基于IR2110的打印機高頻逆變器的設計與實(shí)現*

*基金項目：湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究項目（20YX30）。

當今社會(huì )，開(kāi)關(guān)電源等方面的技術(shù)已經(jīng)在電力電子應用及各種電源系統部分處于重要位置。隨著(zhù)高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展，其不僅改變了傳統電路龐大又笨重的外觀(guān)結構缺點(diǎn)，而且極大地為電源部分電能的回收利用效率做出卓越貢獻，既節省了材料，又降低了成本。逆變技術(shù)的研究對工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高都具有重大的意義^[1]。

由電力電子技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，逆變器是較早采用的一種DC/AC （直流/ 交流）變換裝置，逆變器是把直流電能轉變成交流電能，一般由逆變橋、濾波電路及控制邏輯等部分組成。逆變器廣泛適用于家庭電器設備中。根據市場(chǎng)發(fā)展趨勢的需要，逆變器的造型安裝越來(lái)越傾向于小型化、智能化、模塊化等方向發(fā)展^[2]。

1   系統設計方案

本文設計的逆變器小系統首先通過(guò)工頻220 V 電壓輸入接線(xiàn)柱后由降壓變壓器輸出24 V 交流電壓，輸出的24 V 交流電壓經(jīng)過(guò)單相橋式整流電路、兩塊穩壓電路及若干二極管濾波后，輸出兩路穩定的直流電壓（15 V 和5 V）為單片機及驅動(dòng)芯片供電^[2]。同時(shí)，在線(xiàn)串行編程寫(xiě)入程序到單片機后產(chǎn)生的PWM（脈沖寬度調制）波觸發(fā)兩塊驅動(dòng)芯片產(chǎn)生兩相四路PWM 波，兩相四路的PWM 波分別產(chǎn)生互補的高通與低通信號分別驅動(dòng)相應的MOS（MOSFET 的縮寫(xiě)，金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管）管后形成電壓型全橋逆變電路。最后，在負載處可以檢測到產(chǎn)生的互補矩形波，輸出電壓220 V、50 Hz 交流電壓，最大輸出電流2.5 A，最大輸出功率不低于100 W。如上即完成整個(gè)逆變過(guò)程，系統設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統設計方案

2   系統硬件設計

2.1 驅動(dòng)芯片IR2110

IR2110 驅動(dòng)芯片由美國國際整流器公司（現已被英飛凌公司收購）生產(chǎn)^[2]，具有光耦隔離和電磁隔離等特性，因其體積小、速度快等優(yōu)點(diǎn)，成為大多數中小功率變換裝置中驅動(dòng)器件的首選。

2.1.1 IR2110的工作原理

電平平移、邏輯輸入、輸出保護等特點(diǎn)是組成驅動(dòng)芯片IR2110 內部功能結構的三個(gè)主要部分[2]。系統電路搭建設計部分之所以能避免許多麻煩，正是基于IR2110 驅動(dòng)芯片的諸多優(yōu)點(diǎn)。比如在高位電壓懸浮自舉電源電路的設計環(huán)節，就是通過(guò)了一組電源對上下端口之間的有效控制，從而盡可能多地控制了額外使用驅動(dòng)電源的個(gè)數。

高端側懸浮驅動(dòng)電路的自舉原理簡(jiǎn)單分析：IR2110驅動(dòng)芯片中的驅動(dòng)半橋電路如圖2 所示[3]。圖中可知C1、VD1 分別表示自舉電容和自舉二極管，C2 是供電電壓Vcc 的濾波電容。

首先假設S1 處于關(guān)斷時(shí)，自舉電容C1 所能承受的電壓已達到飽和狀態(tài)，即VC1 ≈ Vcc。當HIN 處于高電平狀態(tài)時(shí)，其中VM1 開(kāi)通、VM2 關(guān)斷，VC1 電壓加于S1 柵極和源射極之間。那么此時(shí)，自舉電容C1 經(jīng)由Rg1、VM1、柵極和源極部分構成了一個(gè)回路來(lái)進(jìn)行放電，可以把VC1 等同于電壓源，進(jìn)而觸發(fā)S1 開(kāi)通。然而已知HIN、LIN 之間的信號是互補輸入的，當LIN 為低電平時(shí)，VM3關(guān)斷，VM4 導通， 此時(shí)電荷在S2 柵極以及源極的芯片內部急速地通過(guò)Rg2對地釋放電能。此時(shí)受到死區時(shí)間波及，促使S2 在S1 導通之前就關(guān)斷了^[3]。

圖2 IR2110內部工作原理圖

在HIN 位于低電平狀態(tài)時(shí)，VM1 關(guān)斷、VM2 開(kāi)通，此時(shí)S1 柵極內的電荷會(huì )經(jīng)Rg1、VM2 迅速被釋放掉，從而觸發(fā)S1 關(guān)斷。經(jīng)過(guò)片刻的死區時(shí)間（td）之后，LIN 變成高電平，從而使S2 達到開(kāi)通狀態(tài)，供電電壓Vcc 通過(guò)S2、VD1 給自舉電容C1 充電，以此急速地給自舉電容C1 增加電能。如此反復循環(huán)。

