一种单相变频正弦波逆变电源的设计
一种单相变频正弦波逆变电源的设计
摘 要：如今电源在日常生活中使用非常广泛，电源系统是整个设备运行的的能量源泉，好的电源系统是设备稳定安全运行的基础，所以不同应用领域对电源的性能要求与形式也越来越多。而当下在许多电子设备中，逆变电源是不可缺少的组成部分，逆变技术的研究越来越被各行业所关注，于是我设计并制作一种效率高、体积小、稳定性强、便于调节的DC-AC逆变开关电源，能把直流电转变成交流电，满足负载的能量需求。经实际测试数据结果表明，该逆变器系统稳定性好并具有保护功能，输出交流电压时幅值频率可调，并且有较低的输出电压、电流误差和较高的转换效率。
关键词：开关电源；全桥逆变；同步BOOST；DC-AC
The Design of a Single-Phase Frequency Inverter with Sinusoidal wave
Abstract: Nowadays, the power supply is widely used in daily life. The power system is the energy source for the operation of the whole equipment. The good power system is the basis for the stable and safe operation of the equipment. Therefore, the performance requirements and forms of the power supply are also increasing in different application fields. Nowadays, in many electronic devices, inverter power supply is an indispensable component. The research of inverter technology has been paid more and more attention by various industries. So I designed and produced a high efficiency, small size, strong stability and convenience. The regulated DC-AC inverter switching power supply converts direct current into alternating current to meet the energy requirements of the load. The actual test data shows that the inverter system has good stability and protection function. The amplitude and frequency are adjustable when the AC voltage is output, and the output voltage, current error and high conversion efficiency are low.
Key words: Switching Power Supply; Full Bridge Inverter; Synchronous BOOST; DC – AC.
引言
在如今工业4.0的时代，因为电子元器件制造技术研究的深入，逆变电源在日常生活中和其他场合应用也越来越广泛，特别是传统的不可再生化石能源日益减少，世界各国越发看重太阳能源的开发和利用，而逆变器在光伏并网发电系统中非常重要[1]。另外针对系统设备遇到突然断电情况，需要提供可靠的备用电源，其次在一些偏远地区和一些特定的场合无法取得所需要的的电能供应，因此人们需要将原始电能通过逆变电源设备转换后，获得所需要的电能并使流入终端用电设备的电能稳定、较高质量，其电压和频率均能满足负载需求 [2]。另外无论是发电厂输出电压频率不变的交流电能，还是由电池、太阳能电池等获得的原始电能，由于电能质量较差，它会损害用电设备[3]，如此一来普
通公用电网提供的交流电已经不能满足如今一些行业用电设备的需要[2]，为此，本方案设计一种可单相变频的逆变开关电源，以满足新型设备对高性能电源的实际需要。
现代自从晶体管、晶闸管的相继诞生及SPWM技术的正式应用此后，让逆变电源朝着更高效、更稳定、带负载能力更强等方面发展[5],各种不同的PWM技术的出现，更加快速得推动正弦波逆变技术的发展趋于完善[4]。另外使用PID算法控制电压电流，能够更为准确地调节电流、电压精度，实现电源的稳定输出[10]。
本文介绍了单相变频正弦波逆变电源的设计，它是一种升压正弦逆变电源。主要技术是通过STM32单片机最小系统的PWM波和SPWM波，其中产生的PWM波控制同步BOOST电路进行DC-DC升压，而产生的SPWM波控制全桥逆变电路进行DC-AC，此时这里的交流电压可以在振幅和频率上进行调节[7]。这种输出波形类似于正弦波，广泛用于交流异步电机，因为其输出电压幅值可调，频率可增或减，能够实现无极调速[3]。
