正弦波輸出的單相逆變電源設(shè)計

張漢年，鮑安平，徐開軍

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院中認(rèn)新能源技術(shù)學(xué)院，江蘇南京，210023）

正弦波輸出的單相逆變電源設(shè)計

張漢年，鮑安平，徐開軍

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院中認(rèn)新能源技術(shù)學(xué)院，江蘇南京，210023）

逆變電源是將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的變流裝置，是太陽能、風(fēng)力等新能源發(fā)電系統(tǒng)中的重要設(shè)備。本文主要介紹了正弦波逆變電源的主電路設(shè)計、單片機數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容。主電路包含單相全橋逆變電路、升壓變壓器和LC濾波電路等，數(shù)字控制選用dsPIC30F2010 PIC單片機產(chǎn)生SPWM波形，經(jīng)IR2110芯片驅(qū)動MOS管，再經(jīng)全橋逆變和LC低通濾波電路，最終輸出正弦波交流電壓。依據(jù)設(shè)計方案制作了實驗樣機，實驗結(jié)果證實樣機能輸出純凈的正弦波電壓，能夠滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

逆變電源；正弦波輸出；設(shè)計

0 引言

將直流電能變換成交流電能的過程稱為逆變，完成逆變功能的電路稱為逆變電路，而實現(xiàn)逆變過程的裝置稱為逆變器或逆變電源。伴隨現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛躍進(jìn)步，各種逆變電源在眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。逆變電源可廣泛應(yīng)用于電力、通訊、工業(yè)設(shè)備、衛(wèi)星通信設(shè)備、軍用車載、醫(yī)療救護(hù)車、警車、船舶等諸多領(lǐng)域。同時逆變電源也是太陽能、風(fēng)力發(fā)電中一個重要部件，在新能源發(fā)電領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用空間。逆變電源需要適應(yīng)各種不同類型的負(fù)載，各種負(fù)載對逆變電源輸出電能的性能指標(biāo)提出了更高的要求。逆變電源輸出波形質(zhì)量包括穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好以及負(fù)載適應(yīng)性強等。結(jié)構(gòu)簡單、動靜態(tài)性能優(yōu)良和負(fù)載適應(yīng)性強的逆變電源，一直是研究者在逆變電源方面追求的目標(biāo)。

1 逆變電源總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計一種300W正弦波輸出的單相逆變電源，它能將24V直流電轉(zhuǎn)換為220V交流電供給負(fù)載使用。主要技術(shù)指標(biāo)為：額定電壓DC24V、DC額定電流17A、、輸入DC范圍21～33V、、額定容量300W、額定電壓AC220V、額定頻率50Hz、AC額定電流1.36A。

該逆變電源主電路主要由輸入軟啟動及濾波電路、單相全橋逆變電路、工頻變壓器隔離及輸出濾波電路組成。數(shù)字控制選用dsPIC30F2010 PIC單片機產(chǎn)生SPWM波形，經(jīng)IR2110芯片驅(qū)動MOS管，經(jīng)全橋逆變和LC低通濾波電路，最終輸出正弦波。逆變電源系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 逆變電源整體結(jié)構(gòu)圖

2 單相全橋逆變主電路設(shè)計

本文中選用四個功率MOSFET組成全橋逆變電路，其開關(guān)頻率達(dá)20kHz時損耗仍很小。為使全橋逆變電路可靠工作，本文上下橋臂分別采用兩個MOS管并聯(lián)的方式，用同一脈沖信號同時驅(qū)動兩個并聯(lián)MOS管，這樣大大提高了電路工作的可靠性，但帶來的問題是器件數(shù)量和成本的增加。電路原理圖如圖2所示。

本文設(shè)計的逆變器額定功率為300W，直流側(cè)額定輸入電壓為24V，則直流側(cè)額定輸出電流為17A。按照兩倍裕量，開關(guān)器件選擇耐壓大于48V和導(dǎo)通電流大于34A的N溝道MOS管，考慮逆變器的散熱，降低損耗，導(dǎo)通電阻需要很小。根據(jù)實際情況，電路中功率MOS管選用IR公司的HEXFET功率場效應(yīng)管IRF3205，IRF3205采用先進(jìn)的工藝技術(shù)制造，具有極低的導(dǎo)通阻抗，IRF3205 MOS管的耐壓Vds 典型值為55V，能滿足耐壓要求，該MOS管導(dǎo)通電流Id為110A，可滿足設(shè)計要求。

