基于单片机的正弦波输出逆变电源的设计与实现.pdf-资料库

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OFweek 电源网 http://dianyuan.ofweek.com/ 基于单片机的正弦波输出逆变电源的设计与实现摘要：本文介绍了一种正弦波输出的逆变电源的设计。设计中采用了 DC／ DC 和 DC／AC 两级变换，高频变压器隔离，单片机控制。实验结果表明性能可靠。 0 引言低压小功率逆变电源已经被广泛应用于工业和民用领域。特别是新能源的开发利用，例如太阳能电池的普遍使用，需要一个逆变系统将太阳能电池输出的直流电压变换为 220V、50Hz 交流电压，以便于使用。本文给出了一种用单片机控制的正弦波输出逆变电源的设计，它以 12V 直流电源作为输入，输出 220V、50Hz、 0~150W 的正弦波交流电，以满足大部分常规小电器的供电需求。该电源采用推挽升压和全桥逆变两级变换，前后级之间完全隔离。在控制电路上，前级推挽升压电路采用 SG3525 芯片控制，采样变压器绕组电压做闭环反馈；逆变部分采用单片机数字化 SPWM 控制方式，采样直流母线电压做电压前馈控制，同时采样电流做反馈控制；在保护上，具有输入过、欠压保护，输出过载、短路保护，过热保护等多重保护功能电路，增强了该电源的可靠性和安全性。该电源可以在输人电压从 10．5V 到 15V 变化范围内，输出 220V±10V 的正弦波交流电压，频率 50Hz±O．5Hz，直流分量 l 主电路逆变电源主电路采用推挽升压和全桥逆变两级变换，如图 1 所示。编辑：Todd

OFweek 电源网 http://dianyuan.ofweek.com/ 输入电压一端接在变压器原边的中间抽头，另一端接在开关管 S1 及 S2 的中点。控制 S1 及 S2 轮流导通，在变压器原边形成高频的交流电压，经过变压器升压、整流和滤波在电容 C1 上得到约 370 V 直流电压。对 S3～S6 组成的逆变桥采用正弦脉宽调制，逆变输出电压经过电感 L、电容 C2 滤波后，最终在负载上得到 220 V、50 Hz 的正弦波交流电。采用高频变压器实现前后级之间的隔离，有利于提高系统的安全性。输入电压 10．5～15 V，输入最大电流 15 A，考虑一倍的余量，推挽电路开关管 S1 及 S2 耐压不小于 30 V，正向电流不小于 30 A，选用 IRFZ48N。升压高频变压器的设计应满足在输入电压最低时，副边电压经整流后不小于逆变部分所需要的最低电压 350 V，同时输入电压最高时，副边电压不能过高，以免损坏元器件。同时也必须考虑绕线上的电压降和发热问题。选 EE 型铁氧体磁芯，原副边绕组为 7 匝：300 匝。关于高频变压器的设计可以参考文献。变压器副边输出整流桥由 4 个 HER307 组成．滤波电容选用 68μ F、450 V 电解电容。根据输出功率的要求，输出电流有效值为 0 6～O.7 A，考虑一定的电压和电流余量，逆变桥中的 S3～S6 选用 IRF840。逆变部分采用单极性 SPWM 控制方式，开关频率 fs=16 kHz。假没滤波器时间常数为开关周期的 16 倍，即谐振频率取 1 kHz，则有编辑：Todd

OFweek 电源网 http://dianyuan.ofweek.com/ 滤波电感电容 LC≈2．5×10-3，可选取 L=5 mH，C=4．7μ F。滤波电感 L 选用内径 20 mm，外径 40 mm 的环形铁粉芯磁芯，绕线采用直径 O．4 mm 的漆包线 2 股并绕，匝数 180 匝。 2 数字化 SPWM 控制方法该逆变电源的控制电路也分为两部分。前级推挽升压电路由 PWM 专用芯片 SG3525 控制，采样变压器绕组电压实现电压闭环反馈控制。后级逆变电路由单片机 PICl6C73 控制，采样母线电压实现电压前馈控制。前级控制方法比较简单，在这里主要介绍后级单片机的数字化 SPWM 控制方式。 2.l 正弦脉宽调制 SPWM 正弦脉宽调制 SPWM 技术具有线性调压、抑制谐波等优点，是目前应用最为广泛的脉宽调制技术．一般用三角波 μ c 作为载波信号，正弦波 ug=UgmSin2π fgt 作为调制信号，根据 μ 和 μ g 的交点得到一系列脉宽按正弦规律变化的脉冲信号。则可以定义调制比 m=Ugm／Ucm，频率比 K=fc／fa=Tg／Tco。正弦脉宽调制可以分为单极性 SPWM 和双极性 SPWM。双极性 SPWM 的载波为正负半周都有的对称三角波，输出电压为正负交替的方波序列而没有零电平，因此可以应用于半桥和全桥电路。实际中应选择频率比 K 为奇数，使得输出电压 μ o 具有奇函数对称和半波对称的性质，μ c 无偶次谐波。但是输出电压 μ c 中含有比较严重的 n=K 次中心谐波以及 n=jk±6 次边频谐波。其控制信号为相位互补的两列脉冲信号。单极性 SPWM 的载波为单极性的不对称三角波，输出电压也是单极性的方波。因为输出电压中包含零电平，因此，单极性 SPWM 只能应用于全桥逆变电路。由于其载波本身就具有奇函数对称和半波对称特性，无论频率比 K 取奇数还是偶数输出电压 Uo 都没有偶次谐波。输出电压的单极性特性使得 uo 不含有 n=k 次中心谐波和边频谐波，但却有少量的低频谐波分量。单极性 SPWM 的控制信号为一组高频（载波频率 fe）脉冲和一组低频（调制频率 fk）脉冲，每组的两列脉冲相位互补。由三角载波和正弦调制波的几何关系可以得到，在 k>l 时，高频脉冲的占空比 D 为 2．2 PIC 单片机的软件实现 PICl6C73 是 Microchip 公司的一款中档单片机，它功能强大而又价格低廉。 PICl6C73 内部有两个 CCP（Capture、Compare、PWM）模块，当它工作在 PwM 模编辑：Todd

