基于STM32单相正弦波逆变电源的设计

唐涛　杨冰　李稳国　兰岳旺　吴航

摘 要 针对传统线性电源输出功率低、稳定性差、带负载能力不强等问题，设计并制作了一种效率高、稳定性强的开关稳压式电源。该开关电源系统主要是由STM32单片机、驱动模块、DC-DC升压模块、DC-AC逆变模块、采样调频模块等组成。以DC-DC升压模块和DC-AC逆变模块为电路主拓扑，由STM32单片机产生的信号经过驱动模块放大增幅后进行控制调节，采样调频模块进行采样反馈和频率调节。测试结果表明，该开关电源系统具有过压欠压保护功能，输出交流电压的幅值频率可调，且效率达到86%以上。

关键词 STM32单片机 DC-DC DC-AC

中图分类号：G632.3 文献标识码：A

0引言

随着电子技术的飞速发展，各种电子装置对电源功率的要求越来越大，对电源效率和稳定性的要求也越来越高。因此，开关电源技术得以飛速发展。传统线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在效率低（40%-50%）、体积大、工作温度高及调整范围小等缺点，而开关式稳压电源效率可达85%以上，且稳压范围宽。相比传统线性稳压电源，开关电源所具有的电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点，为它在小功率范围内取代线性电源奠定了良好基础，并且还迅速地向中大功率范围推进。文献[2]提出的开关电源稳定性好，但电源转换效率不高。

针对上述问题，本文提出了单相正弦波逆变电源的设计。该设计主拓扑电路由DC-DC升压模块和DC-AC逆变模块构成。其中，DC-DC升压模块采用两路B00ST并联结构，提高了输入电流，有利于电流分配调节。而DC-AC逆变模块采用全桥逆变结构。与半桥逆变结构相比，全桥逆变的开关电流减小了一半，在大功率场合得到了广泛应用，且稳定性更好。本系统使用的开关管均是金属氧化物场效应管（MOSFET），该管能够有效地减少功率损耗，提高系统效率。

1系统总体设计

系统总体设计框图如图1所示。该电源系统采用直流稳压电源供电，最大提供32V-3A。辅助电源则为LCD12864显示屏、驱动模块中6N137和IR2104芯片及交流采样模块中AD637芯片提供+12V、+5V、-5V电压。

该系统以STM32为主控单片机。采用脉冲宽度调制（PWM）技术和正弦脉宽调制（SPWM）技术，由单片机定时器产生固定频率的PWM波和SPWM波。PWM波经驱动模块放大加强后，驱动DC-DC模块中BOOST结构的MOSFET，进行并联升压；单片机实时采样调节DC-DC模块输出总电压和两个BOOST电路的电流，保证电压输出稳定并且电流成比例。SPWM波经驱动模块加强放大后，驱动DC-AC模块中全桥逆变电路的四个开关管，通过控制四个开关管在同一时刻不同通断，实现直流电到交流电的转变；单片机对DC-AC模块输出电压进行交流采样和调节，达到逆变电路的稳压输出和频率调节的目的。

2系统硬件主要模块

2.1 DC-DC升压模块

DC-DC升压模块采用两路同步BOOST电路并联组成，实现对电路的升压。它具有稳定性好，负载响应快，输出波纹小等优点。

为提高系统稳定性，DC-DC升压模块的两路BOOST电路都采用同步结构。同步BOOST是由Q1、Q2两个IRF540、电感P2及C1电容组成。当Q2导通、Q1截止时，电源E给电感P2充电，电感P2获得的能量为E*ton。当Q1导通、Q2截止时，电源E和电感P2同时给电容C1充电，其电容所得幅值为U，电感所释放的能量为（UE）*toff。当电路工作处于稳态时，一个周期T中电感P2储存的能量与释放的能量相等，故可得放大倍数A：

A==

式中，D=，即为PWM波的占空比。所以当输出总电压发生变化时，只需调节PWM波的占空比，就能调节输出总电压。

BOOST结构中的电感P2由绕组扼流线圈和铁氧体磁芯组成，根据电流临界连续条件得电感的计算公式为：

其中，fSW（tye）为芯片振荡频率，IRIPPLE为纹波电流，U为最大输出电压，经实际计算电感值约为330uH。

电容C1的主要作用是储能电能，电解电容C1计算公式为：

其中，POUT为最大输出功率，U为最大输出电压，Umin为最低输出电压，T为开关周期，计算可得电容的大小约为2200uF，故选用2200uF。而C2、C3为独石电容，其主要作用是滤除谐波。

