基于ＰＩＣ單片機的純正弦車載逆變電源設(shè)計

[摘要] 設(shè)計一款以PIC單片機為控制核心的車載逆變電源，單片機作為正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）的控制器，提供穩(wěn)壓、欠壓保護等功能，把汽車蓄電池的12V直流電轉(zhuǎn)變成220V純正弦交流電。

[關(guān)鍵詞] 車載逆變電源 正弦脈寬調(diào)制 單片機

1 引言

隨著社會的發(fā)展，人民生活水品的不斷提高，汽車逐漸進入了大眾的家庭中，有車族們已經(jīng)不僅僅將汽車作為一種代步工具了，而開始將其作為一種享受生活的工具。有車族在戶外需要使用的電子設(shè)備越來越多，例如汽車音響、車用DVD、車用冰箱、手提電腦、手機充電器和各種電源適配器等等，而這些電子設(shè)備一般都需要用市電220V供電，汽車所能提供的電源是蓄電池，一般小車是12V，因此要使用這些設(shè)備必須配備電源轉(zhuǎn)換器，即車載逆變電源。車載逆變電源一般使用汽車電瓶或者點煙器供電，將汽車蓄電池的 12V直流電轉(zhuǎn)變成一般電器所需要的220V交流電。在發(fā)達國家車載逆變電源是每輛車必須具備的。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)配備這種轉(zhuǎn)換器的車輛還不足20%，加之每年汽車銷售量居高不下，因而電源轉(zhuǎn)換器在國內(nèi)有很大的市場前景。

傳統(tǒng)車載逆變電源都是準正弦波的逆變電源，也就是輸出的交流電是方波220V，多采用PWM集成控制芯片控制逆變電路輸出，如SG3525或TL494，存在著輸出諧波大，效率低等問題，適用的負載較窄。本文介紹了一種輸出為穩(wěn)定、平滑的純正弦波的車載逆變電源，以PIC單片機作為主控制器，產(chǎn)生逆變器的SPWM信號，經(jīng)輸出濾波后可等到標準的正弦波，同時具有穩(wěn)壓、過流保護、欠壓保護等功能，使逆變電源的適用負載更廣。

2 純正弦車載逆變電源系統(tǒng)原理

純正弦車載逆變電源系統(tǒng)原理如圖1所示，主電路部分：蓄電池的12V直流電通過DC/DC升壓電路升壓為350V的高壓直流電，DC/AC逆變電路將高壓直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣?SPWM波，通過LC濾波后得到純正弦的220V/50HZ交流電。控制電路部分：主控電路是以Microchip的PIC16F74芯片為控制核心，該芯片是一款RISC高性能的CPU，僅含35個單字節(jié)指令，帶有8位AD，雙路PWM輸出，3個定時/計數(shù)器，帶UART接口，195個字節(jié)RAM，4k×14Bit的Flash存儲器，保密性好，其指令速度在外部晶振20MHz下，可達200ns的指令周期。由PIC16F74產(chǎn)生兩路SPWM控制信號，通過隔離驅(qū)動后控制DC/AC逆變電路的功率開關(guān)器件，并實時檢測電壓電流，保證輸出電壓恒定，電池欠壓或過流時采取相應(yīng)措施報警及保護。

3 主電路原理及設(shè)計

3.1 DC/DC升壓電路設(shè)計

升壓電路采用推挽式DC/DC變換電路。如圖2所示，輸入端Ui為蓄電池電壓（＋12V），由DC/DC變換將DC12V電壓逆變?yōu)楦哳l方波，經(jīng)高頻升壓變壓器升壓，再整流濾波得到輸出端為Uo的直流電壓（350V）。變壓器T1起隔離和傳遞能量的作用。在開關(guān)管VT1開通時，變壓器T1的N1繞組工作并耦合到副邊N3繞組；開關(guān)管VT1關(guān)斷時，N1向N3釋放能量；反之亦然。在輸出端，有電解電容和四個二極管構(gòu)成副邊整流濾波電路。

3.2 DC/AC 逆變電路設(shè)計

DC/DC升壓電路輸出的直流高壓350V通過逆變橋，把直流電壓變?yōu)榻涣麟妷海俳?jīng)過LC濾波電路得實現(xiàn)50HZ/220V交流電，如圖3所示。

3.3 主電路核心器件的選擇和參數(shù)計算

DC/DC電路中，輸入電壓10.5～12.5 V，輸入最大電流15 A，考慮一倍的余量，推挽電路開關(guān)管VT1及VT2耐壓不小于30 V，正向電流不小于30 A，選用IRFZ48N。變壓器副邊輸出整流橋由4個高效整流二極管HER305組成。濾波電容選用47μF/450 V電解電容。升壓高頻變壓器T的設(shè)計應(yīng)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10匝∶300匝。

