一款基于单片机的高效数控逆变电源

刘清萍，王楚蓥，张 胜

（南京邮电大学，江苏 南京 210000）

0 引 言

随着电力电子技术和数字控制技术的发展，逆变电源作为一种直流-交流变换装置，其数字化控制已成为必然趋势。逆变控制技术是由早期的脉宽调制PWM发展为如今常用的正弦波脉冲调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）。SPWM技术具有电路简单和成本低的特点，能够实时准确实现变频控制要求。基于SPWM技术控制的逆变器具有输出波形谐波分量少和变频方便等优势。相对于利用模拟控制和基于PWM专用芯片、SPWM专用芯片的逆变器，采用单片机数字控制的逆变器，可直接产生SPWM波，既显著减少了逆变电源的元器件数量，提高了逆变电源的可靠性，增强了电源的自我保护能力，又保证了先进控制方法和控制策略在逆变电源中的应用［1］。系统由控制核心STM32单片机、IR2110驱动模块、全桥驱动电路模块及LC滤波器模块等组成，功能框图如图1所示。

图1 系统功能框图

1 SPWM信号生成方法

SPWM信号主要有模拟产生方法和数字产生方法，前者具有成本高、电路复杂、易受外界干扰、实现困难及不易改进的特点；后者基于数字控制实现SPWM信号的产生，灵活性大，调试简单，便于更改频率和调制度等参数，并能结合智能控制算法提升电源的性能，如PID算法[2]。目前，一些专用芯片，如EG8010等SPWM信号产生芯片，还需要微处理去控制，控制复杂且成本高。本设计使用的控制核心STM32单片机，具有低成本、低功耗及高性能等特性，使用广泛[3]。单片机软件方式产生SPWM的方式主要有自然采样法、直接等效法及规则采样法。工程应用中，一般要求算法尽可能简单、可靠[4]。直接等效法和自然采样法相对于规则采样法，谐波较小，但自然采样法需消耗单片机大量时间来运算，并占用大量内存资源。所以本文采用直接等效法实现SPWM波的产生，原理如图2所示。直接等效法是依据面积等效原理，可根据载波周期计算出脉冲宽度。

图2 面积等效法产生SPWM波原理δ

面积等效法要求图2中面积S1与S2相等，可得：

其中，M为调制深度，f为正弦波频率，N为半周期采样点数，k为第k次采样。

STM32单片机具有硬件PWM输出功能，将正弦波平均分成400等份，通过式（1）计算得到数据，并将这些数据做成程序列表，存入单片机的ROM，然后单片机通过查表的方式产生数字SPWM波[5]。

为保证逆变桥不发生同臂直通现象，需合理设置互补SPWM波死区时间。死区时间设置越长，逆变桥的安全性能越好，但随着死区时间的增长，逆变器的输出电压波形质量变差，同时也将增大或减小逆变器的输出电压有效值，影响电源的性能和效率。STM32能输出自带死区时间的互补SPWM波，可通过编程实现SPWM波死区时间随输出信号频率的改变而自适应调整，使互补SPWM信号的死区时间处于较优范围，保持了电源可靠性，提高了电源有效性，使输出端输出高质量的正弦波。

2 逆变输出电路设计

2.1 逆变全桥电路设计

逆变全桥电路，通过四个开关管的交替导通实现电源极性的变换。全桥电路中，选用IRF3205场效应管作为开关管。该场效应管具有耐压值大、导通阻抗极低、转换速率快及高效可靠的特点。考虑单片机输出的SPWM波电压小且带载能力弱，选取了IR2110芯片用于驱动全桥逆变电路，以控制场效应管的通断[6]。

2.2 滤波电路的设计

单相全桥逆变电路输出的信号为高压SPWM波。该SPWM波除基波正弦波频率外，还含有大量的开关频率和谐波分量，因此有必要外加滤波电路。由于电压高且电流大，通常采用LC滤波电路。由于开关频率远高于基波频率，LC滤波器的截止频率设计相对简单。

系统的逆变输出电路如图3所示，通过两片IR2110驱动芯片实现桥式驱动，桥式驱动产生的信号经过LC滤波得到要求的正弦波信号[7]。

图3 电路原理图

3 测试结果

3.1 测试仪器设备

测试仪器设备包括SPD3303X-E直流电源、SDM3055X-E五位万用表、SDG-1032X信号发生器及SDS-2104X示波器。

3.2 频率测量结果

键盘设置参数频率，测量实际输出频率结果如表1所示。

3.3 效率测量

输入/输出电压和效率测量值如表2所示。

经测试可知，该逆变电源能准确地实现20～1 000 Hz（步进1 Hz）的正弦信号，且电源逆变效率为85%～90%，逆变效率较高，应用前景广阔［8］。

4 结 论

本文基于STM32单片机、IR2110、全桥驱动电路及LC滤波电路设计了一款逆变电源。该逆变电源较好地实现了输出键盘设置20～1 000 Hz频率精确可调地正弦交流电，交流电畸变小，可稳定输出，且具有死区自适应功能，逆变效率高，工程应用前景良好。

表1 频率测量结果

表2 效率测量结果