OFweek 电源网 http://dianyuan.ofweek.com/ 式下，CCP x 引脚就可以输出占空比 10 位分辨率可调的方波，图 2 为其工作原理图。 TMR2 在计数过程中将同步进行两次比较：TMR2 和 CCPRxH 比较一致将使 CCPX 引脚输出低电平；TMR2 和 PR2 比较一致将使 CCPx 引脚输出高电平，同时将 TMR2 清 O，并读入下一个 CCPRxH 值，如图 3 所示。因此，设定 CCPRxH 值就可以设定占空比，设定 PR2 值就可以设定脉冲周期。脉冲占空比 D 可以表示为在本设计中，全桥逆变器采用单极性 SPWM 调制方式。CCP1 模块用来产生高频脉冲，CCP2 模块用来产牛低频脉冲。选择 16M 晶振，根据脉冲周期 Tc=［（PR2） +l］×4×4*Tosc 和频率比 k=Tg／Tc，可以取 PR2=249，k=320，则有 Tg=20 ms，高频脉冲序列每一一个周期中包含：320 个脉冲。设调制比 m=0．92，将，t=TgN ／320 代入式（2），联立式（3）可以得到产生高频脉冲所需要的 CCP1H 的取值，第 0～79 个脉冲为 CCP1H=230sin（π N/160）（4）式中：N 为 O→79。考虑到正弦波的对称性，可以得到第 80～159 个脉冲为编辑：Todd

OFweek 电源网 http://dianyuan.ofweek.com/ CCP1H=230sin［π ×（80—N）／160］（5）根据脉冲的互补性，可以得到第 160～239 个脉冲为 CCP1H=250—230sin（π N／160）（6）第 240～319 个脉冲为 CCP1H=250—230Sin［π ×（80 一 N）／160］（7）因此，在程序中存储表格 230sin（π N／160），N∈［0，79］就可以得到整个周期 320 个高频脉冲的 CCP．H 值。第 O～79 点，CCP1H 为正向查表取值；第 80～159 点，CCP1H 为反向查表取值；第 160～239 点 CCP1H 为计数周期减去正向查表值；第 240~319 点 CCP1H 为计数周期减去反向查表值。对于低频脉冲，前半个周期可以看成由占空比始终为 1 的高频脉冲组成，后半个周期看成由占空比始终为 0 的高频脉冲组成，因此，第 O～159 个脉冲， CCP2H=250，第 160～319 个脉冲，CCP2H=O。图 4 为单片机_TMR2 中断程序的流程图，在中断程序中查表修改 CCPxL 的值．就可以改变下一个脉冲的 CCPxH 值，从而修改下一个脉冲的占空比，实现 SPWM 控制。编辑：Todd

OFweek 电源网 http://dianyuan.ofweek.com/ 3 实验结果实验中，输入电压变化范围为 10．5~15 V，输出滤波电感 5．3mH，滤波电容 8μ F，从空载到 150W 负载状态下都可以输出（220±10V）、50Hz 的正弦波交流电压，如表 1 和表 2 所示。图 5 和图 6 分别为空载和 150W 纯阻性负载条件下输出电压电流波形。可以看出输出电压和电流波形良好，经测量电压波形的 THD 为 3．6％。编辑：Todd

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OFweek 电源网 http://dianyuan.ofweek.com/ 4 结语本文详细分析了一种正弦波输出的逆变电源的设计，以及基于单片机的数字化 SPWM 控制的实现方法。数字化 SPWM 控制灵活，电路结构简单，控制的核心部分在软件中，有利于保护知识产权。编辑：Todd

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