DC/AC電路中，對角的兩個開關(guān)管V1與V4或V2與V3作為一組，兩組開關(guān)輪流工作，在一個周期中的短時間內(nèi)，四個開關(guān)將均處于斷開狀態(tài)，即設(shè)定有死區(qū)時間，以防止開關(guān)管直通。顯然，通過開關(guān)管的電流較小，但要承受較高反向電壓，即高壓電壓峰值，加上一定余量一選擇600V，選擇SSS6N60A為輸出逆變開關(guān)管，該管基本參數(shù)：Vdss=600V RDS = 1.2Ω，Id=3.2 A。

4 控制電路原理及軟件設(shè)計

控制電路的主要功能是以PIC16F74為核心，產(chǎn)生SPWM信號控制全橋逆變器的四個功率管，同時保證輸出電壓在負載波動的情況下快速穩(wěn)定，并且實時監(jiān)控電池電壓、負載電流，對欠壓、過流等異常現(xiàn)象進行處理。

4.1 SPWM控制信號的產(chǎn)生

采用離線計算SPWM波形信號，計算出的實際脈寬轉(zhuǎn)換成計時步階后生成128個值的正弦表存入PIC的ROM中以供調(diào)用，設(shè)置SPWM的頻率為50Hz，PIC單片機CCP外圍功能模塊的PWM功能實現(xiàn)主要依靠相關(guān)寄存器值的設(shè)定，且以定時器2(TMR2)作為PWM的時基。相關(guān)寄存器的設(shè)置如下。

4.1.1 SPWM周期的設(shè)定由寄存器PR2設(shè)定

（PWM）周期＝（PR2+1）*4*Tosc*(TMR2)預(yù)分頻

為提高分辨率，TMR2預(yù)分頻設(shè)為1∶1，由此計算得PR2=0X9C。

4.1.2 定時器TMR2的控制寄存器T2CON設(shè)定

因為SPWM頻率高，周期短，在每個周期內(nèi)完成脈寬的調(diào)整比較困難，故在此寄存器中設(shè)置后分頻為1∶3，這樣每輸出3個相同脈寬的SPWM波后改變一次脈寬值。

4.1.3 2個CCP模塊的控制寄存器CCPlCON及CCP2CON的設(shè)定的設(shè)置類似，選擇CCP模塊作用于PWM功能模式，即bit3：O=1100。

4.1.4 CCPRlL脈寬寫入寄存器寫入的脈寬值在下個TMR2周期開始時轉(zhuǎn)至CCPRlH，通過讀CCPRlH的脈寬值來改變PWM脈寬。

4.1.5 寄存器TRISC對應(yīng)于CCPl和CCP2的輸入輸出設(shè)置，應(yīng)設(shè)置為輸出形式，即TRISC的bit2：l=OO。

4.2 穩(wěn)壓及保護

利用PIC16F74的8位AD定時采集逆變器輸出電壓作為反饋，在CPU內(nèi)部構(gòu)成電壓閉環(huán)，用軟件實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)，保證零誤差調(diào)節(jié)，使輸出電壓有效值恒定，不受負載變化影響。為保證輸出電壓不至于在AD采樣誤差范圍內(nèi)頻繁跳動，還必須應(yīng)用軟件濾波，對輸出電壓微調(diào)。

電池電壓和負載電流的檢測信號也送入CPU的AD，電池欠壓時，CPU發(fā)出利用中斷發(fā)出報警信號；負載過流時，CPU一方面發(fā)出報警信號，同時封鎖SPWM信號，使輸出電壓下降為零，保護逆變電源。

5 樣機實驗結(jié)果

基于以上分析設(shè)計，制作了一臺150W的實驗樣機，在帶100W燈泡負載的實驗條件下，測得輸出電壓波形如圖4，實測電壓有效值為218V，空載時226V，電壓波動率在正負5%以內(nèi)，輸出波形為純正弦波。

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一種高性能的車載逆變電源，采用PIC單片機作為主控芯片產(chǎn)生SPWM信號，輸出電壓為純正弦波，對車載逆變電源進行了完善的保護設(shè)計，結(jié)果表明，制作的車載逆變電源，所設(shè)計的電路基本能完成的測試功能，克服了傳統(tǒng)的車載逆變電源只能產(chǎn)生方波交流電的缺點，提高了電源的適用范圍。

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