引言
低壓小功率逆變電源已經(jīng)被廣泛應用于工業(yè)和民用領域。特別是新能源的開發(fā)利用,，例如太陽能電池的普遍使用,，需要一個逆變系統(tǒng)將太陽能電池輸出的直流電壓變換為220V,、50Hz交流電壓,，以便于使用。本文給出了一種用單片機控制的正弦波輸出逆變電源的設計,，它以12V直流電源作為輸入,，輸出220V、50Hz,、0~150W的正弦波交流電,，以滿足大部分常規(guī)小電器的供電需求。該電源采用推挽升壓和全橋逆變兩級變換,，前后級之間完全隔離,。在控制電路上，前級推挽升壓電路采用SG3525芯片控制,，采樣變壓器繞組電壓做閉環(huán)反饋,；逆變部分采用單片機數(shù)字化SPWM控制方式，采樣直流母線電壓做電壓前饋控制,，同時采樣電流做反饋控制,；在保護上，具有輸入過,、欠壓保護,，輸出過載,、短路保護，過熱保護等多重保護功能電路,，增強了該電源的可靠性和安全性,。
該電源可以在輸人電壓從10．5V到15V變化范圍內，輸出220V±10V的正弦波交流電壓,，頻率50Hz±O．5Hz,，直流分量
l 主電路
逆變電源主電路采用推挽升壓和全橋逆變兩級變換,。
輸入電壓一端接在變壓器原邊的中間抽頭，另一端接在開關管S1及S2的中點,?？刂芐1及S2輪流導通，在變壓器原邊形成高頻的交流電壓,，經(jīng)過變壓器升壓,、整流和濾波在電容C1上得到約370 V直流電壓。對S3～S6組成的逆變橋采用正弦脈寬調制,，逆變輸出電壓經(jīng)過電感L,、電容C2濾波后，最終在負載上得到220 V,、50 Hz的正弦波交流電,。采用高頻變壓器實現(xiàn)前后級之間的隔離,，有利于提高系統(tǒng)的安全性。
輸入電壓10．5～15 V,，輸入最大電流15 A,，考慮一倍的余量，推挽電路開關管S1及S2耐壓不小于30 V,，正向電流不小于30 A,，選用IRFZ48N。
升壓高頻變壓器的設計應滿足在輸入電壓最低時,，副邊電壓經(jīng)整流后不小于逆變部分所需要的最低電壓350 V,，同時輸入電壓最高時，副邊電壓不能過高,，以免損壞元器件,。同時也必須考慮繞線上的電壓降和發(fā)熱問題。選EE型鐵氧體磁芯,，原副邊繞組為7匝：300匝,。關于高頻變壓器的設計可以參考文獻。
變壓器副邊輸出整流橋由4個HER307組成．濾波電容選用68μF,、450 V電解電容,。
根據(jù)輸出功率的要求，輸出電流有效值為0 6～O.7 A,，考慮一定的電壓和電流余量,，逆變橋中的S3～S6選用IRF840。逆變部分采用單極性SPWM控制方式,，開關頻率fs=16 kHz,。
濾波電感電容LC≈2．5×10-3，可選取L=5 mH,，C=4．7μF。濾波電感L選用內徑20 mm,，外徑40 mm的環(huán)形鐵粉芯磁芯,，繞線采用直徑O．4 mm的漆包線2股并繞，匝數(shù)180匝,。
2 數(shù)字化SPWM控制方法
該逆變電源的控制電路也分為兩部分,。前級推挽升壓電路由PWM專用芯片SG3525控制，采樣變壓器繞組電壓實現(xiàn)電壓閉環(huán)反饋控制,。后級逆變電路由單片機PICl6C73控制,，采樣母線電壓實現(xiàn)電壓前饋控制。前級控制方法比較簡單,，在這里主要介紹后級單片機的數(shù)字化SPWM控制方式,。
2.l 正弦脈寬調制SPWM
正弦脈寬調制SPWM技術具有線性調壓,、抑制諧波等優(yōu)點，是目前應用最為廣泛的脈寬調制技術．一般用三角波μc作為載波信號,，正弦波ug=UgmSin2πfgt作為調制信號,，根據(jù)μ和μg的交點得到一系列脈寬按正弦規(guī)律變化的脈沖信號。則可以定義調制比m=Ugm／Ucm,，頻率比K=fc／fa=Tg／Tco,。
