正弦波逆變器電源及外圍電路設計與實現(xiàn)

郭慶勇

（紐福克斯光電科技（上海）有限公司，上海 201707）

0 引言

逆變器是一種電源設備，它的輸入是電壓電流恒定的直流電，輸出是電流方向周期性變化的交流電電源[1]。我們生活的環(huán)境中經(jīng)?？梢钥吹侥孀兤鞯纳碛?，逆變器影響著我們的生活。在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器是整個系統(tǒng)中最重要最核心部件之一[2]。太陽能發(fā)電系統(tǒng)一般先使用蓄電池對光伏電池采集的電能進行儲能，那么如何實現(xiàn)蓄電池的化學能轉(zhuǎn)換為工頻交流電供人們使用？需要用到逆變器。在醫(yī)療救護車上很多急救電器需要使用220v交流電，在自駕出行，外出工作或旅游時，白天需要使用電動工具，夜晚需要照明等，都可能會用到車載逆變器。所以逆變器改善了我們的生活。

本論文逆變器設計要求是：12v電池供電，輸出中國電網(wǎng)標準的單相工頻交流電（AC220v/50Hz）；輸出功率2000W；設備要能夠根據(jù)輸入輸出電壓，內(nèi)部溫度，設備帶負載情況判斷和顯示故障信息。

本文主要介紹正弦波逆變器硬件電路設計，內(nèi)容包括主要器件的選擇，輸出功率采集電路設計，低通濾波器電路設計及器件參數(shù)選擇，顯示電路的設計與實現(xiàn)等。

1 正弦波逆變器系統(tǒng)基本方案與設計框圖

逆變器系統(tǒng)框圖如圖1 所示，逆變器主電路由如下幾部分組成：DC/DC（直流/直流）驅(qū)動及升壓電路，DC/AC（直流/交流）變換電路，信號采集和控制電路[3]。本設計中DC/DC驅(qū)動及升壓電路是將12V蓄電池直流電進行斬波，轉(zhuǎn)換到350v直流高壓的過程。直流電被推挽式驅(qū)動電路切換成為一段一段的脈沖序列，通過高頻變壓器轉(zhuǎn)換，經(jīng)過整流和濾波后產(chǎn)生350V高壓直流電。DC/AC變換電路采用正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）的全橋逆變電路產(chǎn)生交流電，這時的交流電含有較多的諧波分量，需要通過低通濾波產(chǎn)生純正的工頻交流電。逆變器主電路原理示意圖如圖2所示。

圖1 逆變器系統(tǒng)設計框圖

圖2 逆變器主電路原理示意圖

逆變器控制電路以ARM控制器為核心，ARM處理器采集輸入、輸出電壓和電流等信號，根據(jù)設備運行情況，實時產(chǎn)生相應的正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）脈沖信號，通過改變脈寬調(diào)制的調(diào)制比例，從而控制逆變電路穩(wěn)定輸出。

2 正弦波逆變器系統(tǒng)總體設計

2.1 逆變器微處理器選型

在逆變器控制電路中，較常使用51系列單片機、DSP處理器和ARM微處理器等作為主控制器。

DSP處理器的基本功能是數(shù)字信號處理，為了能夠快速實現(xiàn)數(shù)字信號處理，DSP使用特殊的處理器架構(gòu)和硬件優(yōu)化系統(tǒng)[4]。DSP采用哈弗結(jié)構(gòu)，將程序與數(shù)據(jù)進行分開編址，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速存取[5]；采用流水線操作，提高程序運行效率和數(shù)據(jù)吞吐率；支持硬件乘法器和浮點運算，在需要數(shù)字濾波，小波變換，卷積運算等算法時，運算速度大大提高。DSP以優(yōu)異的性能在很多產(chǎn)品中獲得應用。但使用DSP的劣勢有：芯片成本較高，芯片功能相對復雜，DSP技術(shù)入門門檻較高，產(chǎn)品研發(fā)周期長等。

51系列單片機出現(xiàn)比較早，生產(chǎn)廠家很多，芯片種類豐富，以其經(jīng)濟實惠，成本相對較低，操作簡單等特點，獲得廣泛的使用，但隨著ARM處理器的異軍突起，51單片機應用逐漸式微。ARM處理器相對51單片機，無論運算速度，數(shù)據(jù)處理能力，還是存儲容量，在成本，功耗和效率等方面都更有優(yōu)勢。

經(jīng)過比較，本逆變器控制系統(tǒng)最終選用STM32F030C8 ARM處理器。STM32F030C8是意法半導體(ST)公司開發(fā)的高性能控制器，內(nèi)核采用32位ARM Cortex?-M0

架構(gòu)，非常適合對成本敏感的逆變器控制系統(tǒng)中。STM32F030C8主頻可達48MHz， 64K字節(jié)FLASH容量用于程序存儲，SRAM可達8K字節(jié)，提供6路USART接口，方便逆變器控制系統(tǒng)功能擴展；具有最多16路12 位ADC，滿足逆變器電壓電流等信號的采集；提供多個定時器功能，能夠提供多路PWM互補輸出，特別適合于逆變器控制MOSFET管和IGBT。

