单相纯正弦波变频电源设计

孟芳芳，　田　胜，　李珊红

(合肥学院 电子信息与电气工程系， 安徽 合肥　230601)

0　引　言

理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波(无失真)。变频电源是将市电中的交流电经过AC→DC→AC变换，输出为纯净的正弦波，输出频率和电压一定范围内可调，十分接近于理想交流电源。随着现代工业和科技的快速发展以及人民经济实力的不断提升，变频电源在当今高速发展的社会中起着非常重要的作用[1]。文中可采用逆变专用芯片EG8010产生占空比可变的SPWM波，并采用全桥逆变结构，以STC15W4K60S4单片机为控制核心，设计和制作了单相纯正弦波变频电源。

1　硬件设计

1.1　整体方案设计

设计的单相纯正弦波变频电源主要由输入电路、Boost升压电路、产生SPWM控制器电路、驱动电路、逆变电路、电压电流反馈电路、输出滤波电路等组成，其总体结构框图如图1所示。

图1单相纯正弦波变频电源总体结构框图

本设计采用24 V的蓄电池给予供电，经过Boost升压电路将电压升到50 V以上，进而提供电压为后续的逆变电路做漏极的输入，EG8010[2]产生SPWM波结合驱动芯片IR2110[3]的输出驱动功率主板发生逆变，逆变出来的波形经过LC滤波电路得到正弦波电压提供给负载。主控部分包括微机控制系统和保护模块，MCU作为主控芯片进行键值的采集，从而对EG8010芯片进行控制，使输出交流电的频率在20～100 Hz范围内步进可调。保护电路采用的是EG8010芯片内部自带的电流电压保护电路，主要是为了整个系统能安全、正常的运行而必须设定的，其中包括输入欠压保护和输出过流保护。MCU对采集到的电压电流数据进行分析，当其中一项或者多项发生故障时，系统能自动断开输出，以保证设备不被损坏，LCD实时显示系统状态。辅助电源给各个模块供电，满足各模块芯片的供电要求。

1.2　关键硬件模块设计

单相纯正弦波变频电源的关键模块主要包括变频模块和逆变主板模块。

1.2.1变频控制模块设计

单相纯正弦波变频电源采用的是一款以其自身独特的数字化和自带死区控制的优势，并且功能非常完善的纯正弦波逆变专用芯片EG8010，设计的变频控制电路如图2所示。

EG8010芯片的电源由降压芯片78L05输出，同时再经过滤波电容提供+5 V单电源供电。本设计变频控制模块的具体控制方式主要是通过设定该芯片FRQSEL1，FRQSEL0引脚高低电平和控制FRQADJ引脚的电压大小,从而来调节频率。此次变频的主要方式是通过单片机写数据根据串口协议将数据发送给EG8010，同时通过单片机控制模块输出的模拟电压加到引脚FRQADJ来改变输出的频率。设置引脚PWMTY接高电平表示输出的PWM 为负极性，它的输出应用在死区电平都为高电平的场合下。同时此次设计利用电流保护模块来控制引脚SPWMEN使能端从而来控制SPWM输出，如果SPWMEN为高电平时，表示是启动SPWM，电流反馈引脚IFB来检测输出负载电流大小，当输出电流过大时，反馈给芯片，芯片会自动设置引脚SPWMEN为低电平，此时SPWM输出停止，即逆变停止。

1.2.2逆变主板模块设计

变频电源系统逆变模块采用全桥逆变电路[4]，功率晶体管选择IRF3710，设计的逆变功率主板模块如图3所示。

图2变频控制模块电路原理图

图3　逆变功率主板模块电路原理图

Q4与Q6的漏极接Boost升压后的直流电压高达51 V，它的源极与Q5和Q7的漏极相连，并且Q5与Q7源极接直流地。Q4到Q7栅极分别接驱动电路后的HO1、LO1、HO2、LO2。VS1、VS2作为交流输出端；R5、R6、R7、R8为电路充电时限流电阻，作用是防止瞬时充电的电流值过大，烧坏MOS管，一般取值不大选择4.7 Ω；R13、R14、R15、R16为泄放电阻，其作用是用来释放在关机后由于栅极存储的电荷，一般取值5～10 K；续流二极管D6、D7、D8、D9与充电限流电阻R构成放电通路。交流输出端由滤波电感L4与滤波电容C10、C11、C12组成滤波回路，使其逆变输出的波形更加光滑并且谐波很小。电流取样电阻R12串联在电路中用于采集负载电流，并且把电流信号变换为电压信号进行反馈与引脚IFB内部的基准峰值电压进行比较，从而控制其SPWM输出。