2.1.2 IR2110逆變電路

IR2110 逆變原理圖如圖3 中所示，U3、U4 是兩塊IR2110 驅動(dòng)芯片，Q1、Q2、Q3、Q4 分別為4 個(gè)MOS管，Ua、Ub 和Va、Vb 分別為PIC16F716 單片機輸出到驅動(dòng)芯片引腳的兩相四路PWM 波，由圖可知Ua、Ub 為一相PWM 波中的上下臂，Va、Vb 則為另外一相PWM 波中的上下臂，由于PIC16F716 單片機觸發(fā)輸出到驅動(dòng)芯片部分的PWM 波達不到驅動(dòng)大功率MOS 管的能力，那么只有通過(guò)IR2110 中的電容自舉功能的特點(diǎn)，分別由二極管D9、D15（采用肖基特管所具有的快恢復功能，提升電容充電電壓，關(guān)斷過(guò)程減少消耗能量）對自舉電容C11、C12、C16、C17 來(lái)充電，以此達到提高驅動(dòng)MOS 管的信號端電壓，以便其擁有增加信號端輸出的功能，所以增加后的信號PWM 波就能持續地控制MOS 管Q1、Q2、Q3、Q4 的開(kāi)通以及關(guān)斷。此外驅動(dòng)信號在逆變電路中同相位的上下臂之間是互補的^[4]。

圖3 IR2110逆變原理圖

由圖3 可知，當Ua 處于高電平狀態(tài)時(shí)，那么輸出端HO1 同為高電平狀態(tài)，以此可以由IR2110 芯片的電容自舉功能，來(lái)控制MOS 管Q1 開(kāi)通。與此同時(shí)，因為輸出端LO1 為低電平，達不到驅動(dòng)MOS 管Q4 的能力，則MOS 管Q4 處于關(guān)斷的狀態(tài)。在同一時(shí)刻，給Vb 也輸入一個(gè)高電平，即輸出端LO2 是高電平狀態(tài)，那么使MOS 管Q3 處于導通狀態(tài)，而Q2 此時(shí)是關(guān)段狀態(tài)。所以由HO1 → Q1 → P2 → Q3 → GND 就構成了一條通路。反而言之，當Ua、Vb 處于低電平狀態(tài)，而Ub、Va 為高電平狀態(tài)，此時(shí)的電流流向變?yōu)橛蒆O₂ → Q2 → P2 → Q4 → GND 的一條通路，其中的開(kāi)關(guān)器件（4 個(gè)MOS 管）有序地交替開(kāi)通以及關(guān)斷，從而導致在P2（負載端）位置形成了交流電。由于在實(shí)際應用中經(jīng)常會(huì )發(fā)生芯片的上下臂間同時(shí)導通而引起的短路，所以在軟件設計的環(huán)節中，額外添加了死區時(shí)間來(lái)防止短路現象，以此來(lái)保護整個(gè)電路正常運行^[5]。

2.2 單片機系統

美國Microchip( 微芯) 公司生產(chǎn)的PIC 系列單片機具有集成外圍模塊多、性能方面穩定、硬件系統設計簡(jiǎn)單、功耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以本文選取PIC16F716 單片機作為逆變器的主控制器部分[5]。因為PIC16F716 單片機不用額外附加A/D（模擬/ 數字）轉換器件，而且自帶4 個(gè)8 位A/D 轉換通道，所以這些特點(diǎn)就大為節省了電路設計的成本[4-6]。與此同時(shí)，PIC16F716 單片機中內置上電延時(shí)定時(shí)器（DWRT）、雙閥值欠壓復位電路、可編程代碼保護、上電復位電路（POR）、看門(mén)狗定時(shí)器（WDT）、振蕩器起振定時(shí)器（OST）、帶片內RC振蕩器、在線(xiàn)串行編程（ICSP）等。這些功能特點(diǎn)可以降低電路器件的成本、減少單片機外部器件的數量，從而可以盡可能多地減少整個(gè)系統設備尺寸大小，在實(shí)際應用中擁有很強的成本優(yōu)勢^[6]。

PIC16F716 單片機[9] 在本系統設計中是采用半橋輸出配置以及增強型PWM 模式( 即單片機可以供給由P1A 一直到P1D 的四路輸出)，大多數情況下可以在半橋輸出模式中把兩個(gè)引腳作為輸出驅動(dòng)的推拉式負載使用。圖4 是PIC16F716 單片機小系統外圍電路的引腳圖，其中半橋臂通常由RB1 與RB2 掌控( 通常為了避免在半橋輸出模式時(shí)大功率器件發(fā)生直通現象，用可編程死區以達到延時(shí)的目的)，RB5/P1B 引腳是PWM 波輸出信號，RB3/CCP1/P1A 引腳則是互補的PWM 波輸出信號。此外，輸出信號是由IR2110 芯片來(lái)驅動(dòng)的^[6-8]。