1 总体设计
1.1 功能要求
单相变频正弦波逆变电源基本要求如下：
（1）输入直流电压24V，输出稳定36V交流电压，且波形不失真；
（2）输出频率40.0~200.0Hz内可调，且频率调整最小为1.0Hz；
（3）在输出功率不低于30W的条件下，系统效率不低于83%；
（4）系统具有过压欠压过流保护功能；
1.2 总体设计方案
系统整体思路设计框图如图1.1所示。
图1.1 单相变频正弦波逆变电源整体思路设计框图
该设计由直流稳压电源进行供电，其最大限定32V电压和3A电流，MCU模块为STM32最小系统，并利用脉冲宽度调制(PWM)技术和正弦脉宽调制(SPWM)技术进行控制。单片机产生的一路PWM波接入驱动模块后变为两路带反相死区的PWM，驱动DC-DC同步BOOST模块中的两个开关管，进行直流并联升压；单片机产生的两路反相SPWM波接入驱动模块后变为四路SPWM，控制DC-AC全桥逆变模块中的四个开关管，将直流电转变成交流电[6]；信息数据采集与反馈模块实时采样电压电流频率变化并返回收集信息给单片机，单片机再进行计算处理，进行调节从而实现稳压调频功能；过压欠压过流模块用于增强整个系统的安全性，把电路中电压、电流的变化跟设定值比较，并利用继电器通断控制；而液晶显示则是由LCD12864显示屏对系统运行情况和各项参数进行更新显示，方便了人机交互。
2 硬件设计
2.1 硬件电路总原理图
硬件电路总原理图由MCU模块、DC-DC升压模块、DC-AC逆变模块、信息数据采集与反馈模块、保护模块、显示与键盘步进模块和辅助电源等主要模块构成。其中MCU模块选用STM32最小系统；DC-DC升压模块采用同步BOOST拓扑结构；DC-AC逆变模
块采用全桥逆变结构；信息数据采集与反馈模块利用电压互感器、电流互感器、真有效值转换芯片AD637、 A/D采样芯片ADS1118构成的电路进行电压与电流采样，双电压比较芯片 LM393构成的过零比较器电路，进行频率调节；保护模块利用电磁继电器进行断电保护；显示与键盘步进模块采用LCD12864显示屏和矩阵键盘；辅助电源则是由LM2576芯片组成的降压开关型集成稳压电路产生，提供系统电路所需要的+12V、-12V、+5V、-5V电压。硬件系统总电路原理图如附录A所示。
2.2 主要硬件模块原理图及相关说明
2.2.1 核心控制模块
图2.1 核心板原理图
MCU模块为STM32最小系统，其由STM32F103ZET6芯片、晶振电路、复位电路和串口下载电路组成，其原理图如图2.1所示。STM32F103芯片具有ARM32位Cortex-M3 CPU、32-512KB的系统内可编程Flash、112个的快速I/O端口、实时时钟RTC、6-64KB的SRAM存储器、12通道DMA控制器 、SPI串口，晶振采用8MHZ，能保证MCU快速的采集与响应所采集的信号并及时发出控制信号，2个12位的A/D转换器（16通道），其A/D测量范围为0到3.3 V，有双采样和保持能力，多达11个定时器，有丰富的中断处理资源，多个PWM波输出通道以及可以通过三种软件选择的省电模式。
2.2.2 DC-DC升压模块
DC-DC升压模块由两个同步升压电路并联组成，实现电路的电压升压，并用开关管代替BOOST电路中的续流二极管，这样的电路具有稳定性好，响应时间短，输出纹波小等优点[8]，其原理框图如图2.2所示。
图2.2 DC-DC升压模块原理框图
同步BOOST结构是由两个IRF3205MOS管、电感及电阻和电容组成，通过单片机产生一路固定占空比值PWM，经驱动模块后输出两路带反相死区PWM分别控制两个开关管导通与截止。
图2.3 DC-DC升压模块原理图
2.2.3 DC-AC逆变模块
DC-AC逆变模块采用四个IRF3205MOS管的全桥逆变，实现对直流转交流的变换，因为相比半桥逆变而言，全桥逆变的带负载能力更强，而且振荡转换之间不会泻有电流使波形变坏[11]，其原理框图如图2.4所示。
根据输出电压表达式，由D=1－(V/Vo)得到脉宽调制的占空比。当输入的直流电压最低(24V)，输出的直流电压(36.2V)时，产生最大占空比Dmax；当输入的直流电压最高(18V)，输出的直流电压(35.8V)时，产生最小占空比Dmin，根据电流临界连续条件得电感的计算公式为：
(2.1)
其中，fSW(tye)为芯片振荡频率，IRIPPLE为纹波电流，Vout为最大输出电压，经实际计算电感值约为330uH。
输出电容的作用为滤除谐波，得输出滤波电容计算公式为：
(2.2)
其中， 为最大输出功率，U为最大输出电压， 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。
图2.4 DC-AC逆变模块原理