2.2 逆變器主芯片及外圍控制電路

圖3所示，逆變器主芯片采用STM32F030C8處理器，該主電路主要完成如下幾個功能：完成逆變器電路中輸入輸出電壓，電流，溫度等信號的采集，完成PWM的信號調(diào)制，用于控制逆變器正弦波的輸出，以及液晶顯示器的人機接口功能。

圖3 逆變器主芯片及外圍控制

為了防止電源電壓3.3v波動，對AD信號采集產(chǎn)生影響，系統(tǒng)使用TL431產(chǎn)生2.5V基準，如圖2的第10腳連接電路。TL431是一個精密的基準電壓源，具有良好的熱穩(wěn)定性，在全部工作范圍內(nèi)都有溫度補償；TL431輸出電壓可以通過兩個電阻很容易進行調(diào)節(jié)。TL431的內(nèi)部含有一個2.5V的基準電壓，該電路是TL431的典型使用電路。使用TL431時需注意要用一只電容器如圖C14輸出濾波，減小輸出噪聲。

2.3 逆變器MOS管選型

本逆變器前級直流電壓是12V，允許的電壓范圍是10v至16v，前級采用推挽拓撲結(jié)構(gòu)，如前文所述，變壓器初級繞組的匝數(shù)相同，且通過中心抽頭連接到12v電壓，所以任一個MOS管導通時，另外一個MOS將承受的電壓是輸入電壓疊加自身繞組在掛斷時產(chǎn)生的反向電壓，即至少兩倍的直流電壓。選擇MOS管時還應考慮一定程度的安全裕量。在輸入電壓為16v時，MOS管承受的電壓Vp最大：

逆變器輸出功率2kw，若逆變效率為85%，則輸入功率為：

在推挽式拓撲結(jié)構(gòu)中，每半個周期有一個脈沖，假設每個開關(guān)管導通時間為半周期的80%，那么每個開關(guān)管導通時，功率表示為：

在功率一定的情況下，電壓越低，電流就越大，所以取輸入電壓為10v時，將式2帶入式3，得到：

這個電流較大，在實際電路中選擇了每個推挽開關(guān)管使用3個MOS管并聯(lián)。根據(jù)計算的電壓和電流，查MOS管手冊，可以選用IRF1404。IRF1404是IR公司推出的功率級MOSFET，IRF1404漏源極可承受電壓是40v，大于（1）計算的32v；定漏源極間電流Id=162A；3只MOS管并聯(lián)電流為162*3=486A，滿足大于（4）計算的291.125A電流，所以選擇IRF1404 MOS管可滿足幅值電流和電壓應力的要求。

2.4 逆變器輸出功率采集電路設計

逆變器輸出功率采集電路如圖4所示，由于使用電流互感器經(jīng)濟實惠，成本較低，使用簡單，本設計項目采集輸出功率采用電流互感器電路。

圖4 逆變器輸出功率采集

系統(tǒng)采用電流互感器采集交流輸出電流。T2為電流互感器，L1和L表示的是互感器原邊繞組，L1和L繞組串接在逆變器交流輸出端。當逆變器輸出功率時，電流流過L1和L繞組，根據(jù)電磁感應定律和電流互感器工作原理，電流互感器副邊感應產(chǎn)生一定比例的交流電信號，該交流信號經(jīng)過D17、D18、D19、D20組成的橋式整流器后，在電阻R36上產(chǎn)生適當大小的直流電壓，信號送入微處理器進行處理。逆變器通過電流采集，計算出輸出功率，用于LCD顯示，過載保護等。

2.5 逆變器溫度采集電路設計

如圖5所示，在逆變器溫度采集電路中，溫度傳感器采用NTC負溫度系數(shù)熱敏電阻。電阻R33與熱敏電阻RT1分壓后，接入運放U15組成的跟隨器，產(chǎn)生ADCINA0信號送入逆變器微處理器的ADC單元，進行AD轉(zhuǎn)換，采集溫度。運放U15在這里的作用是降低采集輸入阻抗，提高采集精度。Z27為溫度采集輸入信號保護二極管。

圖5 逆變器溫度采集電路

當微處理器采集逆變器溫度過高時，啟動風機，給逆變器元器件降溫；當溫度繼續(xù)上升到過高溫度時，微處理器切斷逆變器輸出，避免由于高溫導致逆變器內(nèi)部元器件失效。

2.6 功率管驅(qū)動電路設計

為了安全可靠控制MOSFET管和IGBT，在逆變器控制系統(tǒng)中采用光耦FOD8342隔離驅(qū)動電路。光耦FOD8342的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，驅(qū)動電路示意圖如圖7所示。

圖6 FOD8342結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 驅(qū)動電路連線示意圖

光耦FOD8342具有3A電流驅(qū)動能力，提供快速的切換速度，非常低的信號傳遞延時，很小的傳輸信號脈寬失真，具有很寬的工作電壓10v到30v。FOD8342采用SOP6寬體封裝，能夠提供可靠的抗噪能力，非常適合高性能電源系統(tǒng)中驅(qū)動中等功率的MOS管和IGBT。

