正弦波逆变器电源及外围电路设计与实现

郭庆勇

（纽福克斯光电科技（上海）有限公司，上海 201707）

0 引言

逆变器是一种电源设备，它的输入是电压电流恒定的直流电，输出是电流方向周期性变化的交流电电源[1]。我们生活的环境中经常可以看到逆变器的身影，逆变器影响着我们的生活。在太阳能发电系统中，逆变器是整个系统中最重要最核心部件之一[2]。太阳能发电系统一般先使用蓄电池对光伏电池采集的电能进行储能，那么如何实现蓄电池的化学能转换为工频交流电供人们使用？需要用到逆变器。在医疗救护车上很多急救电器需要使用220v交流电，在自驾出行，外出工作或旅游时，白天需要使用电动工具，夜晚需要照明等，都可能会用到车载逆变器。所以逆变器改善了我们的生活。

本论文逆变器设计要求是：12v电池供电，输出中国电网标准的单相工频交流电（AC220v/50Hz）；输出功率2000W；设备要能够根据输入输出电压，内部温度，设备带负载情况判断和显示故障信息。

本文主要介绍正弦波逆变器硬件电路设计，内容包括主要器件的选择，输出功率采集电路设计，低通滤波器电路设计及器件参数选择，显示电路的设计与实现等。

1 正弦波逆变器系统基本方案与设计框图

逆变器系统框图如图1 所示，逆变器主电路由如下几部分组成：DC/DC（直流/直流）驱动及升压电路，DC/AC（直流/交流）变换电路，信号采集和控制电路[3]。本设计中DC/DC驱动及升压电路是将12V蓄电池直流电进行斩波，转换到350v直流高压的过程。直流电被推挽式驱动电路切换成为一段一段的脉冲序列，通过高频变压器转换，经过整流和滤波后产生350V高压直流电。DC/AC变换电路采用正弦波脉宽调制（SPWM）的全桥逆变电路产生交流电，这时的交流电含有较多的谐波分量，需要通过低通滤波产生纯正的工频交流电。逆变器主电路原理示意图如图2所示。

图1 逆变器系统设计框图

图2 逆变器主电路原理示意图

逆变器控制电路以ARM控制器为核心，ARM处理器采集输入、输出电压和电流等信号，根据设备运行情况，实时产生相应的正弦波脉宽调制（SPWM）脉冲信号，通过改变脉宽调制的调制比例，从而控制逆变电路稳定输出。

2 正弦波逆变器系统总体设计

2.1 逆变器微处理器选型

在逆变器控制电路中，较常使用51系列单片机、DSP处理器和ARM微处理器等作为主控制器。

DSP处理器的基本功能是数字信号处理，为了能够快速实现数字信号处理，DSP使用特殊的处理器架构和硬件优化系统[4]。DSP采用哈弗结构，将程序与数据进行分开编址，实现数据的快速存取[5]；采用流水线操作，提高程序运行效率和数据吞吐率；支持硬件乘法器和浮点运算，在需要数字滤波，小波变换，卷积运算等算法时，运算速度大大提高。DSP以优异的性能在很多产品中获得应用。但使用DSP的劣势有：芯片成本较高，芯片功能相对复杂，DSP技术入门门槛较高，产品研发周期长等。

51系列单片机出现比较早，生产厂家很多，芯片种类丰富，以其经济实惠，成本相对较低，操作简单等特点，获得广泛的使用，但随着ARM处理器的异军突起，51单片机应用逐渐式微。ARM处理器相对51单片机，无论运算速度，数据处理能力，还是存储容量，在成本，功耗和效率等方面都更有优势。

经过比较，本逆变器控制系统最终选用STM32F030C8 ARM处理器。STM32F030C8是意法半导体(ST)公司开发的高性能控制器，内核采用32位ARM Cortex®-M0

架构，非常适合对成本敏感的逆变器控制系统中。STM32F030C8主频可达48MHz， 64K字节FLASH容量用于程序存储，SRAM可达8K字节，提供6路USART接口，方便逆变器控制系统功能扩展；具有最多16路12 位ADC，满足逆变器电压电流等信号的采集；提供多个定时器功能，能够提供多路PWM互补输出，特别适合于逆变器控制MOSFET管和IGBT。

