摘 要：本文介紹了一種正弦波輸出的逆變電源的設(shè)計(jì),。設(shè)計(jì)中采用了DC／DC和DC／AC兩級(jí)變換,，高頻變壓器隔離,，單片機(jī)控制,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明性能可靠,。

　　0  引言

　　低壓小功率逆變電源已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用領(lǐng)域。特別是新能源的開(kāi)發(fā)利用,，例如太陽(yáng)能電池的普遍使用,，需要一個(gè)逆變系統(tǒng)將太陽(yáng)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(jī)控制的正弦波輸出逆變電源的設(shè)計(jì)，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(jí)變換，前后級(jí)之間完全隔離,。在控制電路上,，前級(jí)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(jī)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(shí)采樣電流做反饋控制,；在保護(hù)上,，具有輸入過(guò)、欠壓保護(hù),，輸出過(guò)載,、短路保護(hù)，過(guò)熱保護(hù)等多重保護(hù)功能電路,，增強(qiáng)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(nèi)，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(jí)變換,，如圖1所示。

　　輸入電壓一端接在變壓器原邊的中間抽頭,，另一端接在開(kāi)關(guān)管S1及S2的中點(diǎn),。控制S1及S2輪流導(dǎo)通,，在變壓器原邊形成高頻的交流電壓,，經(jīng)過(guò)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(duì)S3～S6組成的逆變橋采用正弦脈寬調(diào)制,，逆變輸出電壓經(jīng)過(guò)電感L、電容C2濾波后,，最終在負(fù)載上得到220 V,、50 Hz的正弦波交流電。采用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)前后級(jí)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(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)應(yīng)滿足在輸入電壓最低時(shí)，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(shí)輸入電壓最高時(shí),，副邊電壓不能過(guò)高，以免損壞元器件,。同時(shí)也必須考慮繞線上的電壓降和發(fā)熱問(wèn)題,。選EE型鐵氧體磁芯，原副邊繞組為7匝：300匝,。關(guān)于高頻變壓器的設(shè)計(jì)可以參考文獻(xiàn),。

　　變壓器副邊輸出整流橋由4個(gè)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(kāi)關(guān)頻率fs=16 kHz。

　　假?zèng)]濾波器時(shí)間常數(shù)為開(kāi)關(guān)周期的16倍,，即諧振頻率取1 kHz，則有

　　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(nèi)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(jí)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(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)反饋控制,。后級(jí)逆變電路由單片機(jī)PICl6C73控制,，采樣母線電壓實(shí)現(xiàn)電壓前饋控制。前級(jí)控制方法比較簡(jiǎn)單,，在這里主要介紹后級(jí)單片機(jī)的數(shù)字化SPWM控制方式,。

　　2.l 正弦脈寬調(diào)制SPWM

　　正弦脈寬調(diào)制SPWM技術(shù)具有線性調(diào)壓、抑制諧波等優(yōu)點(diǎn),，是目前應(yīng)用最為廣泛的脈寬調(diào)制技術(shù)．一般用三角波μc作為載波信號(hào),，正弦波ug=UgmSin2πfgt作為調(diào)制信號(hào)，根據(jù)μ和μg的交點(diǎn)得到一系列脈寬按正弦規(guī)律變化的脈沖信號(hào),。則可以定義調(diào)制比m=Ugm／Ucm,，頻率比K=fc／fa=Tg／Tco。

　　正弦脈寬調(diào)制可以分為單極性SPWM和雙極性SPWM,。雙極性SPWM的載波為正負(fù)半周都有的對(duì)稱三角波,，輸出電壓為正負(fù)交替的方波序列而沒(méi)有零電平，因此可以應(yīng)用于半橋和全橋電路,。實(shí)際中應(yīng)選擇頻率比K為奇數(shù),，使得輸出電壓μo具有奇函數(shù)對(duì)稱和半波對(duì)稱的性質(zhì)，μc無(wú)偶次諧波,。但是輸出電壓μc中含有比較嚴(yán)重的n=K次中心諧波以及n=jk±6次邊頻諧波,。其控制信號(hào)為相位互補(bǔ)的兩列脈沖信號(hào)。