正弦脈寬調制可以分為單極性SPWM和雙極性SPWM。雙極性SPWM的載波為正負半周都有的對稱三角波,，輸出電壓為正負交替的方波序列而沒有零電平,，因此可以應用于半橋和全橋電路。實際中應選擇頻率比K為奇數(shù),，使得輸出電壓μo具有奇函數(shù)對稱和半波對稱的性質,，μc無偶次諧波。但是輸出電壓μc中含有比較嚴重的n=K次中心諧波以及n=jk±6次邊頻諧波,。其控制信號為相位互補的兩列脈沖信號,。
單極性SPWM的載波為單極性的不對稱三角波，輸出電壓也是單極性的方波,。因為輸出電壓中包含零電平,，因此，單極性SPWM只能應用于全橋逆變電路,。由于其載波本身就具有奇函數(shù)對稱和半波對稱特性,，無論頻率比K取奇數(shù)還是偶數(shù)輸出電壓Uo都沒有偶次諧波。輸出電壓的單極性特性使得uo不含有n=k次中心諧波和邊頻諧波,，但卻有少量的低頻諧波分量,。單極性SPWM的控制信號為一組高頻(載波頻率fe)脈沖和一組低頻(調制頻率fk)脈沖，每組的兩列脈沖相位互補,。
2．2 PIC單片機的軟件實現(xiàn)
PICl6C73是Microchip公司的一款中檔單片機,，它功能強大而又價格低廉。PICl6C73內部有兩個CCP(Capture,、Compare,、PWM)模塊，當它工作在PwM模式下,，CCP x引腳就可以輸出占空比10位分辨率可調的方波,。
TMR2在計數(shù)過程中將同步進行兩次比較：TMR2和CCPRxH比較一致將使CCPX引腳輸出低電平；TMR2和PR2比較一致將使CCPx引腳輸出高電平,，同時將TMR2清O,，并讀入下一個CCPRxH值，如圖3所示,。因此,，設定CCPRxH值就可以設定占空比,，設定PR2值就可以設定脈沖周期。
在本設計中,，全橋逆變器采用單極性SPWM調制方式,。CCP1模塊用來產(chǎn)生高頻脈沖，CCP2模塊用來產(chǎn)牛低頻脈沖,。選擇16M晶振,，根據(jù)脈沖周期Tc=[(PR2)+l]×4×4*Tosc和頻率比k=Tg／Tc,可以取PR2=249，k=320,，則有Tg=20 ms,，高頻脈沖序列每一一個周期中包含：320個脈沖。設調制比m=0．92,，將,，t=TgN／320代入式(2)，聯(lián)立式(3)可以得到產(chǎn)生高頻脈沖所需要的CCP1H的取值,，第0～79個脈沖為
CCP1H=230sin(πN/160) （4）
式中：N為O→79,。
考慮到正弦波的對稱性，可以得到第80～159個脈沖為
CCP1H=230sin[π×(80—N)／160] (5)
根據(jù)脈沖的互補性,，可以得到第160～239個脈沖為
CCP1H=250—230sin(πN／160) (6)
第240～319個脈沖為
CCP1H=250—230Sin[π×(80一N)／160](7)
因此,，在程序中存儲表格230sin(πN／160)，N∈[0,，79]就可以得到整個周期320個高頻脈沖的CCP．H值,。第O～79點，CCP1H為正向查表取值,；第80～159點,，CCP1H為反向查表取值；第160～239點CCP1H為計數(shù)周期減去正向查表值,；第240~319點CCP1H為計數(shù)周期減去反向查表值,。
對于低頻脈沖，前半個周期可以看成由占空比始終為1的高頻脈沖組成,，后半個周期看成由占空比始終為0的高頻脈沖組成,，因此，第O～159個脈沖,，CCP2H=250，第160～319個脈沖,，CCP2H=O,。
3 實驗結果
實驗中，輸入電壓變化范圍為10．5~15 V,，輸出濾波電感5．3mH,，濾波電容8μF,，從空載到150W負載狀態(tài)下都可以輸出(220±10V)、50Hz的正弦波交流電壓,。
4 結語
本文詳細分析了一種正弦波輸出的逆變電源的設計,，以及基于單片機的數(shù)字化SPWM控制的實現(xiàn)方法。數(shù)字化SPWM控制靈活,，電路結構簡單,，控制的核心部分在軟件中，有利于保護知識產(chǎn)權,。