基于C8051F410的單相正弦波逆變電源的設(shè)計(jì)

孫立輝

（吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 132022）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，逆變電源的應(yīng)用越來越廣泛。目前，正弦波逆變電源的關(guān)鍵之一是SPWM的產(chǎn)生，常以DSP為控制芯片產(chǎn)生SPWM信號[1～3]，還可以用一些專用的單片機(jī)（如8051F系列）也可實(shí)現(xiàn)此功能。本文設(shè)計(jì)一種以C8051F410單片機(jī)作為控制核心的逆變電源，介紹逆變電源軟硬件結(jié)構(gòu)，并確定每部分參數(shù)的確定原則。

1 結(jié)構(gòu)原理

本系統(tǒng)采用C8051F410單片機(jī)作為控制核心，產(chǎn)生SPWM驅(qū)動信號，實(shí)現(xiàn)對逆變主電路的控制，并對輸出電壓電流進(jìn)行檢測和顯示。系統(tǒng)輸入+12V直流電，輸出220V、頻率為50Hz的交流電，可以為一般性的負(fù)載提供電源。系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)主要分為MOS管組成的逆變模塊、C8051F410單片機(jī)組成的控制及驅(qū)動模塊、DC-DC升壓模塊和輔助模塊四個(gè)模塊，設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)方案框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 控制及驅(qū)動模塊

2.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)是系統(tǒng)的主控制部分，采用C8051F410單片機(jī)。C8051F410器件是完全集成的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU，具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的C8051F41x器件是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 最小系統(tǒng)電路

2.1.2 死區(qū)電路

在單相正弦波逆變系統(tǒng)中，同一橋臂上的兩個(gè)開關(guān)器件是工作在互補(bǔ)狀態(tài)下，由于開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間通常大于開通時(shí)間，急易會產(chǎn)生“直通”，現(xiàn)象，從而損壞損壞開關(guān)管。因此，在使用中，通常上下開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷錯(cuò)開一定的時(shí)間，以保證同一橋臂的上、下開關(guān)管總是先關(guān)后通[4]。死區(qū)電路如圖3所示。將兩路相位差180°的SPWM分別經(jīng)過反相器和與門電路，產(chǎn)生極性相反的兩路SPWM，同時(shí)使用RC電路產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間[1]，R1=47K，C7=22PF，因此死區(qū)時(shí)間。

圖3 死區(qū)電路

2.1.3 逆變橋驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)主電路為強(qiáng)電電路，控制單元為弱點(diǎn)電路，為了防止干擾采用光電隔離措施。本設(shè)計(jì)中采用TLP250作為開關(guān)管的驅(qū)動芯片，它既保證了很高地隔離功率驅(qū)動電路與PWM脈寬調(diào)制電路，同時(shí)可以直接驅(qū)動MOSFET[5]，驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 驅(qū)動電路

2.2 DC-DC升壓模塊電路的設(shè)計(jì)

2.2.1 升壓驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)升壓模塊輸入的額定電壓為12V（蓄電池提供），輸出為311V。選用SG3525芯片設(shè)計(jì)出DC/DC升壓驅(qū)動電路。由于SG3525產(chǎn)生的兩路反向方波可以控制MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)閉，并且SG3525輸出的直接推挽方式可大大增強(qiáng)它驅(qū)動能力[6]。本設(shè)計(jì)輸出部分采用橋式整流，在輸出端加有分壓電阻，用以調(diào)節(jié)控制輸出占空比來穩(wěn)定輸出電壓，具體升壓驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5 SG3525升壓驅(qū)動電路

振蕩器頻率f由外接電容CT和電阻RT決定，如式(1)：

代入R17、C21、R21計(jì)算得到f=98.4KHz。輸出頻率為49.2KHz。

第11腳、第14腳產(chǎn)生兩路相位相差半個(gè)周期的脈沖信號，經(jīng)過圖騰柱輸出，增大輸出級驅(qū)動能力。

2.2.2 升壓電路結(jié)構(gòu)

常用的DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有單端反激變換器、單端正激變換器、半橋變換器、全橋變換器、雙管正激變換器和推挽變換器。而推挽變換器比較適合于低壓輸入中小功率的應(yīng)用場合。升壓電路結(jié)構(gòu)如圖6所示，采用開關(guān)管柵極連接10Ω電阻，限制電壓尖峰的產(chǎn)生，同時(shí)在源極連接10K電阻，在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)釋放電荷。變壓器采用推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，初級中心抽頭連接輸入電源，次級采用快恢復(fù)二極管整流，電容濾波輸出直流電。根據(jù)變壓器的計(jì)算公式如式(2)所示，可以計(jì)算所需要磁芯Ap值 。

圖6 升壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其中，Ton為開通時(shí)間，PO為額定功率，BΔ為變壓器的磁通密度，η為變壓器的效率，Kwin為變壓器磁芯填充系數(shù)，Kc為磁芯填充系數(shù)，j為允許的電流密度。綜合考慮采用EE40磁芯。EE40的磁芯Ae為127.00mm2，AW為173.23mm2。

在低壓滿載時(shí)輸入電壓Uin，開通時(shí)間Ton最大，故按輸入電壓最低和輸出滿載的狀況下計(jì)算變壓器原邊繞組匝數(shù)如式(3)所示：

推挽變換器中mBB2=Δ，實(shí)際中取Bm=0.16。最大占空比Dmax取0.5，輸入最低電壓Uinmin=10V，F(xiàn)=49.2KHz，Ae=127mm2，代入計(jì)算得到變壓器初級匝數(shù)N1=2.03。取N1=2匝。副邊繞組匝數(shù)如式(4)所示：