1.3　总体硬件电路原理图设计

单相纯正弦波变频电源的主电路采取全桥逆变的结构，实现将直流电转换为交流电的功能，设计的总体硬件原理图如图4所示。

图4总体硬件电路原理图

采用EG8010产生SPWM波，同时将SPWM波输入驱动芯片IR2110，IR2110输出两路反相的PWM波来控制两个MOS管的通断，进而实现全桥逆变的功能。保护模式下，电流保护采用HWCT霍尔传感器来进行输出电流的检测。电压保护主要采用电阻分压的采样设计，通过引脚VFB反馈给EG8010，从而保护整个系统的安全。MCU主要采用STC15F2K60S2作为主控芯片[5]来进行电流电压的控制，并对数据进行采集，采集到的数据经过分析处理后送入LCD1602显示屏进行实时显示。辅助电源直接使用直流稳压电源通过LM2596-12输出+12 V，再级联LM2596-5.0稳压芯片产生+5 V电压提供给各个电路模块。

2　软件设计

单相纯正弦波变频电源的软件设计主要包括主程序、1602显示、A/D转化及按键消抖程序的设计，其中系统主程序软件流程如图5所示。

图5单相纯正弦波变频电源主程序软件流程图

具体设计思路：系统启动后先进行初始化，然后进行检测是否有启动键按下。如果检测到启动按键按下，则进行电压电流的检测，相反，如果没有检测到启动按键的按下，则此时一直检测是否有启动键按下，直到检测到启动键按下为止。首先系统进行电压、电流值的采集，然后进入欠压、过流保护判断，如果检测到供电电压小于18 V或输出电流大于2.5 A时，那么系统就会自动停止工作，此时显示器显示系统处于关闭状态。相反，如果系统检测到没有过流和欠压时，那么就进行检测是否有频率键按下，如果检测到有频率键按下时，那么就要判断这个频率键是频率加键还是频率减键，然后对相应的键值根据串口协议发送相应的数据给EG8010，从而来控制输出的频率。系统保护后用户需要重新启动才能重新正常工作[6-9]。

3　系统测试

测试主要进行了输出频率步进可调测试、负载调整率测试、电压调整率测试、输出过流保护测试、整个系统效率测试5部分。输出频率步进可调实物测试图如图6所示。

图6输出频率步进可调实物测试图

测试数据见表1～表5。

表1　输出频率步进可调测试表

表2　负载调整率测试表

表3　电压调整率测试表

表4　过流保护测试表

表5　变频电源效率测试表

测试结果表明,输出的频率以10 Hz步进可调，并且输出的电压均在(36±0.5) V；负载调整率S均小于1%；电压调整率u均低于1%；当Io超过2.5 A时，整个系统会自动停止工作,并通过显示屏显示系统工作不正常；单相纯正弦波变频电源的效率在95%左右。

4　结　语

本设计以STC15F2K60S2单片机以及EG8010 SPWM产生芯片为核心，采用全桥逆变结构实现对此次变频电源的电压转换，并且保证了输出电压Uo=(36±0.5) V的情况下输出频率在20～100 Hz范围内步进可调，同时也保证了输出频率为(50±0.5) Hz时，最大输出电流Io≥2 A；当负载电流在0.2～2 A范围变化时，负载调整率也在5%以内，并且负载电流Io=2 A，当U1在18～30 V范围变化时，电压调整率小于1%。电路具有过流保护功能，能在动作电流Io超过阈值Iom=(2.5±0.2) A时，保护时自动切断输入电源并进行提示；单相纯正弦波变频电源在输出电流为2 A，输出电压为36 V时，输出正弦波的总谐波失真在5%以内，并且变频电源的整体效率在95%左右，效率高。

参考文献：

[1]华磊.基于FPGA的变频电源系统设计[J].仪器仪表与分析监测，2017(3)：30-33.

[2]佚名.纯正弦波逆变器专用芯片EG8010 SPWM芯片数据手册V2.1[Z].2010:4-19.

[3]蔡宣三，张占松.开关电源的原理与设计[M].北京：机械工业出版社，2015.

[4]Zhong Xian Wang, Yong Geng Wei, Shuang Yang. The design of Single-phase variable frequency power supply with APFC[J]. IEEE Trans Ind. Electro，2013(3)：6-8.

[5]李佳佳，刘宁.基于STC15F2K60S2单片机的智能拐杖设计[J].微型机与应用，2017(14)：92-94.

[6]谢运祥，欧阳森.电力电子单片机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2013.

[7]郭金库,赵彬,李岩,等.基于dsPIC30F4011的逆变电源复合控制[J].长春工业大学学报,2016,37(4):372-378.

[8] 高先和，卢军，石朝毅.植树机器人的位移控制与壁障控制设计[J].哈尔滨师范大学：自然科学学报，2016(6)：47-51.

[9] 孟芳芳，李珊红，卫明.基于WEB自动化创客实验室管理系统[J].长春工业大学学报，2017,38(6)：584-591.