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正弦波輸出逆變電源的設計

作者:admin來源:電子工程世界 日期:2011-8-26 11:16:06 人氣: 標簽:a

  低壓小功率逆變電源已經被廣泛應用于工業和民用領域。特別是新能源的開發利用,例如太陽能電池的普遍使用,需要一個逆變系統將太陽能電池輸出的直流電壓變換為220V、50Hz交流電壓,以便于使用。本文給出了一種用單片機控制的正弦波輸出逆變電源的設計,它以12V直流電源作為輸入,輸出220V、50Hz、0~150W的正弦波交流電,以滿足大部分常規小電器的供電需求。該電源采用推挽升壓和全橋逆變兩級變換,前后級之間完全隔離。在控制電路上,前級推挽升壓電路采用SG3525芯片控制,采樣變壓器繞組電壓做閉環反饋;逆變部分采用單片機數字化SPWM控制方式,采樣直流母線電壓做電壓前饋控制,同時采樣電流做反饋控制;在保護上,具有輸入過、欠壓保護,輸出過載、短路保護,過熱保護等多重保護功能電路,增強了該電源的可靠性和安全性。

  該電源可以在輸人電壓從10.5V到15V變化范圍內,輸出220V10V的正弦波交流電壓,頻率50HzO.5Hz,直流分量lV,電壓波形畸變率5%,并且有很強的過載能力。由于采用了單片機數字化SPWM控制方式,控制靈活方便,可以在不改變電路結構的條件下,只改變程序,使逆變器輸出110V、60Hz正弦波交流電,以適應不同用戶的需求。

  l 主電路逆變電源主電路采用推挽升壓和全橋逆變兩級變換。

  輸入電壓一端接在變壓器原邊的中間抽頭,另一端接在開關管S1及S2的中點??刂芐1及S2輪流導通,在變壓器原邊形成高頻的交流電壓,經過變壓器升壓、整流和濾波在電容C1上得到約370 V直流電壓。對S3~S6組成的逆變橋采用正弦脈寬調制,逆變輸出電壓經過電感L、電容C2濾波后,最終在負載上得到220 V、50 Hz的正弦波交流電。采用高頻變壓器實現前后級之間的隔離,有利于提高系統的安全性。

  輸入電壓10.5~15 V,輸入最大電流15 A,考慮一倍的余量,推挽電路開關管S1及S2耐壓不小于30 V,正向電流不小于30 A,選用IRFZ48N.

  升壓高頻變壓器的設計應滿足在輸入電壓最低時,副邊電壓經整流后不小于逆變部分所需要的最低電壓350 V,同時輸入電壓最高時,副邊電壓不能過高,以免損壞元器件。同時也必須考慮繞線上的電壓降和發熱問題。選EE型鐵氧體磁芯,原副邊繞組為7匝:300匝。關于高頻變壓器的設計可以參考文獻。

  變壓器副邊輸出整流橋由4個HER307組成。濾波電容選用68F、450 V電解電容。

  根據輸出功率的要求,輸出電流有效值為0 6~O.7 A,考慮一定的電壓和電流余量,逆變橋中的S3~S6選用IRF840.逆變部分采用單極性SPWM控制方式,開關頻率fs=16 kHz.

  濾波電感電容LC2.510-3,可選取L=5 mH,C=4.7F.濾波電感L選用內徑20 mm,外徑40 mm的環形鐵粉芯磁芯,繞線采用直徑O.4 mm的漆包線2股并繞,匝數180匝。

  2 數字化SPWM控制方法該逆變電源的控制電路也分為兩部分。前級推挽升壓電路由PWM專用芯片SG3525控制,采樣變壓器繞組電壓實現電壓閉環反饋控制。后級逆變電路由單片機PICl6C73控制,采樣母線電壓實現電壓前饋控制。前級控制方法比較簡單,在這里主要介紹后級單片機的數字化SPWM控制方式。

  2.l 正弦脈寬調制SPWM正弦脈寬調制SPWM技術具有線性調壓、抑制諧波等優點,是目前應用最為廣泛的脈寬調制技術。一般用三角波c作為載波信號,正弦波ug=UgmSin2fgt作為調制信號,根據和g的交點得到一系列脈寬按正弦規律變化的脈沖信號。則可以定義調制比m=Ugm/Ucm,頻率比K=fc/fa=Tg/Tco.

