输出频率可调单相升压逆变器的设计

董招辉，欧俊希，宾 斌，陈文光

（1.南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳421001；2.湖南省特种设备检验检测研究院郴州分院湖南 郴州 423000）

输出频率可调单相升压逆变器的设计

董招辉1，欧俊希2，宾 斌1，陈文光1

（1.南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳421001；2.湖南省特种设备检验检测研究院郴州分院湖南 郴州 423000）

采用同步boost升压和全桥逆变技术设计了单相正弦波逆变电源电路，将24 V直流转换为36 V交流电压，以TM4C123GH6PM微控制器为主控芯片，加上输入电压前馈控制、输出电压-电流双闭环PID控制、FFT处理，具有高效（效率为95%）、低THD（0.5%左右）、低瞬态响应时间（在100 ms以内）、输出频率20～100 Hz可调、频率准确的特点；在输入欠过压、输出过流等情况下，能进行自我保护，故障排除后自恢复输出功能；可显示输出功率、功率因数、THD、频率和电路运行状态。系统电路结构简单、成本低、稳定可靠。

升压逆变；同步boost；全桥；双闭环控制；FFT

Abstract:A single-phase sine-wave inverter power supply is designed.It can convert the 24V DC to 36V AC.It adopts synchronous boost converter and full bridge inverter technology，and TM4C123GH6PM micro-controller as the control chip.The input voltage feed-forward control，the output-voltage-current double closed-loop PID control methods and FFT process are applied.The experimental results show that its convert efficiency high to 95%，THD low to 0.5%，and transient response time within 100ms.The output frequency can adjust from 20 Hz to 100 Hz and with high accuracy；in the cases of input undervoltage，over-voltage and output over current，the inverter can protect and self-recovery under failure recovery； It can display the output power、power factor， THD， frequency and operation status.The system has the features of a compress circuit structure，low cost， running stably and reliably.

Key words:step-up inverter； synchronous boost； full bridge； double closed-loop control； FFT

随着电力电子技术的发展，逆变电源的应用越来越广泛，对逆变系统的效率和输出电压波形特性也提出了越来越高的要求。大多升压逆变电源采用先逆变后变压器升压或先隔离升压再逆变的方式，需要用到隔离变压器，使得变换器效率低、体积大[1-3]。也有些采用单级逆变升压的方式，输入电压经过两个对称的同步boost电路按正弦波实现升压交流输出，整个拓扑效率低，波形失真大，控制方法复杂[4-5]。本系统设计的直流24 V转换为36 V交流单相正弦波逆变电源，从提高效率考虑采用同步boost升压和全桥逆变的主电路拓扑；从减小瞬态响应时间考虑采用输入电压前馈控制[6-8]；从减小输出波形的谐波考虑采用SPWM控制[9-11]、输出电压-电流数字双环PID控制[12-15]、内部进行FFT处理。

1 系统总体方案

系统设计框图如图1所示。由同步boost升压和全桥逆变构成系统的主电路。采用TM4C123GH6PM作为控制器，产生SPWM波、保护信号及显示等功能。信号采集电路一方面采集输出交流电压、电流，进行系统的双闭环PID控制和FFT电参数分析，实现稳压变频输出、过流及短路保护；另一方面采集输入电源电压进行电压前馈控制，减小瞬态响应时间，同时实现输入电压的欠压及过压保护。LCD实现输出功率、功率因数、THD、频率和电路工作状态的显示。按键实现输出频率的设定。

图1 系统框图

2 硬件电路设计

2.1 同步BOOST与全桥逆变电路

1）电路结构

同步boost与全桥逆变电路如图2所示。前级由同步BOOST对输入直流进行升压，同步BOOST电路采用3个470 μF/35 V的电容C1～C3并联进行稳压滤波，减小ESR，提高电路效率。升压时，开关管Q2为主功率元件，决定电路（升压）变比，Q1实现同步整流，替代二极管，减小导通损耗，此时，电路电流由低压侧流向高压侧。后级由全桥和滤波电路实现逆变，全桥由四个开关管组成，互为对角的两个开关管同时导通，同一侧半桥上下两开关管交替导通，开关管的导通受双极性SPWM波控制，两个桥臂中点间即可得到双极性的SPWM波，经LCL滤波后可还原出相应正弦信号。逆变的输出取自4.7 μF的MKP滤波电容两端。

