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基于单片机的正弦波输出逆变电源的设计与实现

2011-10-10 11:13
kumsing
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  摘 要:本文介绍了一种正弦波输出的逆变电源的设计。设计中采用了DC/DC和DC/AC两级变换,高频变压器隔离,单片机控制。实验结果表明性能可靠。

 

  0  引言

 

  低压小功率逆变电源已经被广泛应用于工业和民用领域。特别是新能源的开发利用,例如太阳能电池的普遍使用,需要一个逆变系统将太阳能电池输出的直流电压变换为220V、50Hz交流电压,以便于使用。本文给出了一种用单片机控制的正弦波输出逆变电源的设计,它以12V直流电源作为输入,输出220V、50Hz、0~150W的正弦波交流电,以满足大部分常规小电器的供电需求。该电源采用推挽升压和全桥逆变两级变换,前后级之间完全隔离。在控制电路上,前级推挽升压电路采用SG3525芯片控制,采样变压器绕组电压做闭环反馈;逆变部分采用单片机数字化SPWM控制方式,采样直流母线电压做电压前馈控制,同时采样电流做反馈控制;在保护上,具有输入过、欠压保护,输出过载、短路保护,过热保护等多重保护功能电路,增强了该电源的可靠性和安全性。

  该电源可以在输人电压从10.5V到15V变化范围内,输出220V±10V的正弦波交流电压,频率50Hz±O.5Hz,直流分量

 

  l 主电路

 

  逆变电源主电路采用推挽升压和全桥逆变两级变换,如图1所示。

 

  

 

  输入电压一端接在变压器原边的中间抽头,另一端接在开关管S1及S2的中点。控制S1及S2轮流导通,在变压器原边形成高频的交流电压,经过变压器升压、整流和滤波在电容C1上得到约370 V直流电压。对S3~S6组成的逆变桥采用正弦脉宽调制,逆变输出电压经过电感L、电容C2滤波后,最终在负载上得到220 V、50 Hz的正弦波交流电。采用高频变压器实现前后级之间的隔离,有利于提高系统的安全性。

  输入电压10.5~15 V,输入最大电流15 A,考虑一倍的余量,推挽电路开关管S1及S2耐压不小于30 V,正向电流不小于30 A,选用IRFZ48N。

  升压高频变压器的设计应满足在输入电压最低时,副边电压经整流后不小于逆变部分所需要的最低电压350 V,同时输入电压最高时,副边电压不能过高,以免损坏元器件。同时也必须考虑绕线上的电压降和发热问题。选EE型铁氧体磁芯,原副边绕组为7匝:300匝。关于高频变压器的设计可以参考文献。

  变压器副边输出整流桥由4个HER307组成.滤波电容选用68μF、450 V电解电容。

  根据输出功率的要求,输出电流有效值为0 6~O.7 A,考虑一定的电压和电流余量,逆变桥中的S3~S6选用IRF840。逆变部分采用单极性SPWM控制方式,开关频率fs=16 kHz。

  假没滤波器时间常数为开关周期的16倍,即谐振频率取1 kHz,则有

  

  滤波电感电容LC≈2.5×10-3,可选取L=5 mH,C=4.7μF。滤波电感L选用内径20 mm,外径40 mm的环形铁粉芯磁芯,绕线采用直径O.4 mm的漆包线2股并绕,匝数180匝。

 

  2 数字化SPWM控制方法

 

  该逆变电源的控制电路也分为两部分。前级推挽升压电路由PWM专用芯片SG3525控制,采样变压器绕组电压实现电压闭环反馈控制。后级逆变电路由单片机PICl6C73控制,采样母线电压实现电压前馈控制。前级控制方法比较简单,在这里主要介绍后级单片机的数字化SPWM控制方式。

  2.l 正弦脉宽调制SPWM

  正弦脉宽调制SPWM技术具有线性调压、抑制谐波等优点,是目前应用最为广泛的脉宽调制技术.一般用三角波μc作为载波信号,正弦波ug=UgmSin2πfgt作为调制信号,根据μ和μg的交点得到一系列脉宽按正弦规律变化的脉冲信号。则可以定义调制比m=Ugm/Ucm,频率比K=fc/fa=Tg/Tco。

  正弦脉宽调制可以分为单极性SPWM和双极性SPWM。双极性SPWM的载波为正负半周都有的对称三角波,输出电压为正负交替的方波序列而没有零电平,因此可以应用于半桥和全桥电路。实际中应选择频率比K为奇数,使得输出电压μo具有奇函数对称和半波对称的性质,μc无偶次谐波。但是输出电压μc中含有比较严重的n=K次中心谐波以及n=jk±6次边频谐波。其控制信号为相位互补的两列脉冲信号。

  单极性SPWM的载波为单极性的不对称三角波,输出电压也是单极性的方波。因为输出电压中包含零电平,因此,单极性SPWM只能应用于全桥逆变电路。由于其载波本身就具有奇函数对称和半波对称特性,无论频率比K取奇数还是偶数输出电压Uo都没有偶次谐波。输出电压的单极性特性使得uo不含有n=k次中心谐波和边频谐波,但却有少量的低频谐波分量。单极性SPWM的控制信号为一组高频(载波频率fe)脉冲和一组低频(调制频率fk)脉冲,每组的两列脉冲相位互补。由三角载波和正弦调制波的几何关系可以得到,在k>l时,高频脉冲的占空比D为

  

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