串口命令设定两路电源之间的相位差，设计目标可达到0.1度的精度；另外还支持手动方式，以拨码开关设定所需要的相位差，系统结构框图见图2。MCU与PC机通讯实现起来相对简单，可将通讯协议纳入单颗芯片中[2]。

4 电路功能及设计

4.1 SPWM波形的产生原理

图3 SPWM波形的产生

以一路50Hz单项正弦逆变为例，设计的重点是SPWM波形的实现。SPWM是按照正弦规律变化的矩形波，以窄脉冲的面积等效理论为基础，首先要确定载波频率，频率确定后，切割正弦波进行脉冲等效，形成数据表格[3]。图3为单极性SPWM波形的产生方法，手工计算比较麻烦，设计过程中根据载波频率和FPGA的工作频率编写软件，形成一组以时钟为单位的数据。由于正弦波上下半周波形对称，只需计算半周即0～180°即可。

4.2 SPWM波形的实现

设计中载波频率定为20KHz，则一个单位的宽度为：1S/20,000=50μs。FPGA的逻辑设计中，使用ROM存储器存储事先计算好的数据，在不同的时刻，取相应地址内存储的数据。另外设计一个50μs的计数器，从0开始计数，此时SPWM信号为高电平。当计数到与存储当前输出的数据相等的时刻，SPWM信号变成0。每个50μs周期结束时，存储器地址加1（见图4 SPWM的仿真波形的adr50[7：0]信号）[4]，从而更新下次的脉冲宽度数值，从而得到下面S50_PWM2的信号,该部分电路的逻辑设计如图5所示[5]。SPWM信号得到以后，为了避免H桥的上下桥臂同时导通，还要对该信号进行适当的处理，从而得到4个控制信号输入到驱动芯片来控制MOS管或IGBT的导通时间。本设计的单位周期为50μs/2000=25ns，时钟频率为 40MHz，常用单片机的时钟频率最大为33MHz，并且需要多个指令周期才能实现，中断跳转指令影响速度和精度[6]。所以，本设计方案具有速度快、精度高、实时性高等特点。

图4 SPWM的仿真波形

图5 SPWM信号产生的逻辑结构

4.3 滤波电路

图6 H桥与滤波电路

驱动芯片控制MOS管或IGBT后，得到的是0至输入电瓶电压的脉冲信号，需要滤波才能得到正弦波，脉冲频率越高，对于滤波电路的要求就越低；滤波电路后面接升压变压器即可得到220V 50Hz的交流电。H桥与滤波电路见图6[7]。

4.4 保护电路

逆变常用的保护电路，主要是过压保护、欠压保护、电流过载保护。过压和欠压保护电路用比较器实现。比较器的负端接电阻分压形成过压保护的标准信号，正端连接逆变之后的交流220V经过互感器的直流信号,信号超过标准信号时，比较器输出高电平。FPGA第一次采样到该信号为高，则调整输出SPWM信号的宽度到原来的31/32；FPGA再次采样到该信号为高后，则关掉SPWM信号，并且过压指示灯亮。欠压保护也是采用该原理设计，第一次信号宽度会调整为原来的33/32。电流过载保护以采样电阻上的分压来计量，如设定为10A以上过载，并联的6个0.1欧姆的电阻会产生166mV的电压。比较器门限通过选择合适的电阻来设定，比较器翻转即代表电流过大，FPGA采样到该信号之后，也停止输出，响应时间设计成0.2s[8]。

5 结束语

逆变器的应用非常广泛，目前市场上没有一颗专用芯片来实现上述功能。将此电路设计方案设计成芯片，对于近年来清洁能源的开发（如太阳能光伏电池产业等），会带来一系列的产品应用，具有可观的经济效益。

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Design of the Inverter Circuit of Adjustable Phase and Positive Phase Sine

Zhou Bo1，Dai Xuefeng2
(1.The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China;2.College of Science,Northeastern University 110004)

Inverter circuit is used widely in many fields.The principles of the common inverter circut and the disadvantages of complexity,high cost and low precision are introduced.The goal of new design is to design a kind of special circuit to replace the complicated circuit,and its advantage is to save cost and work convenintly.The design has universality of inverter circuit as well as specificity of adjstable phase.The principle and relevant circuit of this design is introduced,and principle of waveform generating is specified in detail.The design focuses on implementation approach and priciple of SPWM wave,which has the advantage of high speed,high precision and the real-time.The relevant module circuits such as filter circuit and protect circuit are also introduced,and as it lacks a special chip in present market to realize functions above,they have better economic benefits.

Adjustable phase;Inverter circuit;Principle of design;SPWM wave;Filter circuit;Protect circuit

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.04.008

TN4

A

1002-2279-（2017）04-0027-03

周博（1985—），男，辽宁省沈阳市人，助理工程师，主研方向：集成电路设计及验证。

2016-11-15