单相正弦波逆变电源

单相正弦波逆变电源宋晨,丁庆东,韩金秋（哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，哈尔滨，150001）摘要：本单相正弦波逆变电源的设计，以12V直流稳压电源作为输入，输出为36V、50Hz的标准正弦波交流电。该电源采用推挽升压和全桥逆变两级变换，在控制电路上，前级推挽升压电路采用MSP430-5529单片机进行控制；逆变部分采用驱动芯片IR2110进行全桥逆变，利用MSP430-5529单片机完成SPWM的调制，并通过低通滤波器进行滤波，后级输出采用电流互感器进行采样反馈，形成双重反馈环节，增加了电源的稳定性；在保护上，具有输出过载、短路保护、过流保护、空载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；输出交流电压通过电压互感器进行采样，再通过MSP430-5529单片机的控制进行模数转换，最终将电压值显示到液晶12864上，形成了良好的人机界面。该电源很好的完成了各项指标，输入功率为49.17W，输出功率为43.7W，效率达到了88%，输出标准的50Hz正弦波。关键词：单相正弦波逆变;DC-DC;DC-AC;SPWMSingle-phasesinewaveinverterSongchen,Dingqingdong,Hanjinqiu(InformationandCommunicationEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin,150001)Abstract:Thedesignofsingle-phasesinewaveinverterpowersupply,with12Vdcvoltagestabilizerastheinputandoutputof36V,frequency50Hzacstandardsinewave.Thepowersupplybythepush-pullinverterandthewholebridge(twoleveltransformation,inthecontrolcircuit,theformerstageisusedtoboostthepush-pullMSP430MCUcontrol-5529;InverterpartadoptsIR2110drivechipforthewholebridgeinverter,usingMSP430singlechipmicrocomputer5529-completeSPWMmodulation,andthroughthelow-passfiltertofilter,theoutputlevelaftercurrenttransformerforsamplingfeedback,formdoublefeedbackpart,increasethepowerofstability;Inprotection,withitsoutputoverload,shortcircuitprotection,overcurrentprotection,suchastheprotectionofno-loadmulti-protectionfunctionscircuit,enhancethepowersupplyreliabilityandsafety;Outputvoltagethroughthevoltagetransformerforsampling,againthroughtheMSP430MCUcontrolforthe5529-a/dconvert,willeventuallyvoltagevaluetoliquidcrystaldisplayonthe12864,formingagoodhuman-machineinterface.Thepowersupplygoodfinisheachindex,theinputpowerof49.17W,poweroutputforW,efficiencyreached43.7%,outputstandardfrequency50Hzsinewave.Keywords:Single-phasesinewaveinverter;DC-DC;DC-AC;SPWM引言电力电子技术是研究电能变换原理与变换装置的综合性学科，是电力行业中广泛运用的电子技术。电力电子技术研究的内容非常广泛，包括电力半导体器件、磁性元件、电力电子电路、集成控制电路以及由上述元件、电路组成的电力变换装置，其中电力变换技术是开关电源的基础和核心。由于生产技术的不断发展，向DC/AC变换器的应用也越来越广泛，主要有直流不停电电源系统(DC-UPS)、航空电源系统、电动汽车等车载电源系统、直流功率放大器以及蓄电池储能等应用场合。本单相正弦波逆变电源的设计，以12V直流稳压电源作为输入，输出为36V、50Hz的标准正弦波交流电。该电源很好的完成了各项指标，输入功率为49.17W，输出功率为43.7W，效率达到了88%，输出标准的50Hz正弦波。1系统设计1.1设计要求设计并制作输出电压为36VAC的单相正弦波逆变电源，输入为12VDC电源，负载为阻性。DC/AC变换滤波器UiUoIiIoRL基本要求（1）在额定输入电压Ui=10~14.5V下，输出电压UORMS=36±0.5V，频率0.5Hz50Of，额定满载输出功率50W；（2）输出正弦波电压，THD≤3%；（3）满载情况下，逆变效率≥83%；（4）具有输入过压、欠压保护功能，欠压保护点9±0.5V，过压保护点16±0.5V。当满足过压、欠压条件时，关闭输出；（5）输出过流保护功能，动作电流Io=1.6±0.1A。1.2总体设计方案1.2.1设计思路题目要求设计一个输入为12VDC电源，输出电压为36VAC的单相正弦波逆变电源，输出电压波形为正弦波。设计中主电路采用电气隔离、DC-DC-AC的技术，控制部分通过MSP430单片机实现SPWM（正弦脉宽调制）技术，利用对逆变原件电力MOSFET的驱动脉冲控制，使输出获得交流正弦波的稳压电源。