基于單片機的正弦波輸出逆變電源的設計與實現

摘要：本文解析了一種正弦波輸出的逆變電源的設計。設計中采用了DC／DC和DC／AC兩級變換，高頻變壓器隔離，單片機控制。試驗結果聲明性能可靠。

0引言

低壓小功率逆變電源已經被廣泛使用于工業和民用范疇。特別是新能源的開發利用，例如太陽能電池的普遍使用，需要一個逆變系統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反饋；逆變部分采用單片機數字化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，加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，如圖1所示。

輸入電壓一端接在變壓器原邊的中間抽頭，另一端接在開關管S1及S2的中點。控制S1及S2輪流導通，在變壓器原邊形成高頻的交流電壓，經過變壓器升壓、整流和濾波在電容C1上得到約370V直流電壓。對S3～S6組成的逆變橋采用正弦脈寬調制，逆變輸出電壓經過電感L、電容C2濾波后，最終在負載上得到220V、50Hz的正弦波交流電。采用高頻變壓器實現前后級之間的隔離，有利于提高系統的安全性。

輸入電壓10．5～15V，輸入最大電流15A，考慮一倍的余量，推挽電路開關管S1及S2耐壓不小于30V，正向電流不小于30A，選用IRFZ48N。

升壓高頻變壓器的設計應滿足在輸入電壓最低時，副邊電壓經整流后不小于逆變部分所需要的最低電壓350V，同時輸入電壓最高時，副邊電壓不能過高，以免損壞元器件。同時也非得考慮繞線上的電壓降和發熱問題。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、450V電解電容。

依據輸出功率的要求，輸出電流有效值為06～O.7A，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=16kHz。

假沒濾波器時間常數為開關周期的16倍，即諧振頻率取1kHz，則有

濾波電感電容LC≈2．510-3，可選取L=5mH，C=4．7μF。濾波電感L選用內徑20mm，外徑40mm的環形鐵粉芯磁芯，繞線采用直徑O．4mm的漆包線2股并繞，匝數180匝。

2數字化SPWM控制辦法

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電壓閉環反饋控制。后級逆變電路由單片機PICl6C73控制，采樣母線電壓實現電壓前饋控制。前級控制辦法比較簡單，在這里主要解析后級單片機的數字化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、抑制諧波等優勢，是目前使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，依據μ和μg的交點得到一系列脈寬按正弦規律變化的脈沖信號。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，因此可以使用于半橋和全橋電路。實際中應選擇頻率比K為奇數，使得輸出電壓μo具有奇函數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。因為輸出電壓中蘊含零電平，因此，單極性SPWM只能使用于全橋逆變電路。由于其載波本身就具有奇函數對稱和半波對稱特性，無論頻率比K取奇數還是偶數輸出電壓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。由三角載波和正弦調制波的幾何關系可以得到，在k>l時，高頻脈沖的占空比D為

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