　　單極性SPWM的載波為單極性的不對(duì)稱三角波,，輸出電壓也是單極性的方波,。因?yàn)檩敵鲭妷褐邪汶娖剑虼?，單極性SPWM只能應(yīng)用于全橋逆變電路,。由于其載波本身就具有奇函數(shù)對(duì)稱和半波對(duì)稱特性，無(wú)論頻率比K取奇數(shù)還是偶數(shù)輸出電壓Uo都沒(méi)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(hào)為一組高頻（載波頻率fe）脈沖和一組低頻（調(diào)制頻率fk）脈沖，每組的兩列脈沖相位互補(bǔ),。由三角載波和正弦調(diào)制波的幾何關(guān)系可以得到,，在k>l時(shí)，高頻脈沖的占空比D為

　　摘 要：本文介紹了一種正弦波輸出的逆變電源的設(shè)計(jì),。設(shè)計(jì)中采用了DC／DC和DC／AC兩級(jí)變換,，高頻變壓器隔離，單片機(jī)控制,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明性能可靠,。

　　0  引言

　　低壓小功率逆變電源已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用領(lǐng)域。特別是新能源的開(kāi)發(fā)利用,，例如太陽(yáng)能電池的普遍使用,，需要一個(gè)逆變系統(tǒng)將太陽(yáng)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(jī)控制的正弦波輸出逆變電源的設(shè)計(jì)，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(jí)變換，前后級(jí)之間完全隔離,。在控制電路上,，前級(jí)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(jī)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(shí)采樣電流做反饋控制,；在保護(hù)上,，具有輸入過(guò)、欠壓保護(hù),，輸出過(guò)載,、短路保護(hù)，過(guò)熱保護(hù)等多重保護(hù)功能電路,，增強(qiáng)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(nèi)，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(jí)變換,，如圖1所示。

　　輸入電壓一端接在變壓器原邊的中間抽頭,，另一端接在開(kāi)關(guān)管S1及S2的中點(diǎn),。控制S1及S2輪流導(dǎo)通,，在變壓器原邊形成高頻的交流電壓，經(jīng)過(guò)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(duì)S3～S6組成的逆變橋采用正弦脈寬調(diào)制，逆變輸出電壓經(jīng)過(guò)電感L,、電容C2濾波后,，最終在負(fù)載上得到220 V、50 Hz的正弦波交流電,。采用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)前后級(jí)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(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)應(yīng)滿足在輸入電壓最低時(shí),，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(shí)輸入電壓最高時(shí)，副邊電壓不能過(guò)高,，以免損壞元器件,。同時(shí)也必須考慮繞線上的電壓降和發(fā)熱問(wèn)題。選EE型鐵氧體磁芯,，原副邊繞組為7匝：300匝,。關(guān)于高頻變壓器的設(shè)計(jì)可以參考文獻(xiàn)。

　　變壓器副邊輸出整流橋由4個(gè)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(kāi)關(guān)頻率fs=16 kHz,。

　　假?zèng)]濾波器時(shí)間常數(shù)為開(kāi)關(guān)周期的16倍,，即諧振頻率取1 kHz，則有

　　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(nèi)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(jí)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(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)反饋控制,。后級(jí)逆變電路由單片機(jī)PICl6C73控制,，采樣母線電壓實(shí)現(xiàn)電壓前饋控制。前級(jí)控制方法比較簡(jiǎn)單,，在這里主要介紹后級(jí)單片機(jī)的數(shù)字化SPWM控制方式,。

　　2.l 正弦脈寬調(diào)制SPWM

　　正弦脈寬調(diào)制SPWM技術(shù)具有線性調(diào)壓、抑制諧波等優(yōu)點(diǎn),，是目前應(yīng)用最為廣泛的脈寬調(diào)制技術(shù)．一般用三角波μc作為載波信號(hào),，正弦波ug=UgmSin2πfgt作為調(diào)制信號(hào)，根據(jù)μ和μg的交點(diǎn)得到一系列脈寬按正弦規(guī)律變化的脈沖信號(hào),。則可以定義調(diào)制比m=Ugm／Ucm,，頻率比K=fc／fa=Tg／Tco。

　　正弦脈寬調(diào)制可以分為單極性SPWM和雙極性SPWM,。雙極性SPWM的載波為正負(fù)半周都有的對(duì)稱三角波,，輸出電壓為正負(fù)交替的方波序列而沒(méi)有零電平，因此可以應(yīng)用于半橋和全橋電路,。實(shí)際中應(yīng)選擇頻率比K為奇數(shù),，使得輸出電壓μo具有奇函數(shù)對(duì)稱和半波對(duì)稱的性質(zhì)，μc無(wú)偶次諧波,。但是輸出電壓μc中含有比較嚴(yán)重的n=K次中心諧波以及n=jk±6次邊頻諧波,。其控制信號(hào)為相位互補(bǔ)的兩列脈沖信號(hào)。