圖2 單相全橋逆變電路

為了改善MOS管驅(qū)動脈沖的前后沿陡度和防止產(chǎn)生振蕩，需要在柵極串聯(lián)22Ω電阻。此外，另外為防止柵極開路或柵極損壞時主電路加電損壞器件，本電路在柵源間并聯(lián)一個10k電阻。

3 基于PIC單片機的SPWM控制方案

電壓型逆變器目前采用較多的是正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，即SPWM（Sinusoidal Pulse Width）控制技術(shù)，SPWM技術(shù)由于具有開關(guān)頻率固定、輸出電壓只含有固定頻率的高次諧波分量、濾波器設(shè)計簡單等一系列有點，SPWM控制技術(shù)已是目前應(yīng)用最為廣泛的逆變控制技術(shù)。SPWM有兩種調(diào)制方式：單極性和雙極性，兩種調(diào)制方式輸出電壓的大小和頻率都是通過改變正弦調(diào)制信號的幅值和頻率而改變，但功率開關(guān)的通斷情況不一樣。本文采用雙極性SPWM調(diào)制方式。

本文設(shè)計的逆變電源中，以dsPIC30F2010單片機為核心的控制系統(tǒng)主要包含信號檢測電路、驅(qū)動保護(hù)電路、人機接口等，單片機控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前逆變電路輸出電壓及負(fù)載大小調(diào)整主電路控制信號，并對各種狀態(tài)進(jìn)行指示。

圖3 單片機端口分配及其外圍電路

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

dsPIC30F2010單片機是控制系統(tǒng)的核心，它接受來自外部的信息，按照預(yù)定算法實時計算單相SPWM波形數(shù)據(jù)，并由它產(chǎn)生單相四路SPWM波形，然后再經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動逆變功率開關(guān)管，完成單相逆變過程。軟件設(shè)計是逆變器設(shè)計的重點和難點，優(yōu)秀的軟件能使系統(tǒng)硬件更加可靠地工作，本文設(shè)計的主程序工作流程如圖4所示。

圖4 軟件主程序流程圖

5 測試結(jié)果

在300W額定負(fù)載條件下，用數(shù)字示波器測試關(guān)鍵點輸出電壓的波形，分別如下圖所示。圖5為全橋逆變電路輸出的升壓隔離變壓器輸入端的SPWM波形，該SPWM波形經(jīng)過升壓變壓器轉(zhuǎn)換和隔離后，輸出所需的正弦波220V/50Hz工頻交流電，正弦波220V輸出波形如圖6所示，圖6中示波器探頭縮放比例為實際值的1/10。由圖可見，樣機輸出電壓的穩(wěn)定精度在±10%范圍內(nèi)，符合電壓精度220±10%V的設(shè)計要求。輸出頻率為49.7005Hz，基本符合頻率精度50±0.2Hz設(shè)計要求。

圖5 SPWM調(diào)制波形

圖6 電壓輸出波形

6 結(jié)語

本文設(shè)計的單相逆變電源主要包含DC/AC逆變主電路、dsPIC30F2010 PIC單片機數(shù)字控制電路、SPWM控制策略及其軟件等部分。整機系統(tǒng)測試結(jié)果證實了本文設(shè)計方案的有效性，樣機在輸出電壓波形、輸出電壓穩(wěn)定精度、輸出頻率精度等方面均能達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，逆變電源可以穩(wěn)定輸出符合要求的正弦波電壓信號。測試結(jié)果證明本裝置易于實現(xiàn)和調(diào)試，帶負(fù)載能力較強，可靠性較高。

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Design of Single-phase Inverter Power Supplies with Sine Wave Output

Zhang Hannian, Bao Anping, Xu Kaijun
(School of CQC New Energy Technology, Nanjing College of Information Technology, Nanjing Jiangsu, 210023)

Inverter power supplies can transform DC into AC, they are the important devices in the new energy generating system included solar energy and wind energy. The paper mainly introduces the design process of main circuit of inverter power supplies and single chip digital control system. The main circuit comprises a single-phase full bridge inverter circuit, a step-up transformer and a LC filter circuit. The SPWM wave is produced using the digital control based on dsPIC30F2010 PIC microcontroller, and MOSFET is drove by the IR2110 chip, after the designed full bridge inverter and LC low pass filter circuit, then the inverter generates voltage with sine wave. According to the design scheme, a test prototype is made, the experimental results confirmed the prototype can output pure sine wave voltage signal, and fully meet the design requirements.

inverter power supplies; output sine wave; design

張漢年（1975-），男，安徽無為人，副教授，從事電力電子及電機控制、光伏發(fā)電技術(shù)研究。

江蘇省高校‘青藍(lán)工程’資助項目（2014）