高性能全數字式正弦波逆變電源設計全解析

本文提出一種高性能全數字式正弦波逆變電源的設計方案。該方案分為前后兩級，前級采用推挽升壓電路將輸入的直流電升壓到350 V左右的母線(xiàn)電壓，后級采用全橋逆變電路，逆變橋輸出經(jīng)濾波器濾波后，用隔離變壓器進(jìn)行電壓采樣，電流互感器進(jìn)行電流采樣，以形成反饋環(huán)節，增加電源輸出的穩定性。升壓級PWM驅動(dòng)及逆變級SPWM驅動(dòng)均由STM32單片機產(chǎn)生，減小了硬件開(kāi)支?；谏鲜龇桨冈囍频?00W樣機，具有輸出短路保護、過(guò)流保護及輸入過(guò)壓保護、欠壓保護功能，50Hz輸出時(shí)頻率偏差小于0.05Hz，滿(mǎn)載(400 W)效率高于87%，電壓精度為220 V±1%，THD小于1.5%。

逆變電源應用廣泛，特別是精密儀器對逆變電源的性能要求更高。高性能逆變電源不僅要求工作穩定、逆變效率高、輸出波形特性好、保護功能齊全，還要求逆變電源小型化、智能化、并且具備可擴展性。文中提出一種基于STM32系列單片機STM32F103VE的純數字式正弦逆變電源，該電源的全部功能由單片機控制實(shí)現，具有輸出電壓、頻率穩定，效率高，保護功能齊全的特點(diǎn)。

系統設計

系統的整體框架如圖1所示。系統采用高頻逆變方案，即前級升壓加后級逆變的結構，這樣可以避免使用笨重的工頻變壓器，有效的降低了電源的體積、重量及成本，提升電源的效率。電路的工作原理是，12V的直流輸入電壓經(jīng)過(guò)濾波后由推挽升壓和全橋整流升壓到350 V的直流母線(xiàn)電壓，再經(jīng)過(guò)全橋逆變電路轉變?yōu)?20 V/50 Hz的工頻交流電，采樣電路對相應點(diǎn)進(jìn)行采樣，以實(shí)現閉環(huán)控制及保護功能。

由于大電流條件下，功率管驅動(dòng)信號占空比過(guò)小會(huì )導致發(fā)熱嚴重，效率降低，故逆變電源的前級采用準開(kāi)環(huán)的控制方式，即輸入電壓在一定范圍內時(shí)，驅動(dòng)信號占空比開(kāi)到最大并保持不變，輸入電壓過(guò)高時(shí)，減小占空比，維持母線(xiàn)電壓在一定范圍內。這樣做的好處是，可以使前級升壓獲得較高的效率。系統硬件設計

逆變電源硬件結構如圖2所示。主要包括直流推挽升壓電路、正弦逆變電路、輸出濾波電路、驅動(dòng)電路、采樣電路、主控制器和點(diǎn)陣液晶構成。其中，直流升壓部分將輸入電壓升高至輸出正弦交流電的峰值以上的母線(xiàn)直流電壓，正弦逆變部分將母線(xiàn)直流電壓逆變后經(jīng)輸出濾波電路得到正弦式交流電，采樣電路則對母線(xiàn)電壓、母線(xiàn)電流、輸出電壓、輸出電流、輸入電壓進(jìn)行采樣，以實(shí)現短路保護、過(guò)壓欠壓保護、過(guò)流保護、閉環(huán)穩壓等功能。驅動(dòng)電路的功能是將驅動(dòng)信號的邏輯電平進(jìn)行匹配放大，以滿(mǎn)足驅動(dòng)功率管的要求?？刂齐娐返墓δ苁钱a(chǎn)生驅動(dòng)信號，并對采樣信號進(jìn)行處理，以實(shí)現復雜的系統功能。點(diǎn)陣液晶的功能是顯示系統工作信息，如果輸出電壓、電流以及保護信息等。

1)主控制器

主控制器選用STM32F103VE增強型單片機，STM32系列單片機是意法半導體公司專(zhuān)門(mén)為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的產(chǎn)品。此單片機采用哈佛結構，使處理器可以同時(shí)進(jìn)行取址和數據讀寫(xiě)操作，處理器的性能高達1.25 MIPS/MHz。支持單周期硬件乘除法，最高時(shí)鐘頻率72 M，最大可達512 kB片上Flash及64kB片上RAM。同時(shí)具有多達30路PWM及3個(gè)12位精度的ADC等眾多適合做逆變及電機驅動(dòng)的外設。在本系統中用于產(chǎn)生PWM、SPWM驅動(dòng)信號，并對采樣信號進(jìn)行處理，以完成穩壓反饋及保護功能，并驅動(dòng)點(diǎn)陣液晶顯示系統信息?？紤]實(shí)際的功率管及驅動(dòng)芯片的速度，升壓PWM波的頻率為20 kHz，逆變SPWM波的頻率為18 kHz。根據調制方法的不同，SPWM驅動(dòng)信號形式可以分為：雙極性、單極性和單極性倍頻。由于雙極性調制失真度小，故本設計中SPWM采用雙極性驅動(dòng)方式。

2)點(diǎn)陣液晶

選用LPH7366型點(diǎn)陣液晶，具有超低功耗的特點(diǎn)。用于顯示系統當前的工作狀態(tài)，如輸出電壓、輸出電流、輸入電壓等信息。同時(shí)指示系統是否處于保護以及處于何種保護狀態(tài)。

3)輔助電源

為系統不同部分提供不同的電壓電需求，由直流輸入電壓經(jīng)LM2596—5V降壓到5.0V后一部分為采樣電路供電，另一部分經(jīng)LDO穩壓器LM117—3.3 V穩壓到3.3 V供處理器及點(diǎn)陣液晶使用。同時(shí)，由推挽變壓器的一個(gè)輔助繞組得到20V左右的電壓，經(jīng)整流濾波及LM2596-ADJ穩壓到15V后供驅動(dòng)電路使用。

4)驅動(dòng)電路

選用東芝半導體公司生產(chǎn)的高速光