一种基于单片机的正弦波输出逆变电源

摘要：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。
   O 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±0.5Hz，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。
   
   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370V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220V、50Hz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15A，考虑一倍的余量，推挽电路开关管S1及S2耐压不小于30V，正向电流不小于30A，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350V，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68μF、450V电解电容。
   根据输出功率的要求，输出电流有效值为0 6～0.7A，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=16kHz。
   假没滤波器时间常数为开关周期的16倍，即谐振频率取1kHz，则有
   
   滤波电感电容LC≈2.5×10-3，可选取L=5mH，C=4.7μF。滤波电感L选用内径20mm，外径40mm的环形铁粉芯磁芯，绕线采用直径0.4mm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μc作为载波信号，正弦波ug=UgmSin2πfgt作为调制信号，根据μ和μg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μo具有奇函数对称和半波对称的性质，μc无偶次谐波。但是输出电压μc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0，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(πN/160)     （4）
式中：N为0→79。
     考虑到正弦波的对称性，可以得到第80～159个脉冲为
     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(πN/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(πN/160)，N∈[0，79]就可以得到整个周期320个高频脉冲的CCP.H值。第0～79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0～159个脉冲，CCP2H=250，第160～319个脉冲，CCP2H=0。
   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。
   
   3 实验结果
   实验中，输入电压变化范围为10.5~15V，输出滤波电感5.3mH，滤波电容8μF，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%。
   
   
   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。
   作者：陆涵 胡磊 何湘宁 金新伟   来源：《电源技术应用》2005年10期