圖4 PIC16F716外圍電路圖

2.3 保護電路設計

本文逆變電源設計中有保護電路，如圖5 所示。當逆變輸出電流超過(guò)2.5 A 時(shí)，過(guò)流電流ACK 大于4.5 V，SPWM芯片檢測到ACK大于2.5 V時(shí)，則進(jìn)入逆變保護，LED_P 燈閃爍。反之，LED_L 燈閃爍。輸出濾波電路選用LC 電路，設計中參數L = 1 mH，C = 3 uF，截止頻率2.5 KHz。

3   系統軟件設計

3.1 PWM波的實(shí)現原理

本文利用PIC16F716 單片機中自帶的增強型捕捉/比較/PWM 模塊（ 以下簡(jiǎn)稱(chēng)ECCP 模塊） 就可快速實(shí)現兩路輸出互補對稱(chēng)的PWM 波^[8]。只要正確設置ECCP 模塊的工作模式中寄存器CCP1CON、周期寄存器PR2、脈寬寄存器CCPR1L 這三個(gè)部分的值即可產(chǎn)生所需要的PWM 波。此模塊的工作模式有全橋、半橋等多種工作模式，本次軟件設計采用的是半橋模式，信號極性設為高電平有效。在半橋輸出模式下，有兩個(gè)引腳用作輸出驅動(dòng)推拉式負載，RB3 引腳輸出PWM 輸出信號，RB5 引腳輸出互補的PWM 直通輸出信號。此外，可編程死區延時(shí)可以在半橋輸出模式的情況下來(lái)避免半橋電路中現象。

圖5 逆變保護電路

3.2 參數計算與配置

產(chǎn)生PWM 波，需要確定兩個(gè)參數：一個(gè)是PWM波的周期T；一個(gè)是PWM 波的脈沖寬度Twidth 。設計要求為PWM波的頻率為50 Hz，占空比為30%。據此可計算出：周期  ；脈寬Twidth = 20 msX30% = 6 ms；那么，可根據相應的公式可計算出周期寄存器PR2 初始值，脈寬寄存器CCPR1L 初始值。關(guān)鍵程序代碼如下：

// 設置工作模式為PWM 模式CCP1CON = 0B10001100;

// 死區控制設置PWM1CON = 0X01;

// 設置TMR2 工作模式T2CON = 0X00;

// 設置對稱(chēng)脈沖周期參數PR2 = g_Period;

// 設置脈沖寬度值CCPR1L = g_DutyWidth;

// 關(guān)閉T2 中斷TMR2IE = 0;

// 啟動(dòng)T2 定時(shí)器TMR2ON = 1;

3.3 程序實(shí)驗結果

將程序下載至單片機后通電測試，用雙蹤示波器測得RB3 和RB5 的輸出波形，如圖6 所示，從圖中可以觀(guān)察得知信號的大小和方向隨時(shí)間做周期性變化，滿(mǎn)足逆變后標準的交流信號的特點(diǎn)，結果符合逆變電路要求。

4   結論

本文通過(guò)逆變電路原理結合單片機技術(shù)最終完成了基于SPWM 技術(shù)的獨立逆變電源的設計。實(shí)驗表明，通過(guò)采用軟件編程實(shí)現SPWM 波序列的輸出，實(shí)現了單片機控制芯片PIC16F716 的PWM 模塊輸出功能^[9]。

本文逆變電路采用了全橋電路設計，在全橋逆變過(guò)程中，利用了Microchip 公司的PIC16F716 芯片為基礎完成SPWM 專(zhuān)用芯片的設計，不僅簡(jiǎn)化了系統電路，更提高了電路效率，實(shí)現了電路結構的高頻化、小型化。整流逆變器實(shí)物圖如圖7 所示。

圖7 整流逆變器

參考文獻：

[1] 魏巍,王興蔚,龔軍勇,等.逆變電源中自舉供電驅動(dòng)電路設計[J].磁性材料及器件,2013,44(06):63-66.

[2] 周成虎.礦用大功率逆變電源電路的設計[J].煤礦機電,2013(05):33-35.

[3] 盧旭錦,王永強.基于A(yíng)Tmega8單片機控制的正弦波逆變電源[J].現代電子技術(shù),2013,36(08):149-152.

[4] 王大貴,潘文勝.基于SG3525A和IR2110的高頻逆變電源設計[J].電子設計應用,2006(11):120-122.

[5] 廖家平,袁兆梅,張治國.基于單片機PWM控制逆變電源的設計[J].中國水運(理論版),2006(05):172-173.

[6] 楊蔭福,李勛,何湘平.IR2110在2kW、400Hz IGBT逆變電源中的應用[J].船電技術(shù),1999(04):1-5.

[7] 王議鋒,崔玉璐,馬小勇,等.一種交錯并聯(lián)雙Buck全橋型雙向并網(wǎng)逆變器[J].電工技術(shù)學(xué)報,2019,34(21):4529-4539.

[8] 張豐年.100kW感應加熱軟開(kāi)關(guān)逆變器設計[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2019.

[9] 周君民.小型垂直軸風(fēng)機并網(wǎng)逆變器的研究[D].濟南:山東大學(xué),2019.

[10] 楊立永,王元,劉碩.雙頻雙模并網(wǎng)逆變器拓撲結構及控制方法研究[J].電力電子技術(shù),2019,53(01):30-33.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）