  正弦脈寬調制可以分為單極性SPWM和雙極性SPWM.雙極性SPWM的載波為正負半周都有的對稱三角波,輸出電壓為正負交替的方波序列而沒有零電平,因此可以應用于半橋和全橋電路。實際中應選擇頻率比K為奇數,使得輸出電壓o具有奇函數對稱和半波對稱的性質,c無偶次諧波。但是輸出電壓c中含有比較嚴重的n=K次中心諧波以及n=jk6次邊頻諧波。其控制信號為相位互補的兩列脈沖信號。

  單極性SPWM的載波為單極性的不對稱三角波,輸出電壓也是單極性的方波。因為輸出電壓中包含零電平,因此,單極性SPWM只能應用于全橋逆變電路。由于其載波本身就具有奇函數對稱和半波對稱特性,無論頻率比K取奇數還是偶數輸出電壓Uo都沒有偶次諧波。輸出電壓的單極性特性使得uo不含有n=k次中心諧波和邊頻諧波,但卻有少量的低頻諧波分量。單極性SPWM的控制信號為一組高頻(載波頻率fe)脈沖和一組低頻(調制頻率fk)脈沖,每組的兩列脈沖相位互補。

  2.2 PIC單片機的軟件實現PICl6C73是Microchip公司的一款中檔單片機,它功能強大而又價格低廉。PICl6C73內部有兩個CCP(Capture、Compare、PWM)模塊,當它工作在PwM模式下,CCP x引腳就可以輸出占空比10位分辨率可調的方波。

  TMR2在計數過程中將同步進行兩次比較:TMR2和CCPRxH比較一致將使CCPX引腳輸出低電平;TMR2和PR2比較一致將使CCPx引腳輸出高電平,同時將TMR2清O,并讀入下一個CCPRxH值,如圖3所示。因此,設定CCPRxH值就可以設定占空比,設定PR2值就可以設定脈沖周期。

  在本設計中,全橋逆變器采用單極性SPWM調制方式。CCP1模塊用來產生高頻脈沖,CCP2模塊用來產牛低頻脈沖。選擇16M晶振,根據脈沖周期Tc=[(PR2)+l]44*Tosc和頻率比k=Tg/Tc,可以取PR2=249,k=320,則有Tg=20 ms,高頻脈沖序列每一一個周期中包含:320個脈沖。設調制比m=0.92,將,t=TgN/320代入式(2),聯立式(3)可以得到產生高頻脈沖所需要的CCP1H的取值,第0~79個脈沖為CCP1H=230sin(N/160) (4)

  式中:N為O79.考慮到正弦波的對稱性,可以得到第80~159個脈沖為CCP1H=230sin[(80N)/160] (5)

  根據脈沖的互補性,可以得到第160~239個脈沖為CCP1H=250230sin(N/160) (6)

  第240~319個脈沖為CCP1H=250230Sin[(80一N)/160](7)

  因此,在程序中存儲表格230sin(N/160),N[0,79]就可以得到整個周期320個高頻脈沖的CCP.H值。第O~79點,CCP1H為正向查表取值;第80~159點,CCP1H為反向查表取值;第160~239點CCP1H為計數周期減去正向查表值;第240~319點CCP1H為計數周期減去反向查表值。

  對于低頻脈沖,前半個周期可以看成由占空比始終為1的高頻脈沖組成,后半個周期看成由占空比始終為0的高頻脈沖組成,因此,第O~159個脈沖,CCP2H=250,第160~319個脈沖,CCP2H=O. 3 實驗結果實驗中,輸入電壓變化范圍為10.5~15 V,輸出濾波電感5.3mH,濾波電容8F,從空載到150W負載狀態下都可以輸出(22010V)、50Hz的正弦波交流電壓。

  4 結語本文詳細分析了一種正弦波輸出的逆變電源的設計,以及基于單片機的數字化SPWM控制的實現方法。數字化SPWM控制靈活,電路結構簡單,控制的核心部分在軟件中,有利于保護知識產權。

  

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