　　單極性SPWM的載波為單極性的不對(duì)稱三角波,，輸出電壓也是單極性的方波,。因?yàn)檩敵鲭妷褐邪汶娖剑虼?，單極性SPWM只能應(yīng)用于全橋逆變電路,。由于其載波本身就具有奇函數(shù)對(duì)稱和半波對(duì)稱特性,，無(wú)論頻率比K取奇數(shù)還是偶數(shù)輸出電壓Uo都沒(méi)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(hào)為一組高頻（載波頻率fe）脈沖和一組低頻（調(diào)制頻率fk）脈沖，每組的兩列脈沖相位互補(bǔ),。由三角載波和正弦調(diào)制波的幾何關(guān)系可以得到,，在k>l時(shí)，高頻脈沖的占空比D為

　　2．2 PIC單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)

　　PICl6C73是Microchip公司的一款中檔單片機(jī),，它功能強(qiáng)大而又價(jià)格低廉,。PICl6C73內(nèi)部有兩個(gè)CCP（Capture、Compare,、PWM）模塊,，當(dāng)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(diào)的方波,，圖2為其工作原理圖。

　　TMR2在計(jì)數(shù)過(guò)程中將同步進(jìn)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(shí)將TMR2清O，并讀入下一個(gè)CCPRxH值,，如圖3所示,。因此，設(shè)定CCPRxH值就可以設(shè)定占空比,，設(shè)定PR2值就可以設(shè)定脈沖周期,。脈沖占空比D可以表示為

　　在本設(shè)計(jì)中，全橋逆變器采用單極性SPWM調(diào)制方式,。CCP1模塊用來(lái)產(chǎn)生高頻脈沖,，CCP2模塊用來(lái)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(gè)周期中包含：320個(gè)脈沖。設(shè)調(diào)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(gè)脈沖為

　　CCP1H=230sin（πN/160） （4）

　　式中：N為O→79,。

　　考慮到正弦波的對(duì)稱性,，可以得到第80～159個(gè)脈沖為

　　CCP1H=230sin［π×（80—N）／160］ （5）

　　根據(jù)脈沖的互補(bǔ)性，可以得到第160～239個(gè)脈沖為

　　CCP1H=250—230sin（πN／160） （6）

　　第240～319個(gè)脈沖為

　　CCP1H=250—230Sin［π×（80一N）／160］（7）

　　因此,，在程序中存儲(chǔ)表格230sin（πN／160）,，N∈［0，79］就可以得到整個(gè)周期320個(gè)高頻脈沖的CCP．H值,。第O～79點(diǎn),，CCP1H為正向查表取值；第80～159點(diǎn),，CCP1H為反向查表取值,；第160～239點(diǎn)CCP1H為計(jì)數(shù)周期減去正向查表值；第240~319點(diǎn)CCP1H為計(jì)數(shù)周期減去反向查表值,。

　　對(duì)于低頻脈沖,，前半個(gè)周期可以看成由占空比始終為1的高頻脈沖組成，后半個(gè)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(gè)脈沖，CCP2H=250,，第160～319個(gè)脈沖,，CCP2H=O。

　　圖4為單片機(jī)_TMR2中斷程序的流程圖,，在中斷程序中查表修改CCPxL的值．就可以改變下一個(gè)脈沖的CCPxH值,，從而修改下一個(gè)脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)SPWM控制,。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)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(fù)載狀態(tài)下都可以輸出（220±10V）、50Hz的正弦波交流電壓,，如表1和表2所示,。圖5和圖6分別為空載和150W純阻性負(fù)載條件下輸出電壓電流波形?？梢钥闯鲚敵鲭妷汉碗娏鞑ㄐ瘟己?，經(jīng)測(cè)量電壓波形的THD為3．6％。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本文詳細(xì)分析了一種正弦波輸出的逆變電源的設(shè)計(jì),，以及基于單片機(jī)的數(shù)字化SPWM控制的實(shí)現(xiàn)方法,。數(shù)字化SPWM控制靈活，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，控制的核心部分在軟件中,，有利于保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán),。