2.2 DC-AC逆变模块

DC-AC逆变模块采用全桥逆变电路。采用全桥逆变结构具有损耗低、效率高、工作频率高、驱动容易、可靠性高等优点。

2.3采样调频模块

采样调频模块主要是由直流电压采样、直流电流采样、交流电压采样及频率调节四部分组成。

直流电流采样方法为：在DC-DC升压模块两路输出端各串联一个50m 康铜丝电阻。已知系统设计的电流范围为0-3A，故所得电压范围是0-150mV。而STM32单片机所能采集地有效电压为1.8-3.3V，取其适中值2.4-3.0V。因此差分放大倍数范围在16-20倍。直流电压采样的方法是通过大电阻分压后对输出电压进行采样。已知系统设计的最大输出电压为24V交流电，根据交直流变换关系，得BOOST升压后的最大直流电为34V。交流电压采样的方法则使用电压互感器进行缩放后，对交流电压进行采样，再用AD637芯片进行真有效值转换，将交流电转换为单片机可采集地直流电，计算后送至单片机。频率调节则是将电压互感器之后输出的波形送至过零比较器，使正弦调制波变换为矩形波，供STM32单片机采集，并将采集后的频率与设定频率比较。如果两者不一致，则通过改变构成一个正弦周期所需的点数dot值来改变频率，以达到变频的目的。

2.4驱动模块

驅动模块主要是由6N137光耦隔离芯片和2104芯片等部分组成。

STM32单片机产生两路控制信号，其中一路PWM信号经过6N137光耦隔离芯片增幅放大后，输入到2104芯片电路，由2104芯片电路产生两路反相带死区的PWM波，用于后级电路的控制。另外一路SPWM信号也是如此。此外，6N137芯片还有隔离作用，能够保护STM32单片机不受后级信号的干扰和损害。

3系统软件设计

程序流程描述如下：系统上电后，系统首先进行初始化处理，检测是否有键按下。若有键按下，判断键值类型，根据不同的类型执行相关程序。若没键按下，则进行电压电流采样。根据电流是否成比例、电压是否稳定输出、频率是否稳定输出三个主要判断条件进行相关操作和调节。如果电流不成比例，系统则会根据实际比例与设定比例存在的差值，调节PWM1直至电流成比例输出。在保证电流成比例输出的条件下，对电压进行采样，判断其是否与设定电压值一样。如果不一样，则会调节相应的PWM2和SPWM信号直到与设定值电压相同为止。在电压稳定输出的条件下，如果存在欠压或过压的情况，继电器会断开输入电压，系统进入保护状态。如果不存在欠压过压的情况，系统进行频率采样，记录此刻频率值。如果需要进行频率调节，则根据实际频率与设定频率存在的差值，换算成对应的dot值，增减dot值的大小，来达到频率调节的目的。最后液晶显示屏将显示各部分的参数情况，并循环执行，实时更新。

4实验结果与分析

为了验证该方案的可行性，在实验室制作了一台样机，负载为10 /50W滑动变阻器。使用的测试仪器有四位半数字万用表、全自动示波器。

由表1数据可知，，电压输入在15.2-18.4V，电流输入在2.32-2.84A时，系统DC-AC部分转换效率都在86%以上，且输出波形良好，无明显失真；由表2数据可知，输出频率在40.0-200.0Hz范围内可调，频率调整误差不超过1%，频率调整最小值为1.0Hz；调整输入电压，当输入电压低于16.0V或高于19.0V时，继电器断电，对系统进行过压欠压保护，将电压调回16.0V或19.0V，系统恢复正常。测试表明各项参数良好，但是也存在一些问题。

5结论

本文设计并实现了一种基于STM32单相正弦波逆变开关电源，该系统样机测试表明，输出交流电压在12.0-22.0V内可调，输出频率在40.0-200.0Hz范围内可调，还具有欠压过压保护的功能。各项参数良好，系统运行可靠。本设计区别于传统线性稳压电源，且体积小、成本低，具有很好的应用前景。

基金项目：湖南城市学院教务处省级科研项目（CX201609）。

参考文献

[1] 王予，张培，胡海如.开关电源原理及发展方向[J].中国科技信息，2007：14-85.

[2] 曹丽萍.开关电源EMI滤波器研究[D].西安：西安电子科技大学，2010.