兩式中Uinmin為輸入最大電壓，最大占空比Dmax取0.5；UO，UD，Uf分別為輸出電壓，二極管兩端電壓，電容壓降，Uinmax=12V，UD=1V，UO=311V。因此N2=55。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)P=100W，輸出電流i=0.5A，則電流有效值。線徑電流密度J=4A/mm2。考慮留有余量，采用d=0.5mm銅線繞制。原邊電流I=10.41A，采用d=0.9mm銅線四線并繞。

2.3 逆變模塊

逆變主電路如圖7所示。圖中DC-OUT為直流輸入電源，Q7，Q8，Q11，Q12為四個(gè)開關(guān)管，由此構(gòu)成全橋逆變電路。該電路共有四個(gè)橋臂，可以看成由兩個(gè)半橋電路組合而成，橋臂中開關(guān)管Q7和Q11同時(shí)導(dǎo)通（關(guān)斷），同時(shí)Q8和Q12同時(shí)關(guān)斷（導(dǎo)通），兩對交替各導(dǎo)通180°。

圖7 逆變主電路

本設(shè)計(jì)中，需產(chǎn)生交流220V，直流310V，功率100W。因此選用IRFP840型號MOSFET，其耐壓值500V，耐流值8A，滿足了電路的要求。

在逆變橋輸出的電壓是正弦調(diào)制波，含有豐富的諧波。為了消除高于50Hz的諧波，應(yīng)在系統(tǒng)中設(shè)置合適濾波器。本系統(tǒng)中采用LC型濾波器[7]，其電路如圖8所示。

圖8 LC濾波器示意圖

由自動控制理論可知，此濾波器的傳遞函數(shù)如式(5)所示：是一個(gè)典型的二階系統(tǒng)，假設(shè)負(fù)載為電阻R，其轉(zhuǎn)折角頻率nω和阻尼比ζ可由式(6)和式(7)得到。

有控制理論知識可知此二階系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率為-40dB，其轉(zhuǎn)折頻率由nω決定，實(shí)踐中經(jīng)常是截止頻率fs=0.1fn，其中fn為轉(zhuǎn)折頻率。本設(shè)計(jì)中SPWM取60點(diǎn)，因此載波頻率fn=6KHz，fs=600Hz。

在設(shè)計(jì)二階系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)常取ξ=0.707，此時(shí)系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)量小，系統(tǒng)性能最佳，因此，由P=100W，U=220V得R=484Ω4。取L=4mH，計(jì)算出C=17.5uF。

2.4 輔助模塊電路

2.4.1 過壓保護(hù)電路

為了獲得逆變電源的運(yùn)行狀態(tài)需要對逆變電源的輸出電壓進(jìn)行檢測，檢測輸出電壓，當(dāng)過壓時(shí)需由單片機(jī)進(jìn)行過壓保護(hù)，具體實(shí)現(xiàn)的硬件電路如圖9所示。圖中將輸出電壓采用1N4007二極管整流，電容濾波，變成直流電測量，同時(shí)通過R38構(gòu)成回路。將輸出電壓送至單片機(jī)內(nèi)置A/D采集。

圖9 電壓檢測電路

2.4.2 過流保護(hù)電路

逆變電源工作時(shí)，逆變電源的輸出電流基本上等于直流母線電流，對直流母線電流進(jìn)行檢測可以對開關(guān)管進(jìn)行有效的保護(hù)。本系統(tǒng)檢測采樣電阻R10（0.5Ω/2w），進(jìn)行檢測經(jīng)過放大器放大后將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)內(nèi)置A/D檢測，當(dāng)系統(tǒng)電流超過預(yù)定值時(shí)由單片機(jī)關(guān)斷系統(tǒng)。電路如圖10所示。

圖10 電流檢測電路

2.4.3 欠壓保護(hù)電路

本系統(tǒng)具有欠壓保護(hù)功能，具體電路如圖11所示。當(dāng)系統(tǒng)輸入低于固定值時(shí)比較器輸出高電平將關(guān)斷SG3525的PWM輸出，關(guān)閉該電源。

圖11 欠壓保護(hù)電路

3 試驗(yàn)結(jié)果

欠壓、過壓和過流的測試。調(diào)節(jié)輸入電壓Ui并加以測量，當(dāng)輸入電壓低于9.92V，高于14.4V時(shí)，電源停止工作。調(diào)節(jié)負(fù)載，測量輸出電流，當(dāng)輸出電流高于0.56A時(shí)，電源停止工作。

輸出電壓測試。輸入端加12V直流電壓，相應(yīng)調(diào)節(jié)負(fù)載控制輸入功率為100W，分別測得輸入電流、輸出電壓和輸出電流，并計(jì)算出逆變電源的效率，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本系統(tǒng)在經(jīng)典的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對逆變主電路、

SPWM生成、升壓電路、控制芯片、濾波電感、變壓器參數(shù)、主功率管及整流管的參數(shù)選擇進(jìn)行了計(jì)算。設(shè)計(jì)了的驅(qū)動電路加入了死區(qū)環(huán)節(jié)，避免開關(guān)管產(chǎn)生直通現(xiàn)象，同時(shí)出于保護(hù)電源的母的設(shè)計(jì)了保護(hù)電路。該電源實(shí)現(xiàn)了輸入12V直流電，輸出交流220V，頻率50Hz，功率100W，效率達(dá)到了90%以上。

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