2.2 逆变器主芯片及外围控制电路

图3所示，逆变器主芯片采用STM32F030C8处理器，该主电路主要完成如下几个功能：完成逆变器电路中输入输出电压，电流，温度等信号的采集，完成PWM的信号调制，用于控制逆变器正弦波的输出，以及液晶显示器的人机接口功能。

图3 逆变器主芯片及外围控制

为了防止电源电压3.3v波动，对AD信号采集产生影响，系统使用TL431产生2.5V基准，如图2的第10脚连接电路。TL431是一个精密的基准电压源，具有良好的热稳定性，在全部工作范围内都有温度补偿；TL431输出电压可以通过两个电阻很容易进行调节。TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，该电路是TL431的典型使用电路。使用TL431时需注意要用一只电容器如图C14输出滤波，减小输出噪声。

2.3 逆变器MOS管选型

本逆变器前级直流电压是12V，允许的电压范围是10v至16v，前级采用推挽拓扑结构，如前文所述，变压器初级绕组的匝数相同，且通过中心抽头连接到12v电压，所以任一个MOS管导通时，另外一个MOS将承受的电压是输入电压叠加自身绕组在挂断时产生的反向电压，即至少两倍的直流电压。选择MOS管时还应考虑一定程度的安全裕量。在输入电压为16v时，MOS管承受的电压Vp最大：

逆变器输出功率2kw，若逆变效率为85%，则输入功率为：

在推挽式拓扑结构中，每半个周期有一个脉冲，假设每个开关管导通时间为半周期的80%，那么每个开关管导通时，功率表示为：

在功率一定的情况下，电压越低，电流就越大，所以取输入电压为10v时，将式2带入式3，得到：

这个电流较大，在实际电路中选择了每个推挽开关管使用3个MOS管并联。根据计算的电压和电流，查MOS管手册，可以选用IRF1404。IRF1404是IR公司推出的功率级MOSFET，IRF1404漏源极可承受电压是40v，大于（1）计算的32v；定漏源极间电流Id=162A；3只MOS管并联电流为162*3=486A，满足大于（4）计算的291.125A电流，所以选择IRF1404 MOS管可满足幅值电流和电压应力的要求。

2.4 逆变器输出功率采集电路设计

逆变器输出功率采集电路如图4所示，由于使用电流互感器经济实惠，成本较低，使用简单，本设计项目采集输出功率采用电流互感器电路。

图4 逆变器输出功率采集

系统采用电流互感器采集交流输出电流。T2为电流互感器，L1和L表示的是互感器原边绕组，L1和L绕组串接在逆变器交流输出端。当逆变器输出功率时，电流流过L1和L绕组，根据电磁感应定律和电流互感器工作原理，电流互感器副边感应产生一定比例的交流电信号，该交流信号经过D17、D18、D19、D20组成的桥式整流器后，在电阻R36上产生适当大小的直流电压，信号送入微处理器进行处理。逆变器通过电流采集，计算出输出功率，用于LCD显示，过载保护等。

2.5 逆变器温度采集电路设计

如图5所示，在逆变器温度采集电路中，温度传感器采用NTC负温度系数热敏电阻。电阻R33与热敏电阻RT1分压后，接入运放U15组成的跟随器，产生ADCINA0信号送入逆变器微处理器的ADC单元，进行AD转换，采集温度。运放U15在这里的作用是降低采集输入阻抗，提高采集精度。Z27为温度采集输入信号保护二极管。

图5 逆变器温度采集电路

当微处理器采集逆变器温度过高时，启动风机，给逆变器元器件降温；当温度继续上升到过高温度时，微处理器切断逆变器输出，避免由于高温导致逆变器内部元器件失效。

2.6 功率管驱动电路设计

为了安全可靠控制MOSFET管和IGBT，在逆变器控制系统中采用光耦FOD8342隔离驱动电路。光耦FOD8342的结构图如图6所示，驱动电路示意图如图7所示。

图6 FOD8342结构示意图

图7 驱动电路连线示意图

光耦FOD8342具有3A电流驱动能力，提供快速的切换速度，非常低的信号传递延时，很小的传输信号脉宽失真，具有很宽的工作电压10v到30v。FOD8342采用SOP6宽体封装，能够提供可靠的抗噪能力，非常适合高性能电源系统中驱动中等功率的MOS管和IGBT。