2）参数计算

1）同步BOOST电感计算

逆变输出电压有效值为VO2=36 V，输出最大电流有效值为IO2=1.7 A，可得最大升压最大输出电流，输入电压VIN=24 V，选取开关频率 f=20 kHz， 占空比 D=（VO1-VIN）/VO1=0.53。 取电流纹波率 r=0.4，由公式：mH，为保证余量，本设计选择L=1.5 mH，用相对导磁率为125的铁硅铝磁芯绕制电感。

2）全桥滤波电感电容计算

采用LC无源滤波电路，考虑到电容耐压值与电容值之间的矛盾，选取电容值4.7 μF无极性耐压250 V的MKP电容。为减小电感体积，又保证滤波效果良好，滤波器截止频率只需为载波频率的左右。由，得L=1.4 mH，为满足更好的滤波效果，取L=2 mH，采用双电感LCL结构。

图2 同步boost和全桥电路结构

2.2 驱动电路

开关管的理想驱动波形应有合理的脉冲上升沿和下降沿以及足够大的驱动能力，合适的驱动正向电压和反偏电压。光耦驱动的开关速度较快，对驱动脉冲的前后沿产生较小延时，且结构简单，抗干扰能力较强。将单片机产生的PWM信号经过光耦TLP250隔离功率放大，直接驱动功率管，驱动电路如图3所示。 其中R3、R7为栅极电阻，R4、R8为下拉电阻，确保上电复位瞬间开关管处于关断状态，避免开关管直通。图2中的Q1、Q3、Q5驱动时需要供电，本设计使用自举供电方式，D1与C8完成此功能，其驱动电路如图 3（a）所示。 Q2、Q4、Q6 的驱动电路如图 3（b）所示。

2.3 信号采集电路

输入直流电压直接经电阻分压后采集。输出交流电压经差分缩小再经精密差分运放OPA2350电位提升作为单极性正电压采集信号。输出交流电流由穿心式电流互感器再经OPA2350电位提升得到单极性电压采集信号。电路设计时，要尽量保证此两路信号的延时一致，确保它们不会造成相位检测的畸变。输出交流电压和输出交流电流采集电路分别如图4和图5所示。

图3 光耦驱动电路

图4 输出电压采样电路

图5 输出电流采样电路

3 程序设计

系统程序由两部分构成：主函数循环、SPWM中断服务函数。主函数负责人机交互，显示和电路状态响应，并对系统进行FFT分析和数字PID闭环调节。SPWM中断服务函数实现系统逆变。程序流程图如图6所示。考虑到逆变器的电压稳定性及负载效应，使用电压-电流双闭环控制技术，PID参数通过离线计算得到。

图6 程序流程图

4 系统测试

测试所用仪器：数字存储示波器—Tektronix/MDO3034； 万 用 表 —VICTOR/VC890D、LNI-T UT151F；直流稳压电源—STP3010；滑动变阻器—BX7-14。测试波形如图7所示。

图7 测试波形

经测试，逆变器效率为95.04%、THD=0.587%、频率在20～100 Hz可调；输入电压在21.5～26.5 V变化时，输出电压调整率为0.05%；调节输入电压在20±0.5 V范围，输出欠压保护；调节输入电压在28±0.5 V范围，输出过压保护；调节输出电流至1.7±0.1 A，电路过流保护；具有输出短路保护自恢复，功率因数和THD及工作状态显示功能。

5 结 论

本系统以TM4C123GH6PM控制器为核心，采用输入电压前馈加数字电压PID控制方式实现高精度的恒压控制和快速的响应速度，电路含FFT进行参数分析。系统效率达到95%，动态响应时间仅100 ms，各种保护及显示功能完善，系统运行稳定。

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Design of a frequency adjustable and single-phase output boost type inverter

DONG Zhao-hui1，OU Jun-xi2，BIN Bin1，CHEN Wen-guang1
（1.School of Electrical Engineering， University of South China， Hengyang421001，China； 2.Hunan Special Equipment Inspection and Research Institute Chenzhou Branch， Chenzhou423000，China）

TN7

A

1674-6236（2017）19-0110-04

2016-09-20稿件编号201609177

衡阳市科学技术发展计划项目（2015KG50）；2016年南华大学校级教研课题资助项目（2016XJG-ZZ01）

董招辉（1980—），女，湖南衡阳人，硕士，讲师。研究方向：电力电子技术及电源技术。