IRF3205为 N沟道MOS管，其最大漏极电压为55V，且功率损耗和导通阻抗低，通过单片机产生两路固定占空比值SPWM，经驱动模块后输出四路SPWM分别控制四个开关管导通与截止，其波形如图2.5中所示。通过单片机定时器的功能每隔50us取正弦波对应的一个占空比值，一个正弦波分为400个点，则逆变后的波形周期T=50*400=20000us，频率为f=1/T=50HZ，从而实现固定输出频率的交流电，其波形如图2.5中所示。
图2.5 全桥逆变分析图
2.2.4 信息数据采集与反馈模块
信息数据采集与反馈模块主要是进行直流电压取样、交流电压取样及频率调节。信息数据采集与反馈模块原理框图如图2.6所示。
图2.6 信息数据采集与反馈模块原理框图
直流电压取样的方法是通过两个阻值不同的分压电阻串联，利用单片机内部ADC采样采样直接对大电阻分压后输出电压进行采样。已知系统设计的稳定输出电压为36交流电压，根据交流电与直流转换关系，可以知道前级升压后的直流电压不能低于51V，另外因为STM32F103ZET6内部A/D能采集地最大电压为3.3V，所以可以算出电阻分压倍数为21倍，故分压电阻取1M、50K。
交流电压取样的方法则使用电压互感器把电压按一定比例缩小后，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的直流电，最后经ADS1118芯片采样后送至单片机，然后单片机对采集数据进行处理，把设定电压与采样电压进行比较，如果比较的电压差大于0.2V，就进行PID比例调节，如果比较的电压差小于0.2V，则使其在微距离范围内变动数值，以此让电压稳定在36V，实现快速稳压。
图2.7 交流电压取样电路原理图
电流取样的方法可以采用将大电流信号转换为小电流信号的高精度隔离测量芯片电流互感器和把康铜丝串入输出回路，输出电流在康铜丝上形成压降，然后利用芯片AD620差模放大处理，送入单片机内部A/D进行采样等两种方法。但康铜丝实际阻值不易测量且测量电路和功率电路没有进行隔离处理，而电流互感器具有精度高、带负载能力强并且还有隔离保护的特点，所以选择前面一种方案。
图2.8 电流取样电路原理图
幅值频率调节是将电压互感器后的波形传输到过零比较器，使正弦调制波转换为矩形波，STM32最小系统捕获正弦波经过过零比较器的同频方波及输出交流电压和交流输出电流经过零比较器的方波异或后的高脉宽，得到交流输出的频率，并将采集后的频率与设定频率比较，如果两者不一致，可以通过改变形成一个正弦周期所需点数的点值来改变频率，以达到幅值频率调节的目的。幅
值频率调节原理图如图2.9所示。
图2.9 幅值频率调节电路原理图
AD637是一款高准确度真有效值交流转直流芯片，输入电压有效值0-2V时，最大非线性误差低于0.02%。它能把外部输入的交流信号有效值变成直流信号输出，可计算各种复杂波形的真有效值、平方值和绝对值，并有分贝输出，量程为60dB。
图2.9 AD637真有效值电路原理图
2.2.5 辅助电源模块
辅助电源首先接直流稳压电源输入，然后经稳压芯片LM2576输出不同电压大小直流电压，用于满足各种芯片电路的电压供给。辅助电源模块原理图如图2.10所示。
图2.10 辅助电源模块原理图
2.2.6 显示与键盘步进模块
键盘是用来步进调节在规定频率范围内幅值频率值；液晶是用来显示实时的电压、电流和频率的值。
图2.11 显示与键盘步进原理图
2.2.7 保护模块
当输出电压低于20+0.5V或高于28+0.5V时，或输出电流高于1.7+0.1A时，系统进行自动断电保护，保护模块原理图如图2.12所示。
图2.12 保护电路原理图
其工作原理是：当STM32单片机检测到输出电压低于20+0.5V或高于28+0.5V时，或输出电流高于1.7+0.1A时，I/O发出一高电平信号，高电平信号经保护电路前级差分放大后，传送到继电器然后控制继电器通断，进而改变整个系统工作状态，达到保护的作用。
2.3 硬件PCB图
根据设计的原理图然后在AD 18软件上生成对应的PCB图，其部分模块PCB如图所示。
图2.13 DC-AC逆变电路PCB图
图2.14 采样调频电路PCB图
图2.15 保护电路PCB图
3 软件设计
系统的主程序流程图如图3.1所示。
图3.1 单相正弦波逆变电源程序流程图
程序说明：在Keil 5软件中编写程序，然后用J-link把程序烧录到单片机并给其上电，首先开始初始化并检测是否有按键按下，若有键按下，进行PID调节；若没键按下，则进行电压和电流采样。如果电流不成比例，系统将调整PWM1，直至电流的实际比例与设定比例一致；在电流成比例输出的条件下，对电压进行采样，判断实际电压与设定电压值是否一致，如果不一致，则通过调节相应的PWM2和SPWM信号使实际电压与设定值电压一致；在电压稳定输出的条件下，如果存在欠压或过压或过流的情况，继电器会自动断开，改变系统的工作状态，同时单片机会继续检测电压、电流情况，如果在设定安全范围内，继电器自动重新闭合，系统恢复正常工作状态；在系统安全工作的状态下，将采样频率并记录当前频率值，根据实际频率与设定频率的差值，将其转换为对应的点值，从而对点值进行增减，实现幅值频率调节；最后把电压、电流、频率的参数实时更新且显示在液晶显示屏上。
4 测试结果与分析
4.1 总体电路测试
图4.1 单