图7为FOD8342驱动电路连线示意图，在光耦输入端接入PWM信号，VCC接15V的电压，4脚接-5V电压，当PWM信号为低时，VOUT输出为-5V电压，为IGBT或MOSFET提供反向电压，用于可靠关断IGBT和MOSFET。

2.7 LC低通输出滤波电路设计及器件参数选择

直流高压通过逆变电路后，在输出电压中含有很多谐波分量，尤其是载波50Hz频率的奇数倍谐波分量，降低交流电电能传输、利用的效率，对外部电路产生干扰等，所以需要滤波。

本设计采用的是LC滤波，滤波器结构示意图如图8所示。LC滤波器在高频电路中呈高阻抗，衰减掉逆变器输出的高频率谐波，获取合适的工频正弦波电压电流波形。截止频率是LC滤波器设计最重要的指标之一，通常选取电路开关频率的1/10至1/20[6]。在DC/AC逆变电路设计中，系统开关频率为20kHz，那么截止频率的范围是1kHz到2kHz，初步设定滤波器截止频率为1.5kHz。

图8 LC低通滤波器的结构示意图

LC低通滤波器的串联阻抗是Z1，并联阻抗是Z2，Z1与Z2的乘积：

在上面公式中，如果电感L和电容C一旦确定，K的值就确定了，为一个固定值，与工作频率无关，与输入输出电压都没有关系，这就是通常所说的常K G型滤波器名称的由来。Z1与Z2的乘积K也可以用滤波器特征阻抗R表示：

R为滤波器标称特征阻抗，其取值与负载电阻RL有关，关系式为：

根据低通滤波器原理，该滤波器的截止频率是：

由式6和式8可以得到：

在本设计中要求逆变器输出功率是2kW，输出交流电压是220V，那么逆变器在满载工作时，可得：

根据式8计算R值的范围是：12.1-19.36，R初步取值15，将R=15，fc=1.5K带入式9和式10，计算得到：

根据试验，实际取值为L=2.5mH，C=1.7uF，此时根据式8，计算截止频率为：fc=1.468kHz，符合设计的要求。

2.8 LCD显示电路设计与实现

本设计中采用晶联讯电子生产的JLX12864G-G176液晶屏（LCD）作为逆变器显示设备，该LCD显示可显示128*64点阵信息，使用方便，修改显示内容灵活；使用ST7567作为驱动芯片，通用性较好；该LCD采用SPI接口与主机进行通信，移植容易；在-10℃到60℃的温度范围内，该LCD都能工作，适合逆变器产品工作需求。LCD时序如图9所示，管脚定义如表1所示。

表1 LCD管脚定义

图9 液晶驱动SPI接口时序

逆变器CPU与LCD接口电路，如图10所示，三极管Q1、Q2用于控制LCD电源电压和背光显示， C1，C2用于LCD内部产生驱动电压，当Q2导通时，LCD上电，液晶背光启动。

图10 逆变器LCD显示电路

逆变器显示界面设计如图11所示，显示内容主要有，根据功率大小图形显示百分比值，显示电池电压，电池容量，在逆变器产生故障时，显示故障信息，当有故障时提醒用户注意。

图11 逆变器LCD显示界面设计

//LCD示例程序

3 结语

本文首先根据逆变器设计要求，分析主电路组成部分，给出了设计框图，详细分析了逆变器工作流程。

通过对比51系列单片机，ARM处理器，DSP芯片各自特点，本项目最终采用STM32F030C8处理器作为逆变器主控制器。STM32F030C8是一款高性能ARM处理器，完全满足逆变器控制系统的要求。本逆变器系统前级控制电路采用推挽拓扑结构，根据输入电压和输出功率，考虑安全裕量，电路选择IRF1404 MOSFET作为开关管，满足系统电压电流的应力要求。然后本文分别又详细介绍了输出功率采集电路的设计，功率管驱动电路设计，低通滤波电路设计，显示电路设计与实现等。

本文完整描述了整个逆变器系统的一些硬件电路设计。通过测试和实际应用，本系统很好的实现了直流12v电源输入，逆变输出2kw工频交流电的设计目标。本项目成果已经应用在相关产品中，取得了很好的经济效益，值得推广和应用。