圖7為FOD8342驅(qū)動電路連線示意圖，在光耦輸入端接入PWM信號，VCC接15V的電壓，4腳接-5V電壓，當PWM信號為低時，VOUT輸出為-5V電壓，為IGBT或MOSFET提供反向電壓，用于可靠關(guān)斷IGBT和MOSFET。

2.7 LC低通輸出濾波電路設計及器件參數(shù)選擇

直流高壓通過逆變電路后，在輸出電壓中含有很多諧波分量，尤其是載波50Hz頻率的奇數(shù)倍諧波分量，降低交流電電能傳輸、利用的效率，對外部電路產(chǎn)生干擾等，所以需要濾波。

本設計采用的是LC濾波，濾波器結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。LC濾波器在高頻電路中呈高阻抗，衰減掉逆變器輸出的高頻率諧波，獲取合適的工頻正弦波電壓電流波形。截止頻率是LC濾波器設計最重要的指標之一，通常選取電路開關(guān)頻率的1/10至1/20[6]。在DC/AC逆變電路設計中，系統(tǒng)開關(guān)頻率為20kHz，那么截止頻率的范圍是1kHz到2kHz，初步設定濾波器截止頻率為1.5kHz。

圖8 LC低通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖

LC低通濾波器的串聯(lián)阻抗是Z1，并聯(lián)阻抗是Z2，Z1與Z2的乘積：

在上面公式中，如果電感L和電容C一旦確定，K的值就確定了，為一個固定值，與工作頻率無關(guān)，與輸入輸出電壓都沒有關(guān)系，這就是通常所說的常K G型濾波器名稱的由來。Z1與Z2的乘積K也可以用濾波器特征阻抗R表示：

R為濾波器標稱特征阻抗，其取值與負載電阻RL有關(guān)，關(guān)系式為：

根據(jù)低通濾波器原理，該濾波器的截止頻率是：

由式6和式8可以得到：

在本設計中要求逆變器輸出功率是2kW，輸出交流電壓是220V，那么逆變器在滿載工作時，可得：

根據(jù)式8計算R值的范圍是：12.1-19.36，R初步取值15，將R=15，fc=1.5K帶入式9和式10，計算得到：

根據(jù)試驗，實際取值為L=2.5mH，C=1.7uF，此時根據(jù)式8，計算截止頻率為：fc=1.468kHz，符合設計的要求。

2.8 LCD顯示電路設計與實現(xiàn)

本設計中采用晶聯(lián)訊電子生產(chǎn)的JLX12864G-G176液晶屏（LCD）作為逆變器顯示設備，該LCD顯示可顯示128*64點陣信息，使用方便，修改顯示內(nèi)容靈活；使用ST7567作為驅(qū)動芯片，通用性較好；該LCD采用SPI接口與主機進行通信，移植容易；在-10℃到60℃的溫度范圍內(nèi)，該LCD都能工作，適合逆變器產(chǎn)品工作需求。LCD時序如圖9所示，管腳定義如表1所示。

表1 LCD管腳定義

圖9 液晶驅(qū)動SPI接口時序

逆變器CPU與LCD接口電路，如圖10所示，三極管Q1、Q2用于控制LCD電源電壓和背光顯示， C1，C2用于LCD內(nèi)部產(chǎn)生驅(qū)動電壓，當Q2導通時，LCD上電，液晶背光啟動。

圖10 逆變器LCD顯示電路

逆變器顯示界面設計如圖11所示，顯示內(nèi)容主要有，根據(jù)功率大小圖形顯示百分比值，顯示電池電壓，電池容量，在逆變器產(chǎn)生故障時，顯示故障信息，當有故障時提醒用戶注意。

圖11 逆變器LCD顯示界面設計

//LCD示例程序

3 結(jié)語

本文首先根據(jù)逆變器設計要求，分析主電路組成部分，給出了設計框圖，詳細分析了逆變器工作流程。

通過對比51系列單片機，ARM處理器，DSP芯片各自特點，本項目最終采用STM32F030C8處理器作為逆變器主控制器。STM32F030C8是一款高性能ARM處理器，完全滿足逆變器控制系統(tǒng)的要求。本逆變器系統(tǒng)前級控制電路采用推挽拓撲結(jié)構(gòu)，根據(jù)輸入電壓和輸出功率，考慮安全裕量，電路選擇IRF1404 MOSFET作為開關(guān)管，滿足系統(tǒng)電壓電流的應力要求。然后本文分別又詳細介紹了輸出功率采集電路的設計，功率管驅(qū)動電路設計，低通濾波電路設計，顯示電路設計與實現(xiàn)等。

本文完整描述了整個逆變器系統(tǒng)的一些硬件電路設計。通過測試和實際應用，本系統(tǒng)很好的實現(xiàn)了直流12v電源輸入，逆變輸出2kw工頻交流電的設計目標。本項目成果已經(jīng)應用在相關(guān)產(chǎn)品中，取得了很好的經(jīng)濟效益，值得推廣和應用。