1.2.2方案论证与比较（1）DC-DC变换器的方案论证与选择方案一：推挽式BoostDC/DC变换电路。推挽式BoostDC/DC变换器的拓扑结构原理图如图1.2.1所示:图1.2.1推挽式BoostDC-DC变换电路拓扑结构图方案二：Boost升压式DC-DC变换器。拓扑结构如图1.2.2所示。开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量，电感储能后使电压泵升，而电容C可将输出电压保持平稳，通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。图1.2.2Boost升压式DC-DC变换器拓扑结构图方案比较：方案一和方案二都适用于升压电路，推挽式DC-DC变换器需要绕制变压器，电路结构复杂，并且变压器功耗较大，Boost升压式DC-DC变换器不使用高频变压器，出于电源效率考虑，决定采用方案二。(2)DC-AC变换器的方案论证与选择方案一：半桥式DC-AC变换器。半桥式拓扑结构原理图如图1.2.3所示。图1.2.3半桥式拓扑结构图方案二：全桥DC-AC变换器。全桥DC-AC变换器。全桥电路中互为对角的两个开关同时导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压成幅值为inV的交流电压，加在变压器一次侧。改变开关的占空比，也就改变了输出电压outV。全桥式电路如图1.2.4所示。图1.2.4全桥式电路方案比较：方案一和方案二都可以作为DC-AC变换器的逆变桥，由两者的工作原理可知，半桥需要两个开关管，全桥需要四个开关管。半桥和全桥的开关管的耐压都为DCV,而半桥输出的电压峰值是DCV21，全桥输出电压的峰值是DCV，所以在获得同样的输出电压的时候，全桥的供电电压可以比半桥的供电电压低一半。出于这点的考虑，决定采用方案二。（3）辅助电源的方案论证与选择方案一：采用线性稳压器7805。方案二：采用Buck降压式DC-DC变换器。方案比较：考虑到方案一结构简单，可行性高，易于实现，且效率较高，完全满足比赛要求，故决定采用方案一。1.2.3系统组成系统方框图如图1.2.5所示，先采用DC-DC变换器把12VDC的电压升至60V，保证输出真有效值为36V的正弦波不出现截止失真和饱和失真。输出电压反馈采用调节SPWM信号脉宽的方式。该系统采用辅助电源供电供给输出电压、电流测量和输入过压，欠压保护电路以及输出过流保护、短路保护电路使用。输出电压也使用电压互感器转换后，由单片机ADC采样后分析，在液晶屏幕上显示。图1.2.5系统组成图2.单元硬件电路设计2.1DC-DC变换器控制电路的设计DC-DC变换器控制电路如图2.1.1所示，通过单片机输出PWM方波，输入直流电压+12V，由于MOS管受到PWM波的控制，当MOS管实现导通和开断，进而实现充放电过程。图2.1.1DC-DC变换器控制电路2.2DC-AC电路的设计全桥逆变电路图如2.1.2所示。电路采用两个半桥驱动芯片IR2110分别驱动全桥的两边场效应管IRF540按驱动信号SPWM波交替导通，输出功率放大的SPWM波。图2.2.1DC-AC电路图2.3SPWM波的实现本软件利用MSP430f5529产生一个SPWM波。系统采用32768Hz的钟表晶振，通过采用内部硬件锁频环FLL，来校准DCO频率为系统提供MCLK/SMCLK时钟。软件流程如图2.2.2：图2.3.1SPWM波软件流程2.4保护电路的设计2.4.1输入过压、欠压保护电路的设计输入过压、欠压保护电路见附件图2.4.1所示。电路中通过R4、R6、R7实现分压，通过比较器LM339对电压进行比较，当正常时输出为高电平，当过压或欠压时输出低电平。2.4.2输出过流保护电路的设计过流保护电路见附件图2.4.2所示。通过比较器LM339对电流互感器采样转化的电压进行比较。当电流过流时比较器输出是高电平产生保护，等故障消除，比较器输出低电平。2.4.3空载检测电路的设计空载检测电路图见附件图2.4.3所示。使用电流互感器检测电流输出，当没有电流输出时，输出高电平，若仍为空载，则继续上述过程。若有电流输出，输出为低电平，连续输出SPWM波形，逆变器正常工作。2.4.4浪涌短路保护电路的设计浪涌短路保护电路原理图见附件图2.4.4所示。当电流高于光藕内二级管导通电流时光藕输出端导通，单片机引脚变成低电平，使SPWM波不输出，关闭场效应管，形成保护，此过程非常快，当故障排除后，光电耦合器输出关断，逆变器正常工作。2.4.5电流检测电路的设计电流检测电路见附件图2.4.5，通过电流互感器采样输出电流，通过一个390Ω的电阻转化成电压值，在用AD采样进单片机,由12864液晶显示电流。2.5辅助电源的设计辅助电源的电路图见附件图2.5.1，由前级12V蓄电池直接供电，通过两个电容滤波后，经过7805电压转化为5V，通过电容滤波后输出。2.6低通滤波器的设计低通滤波器原理图如图2.6.1所示。低通滤波器采用一阶无源LC低通滤波器，低通滤波器L、C的取值可由下式得到。)2(cLfRQCCfLc2)2(1为了避免磁环电感饱和，Q值取0.1，截止频率为10kHz，经计算，C的值为13.56µF，实取10µF。L为1.62mH，实取1mH。3.软件设计程序流程图如图3.1.1所示。PUC系统初始化键盘扫描进入数据显示界面AD采样电压，电流，计算出功率图3.1.1程序流程图4.系统测试4.1测试使用的仪器表4.1.1测试仪器与设备序号名称、型号、规格数量备注1TDS1012数字存储示波器（60MHz、1.0GS/s）1泰克科技（中国）有限公司2UT70A数字万用表1优利德有限公司3YB33150函数/任意波信号发生器（15MHz）1台湾固纬电子有限公司4.2指标测试和测试结果在测试前，先对整机进行调试，系统调试完毕后进行后续测试。。4.2.1输出正弦波的测试将示波器表笔接到输出端，可以观察到标准的50Hz的正弦波波形，THD≤3%。波形图如4.2.1所示。图4.2.150Hz正弦波波形图键