逆变器的设计

2万 · 2014-5-3 23:04

1.系统总体方案

1.1 总体设计框图

如图1所示，逆变器系统由升压电路、逆变电路、控制电路和反馈电路组成。低压直流电源DC12V经过升压电路升压、整流和滤波后得到约DC170V高压直流电，然后经全桥逆变电路DC/AC转换和LC滤波器滤波后得到AC110V的正弦交流电。

逆变器以ARM控制器为控制核心，输出电压和电流的反馈信号经反馈电路处理后进入ARM处理器的片内AD,经AD转换和数字PI运算后，生成相应的SPWM脉冲信号，改变SPWM的调制比就能改变输出电压的大小，从而完成整个逆变器的闭环控制。

2万 · 2014-5-3 23:05

1.2 SPWM方案选择

1.2.1 PWM电源芯片方案

采用普通的PWM电源控制芯片，如SG3525,TL494,KA7500等，此类芯片的优点是能够直接的产生脉宽调制信号，但是它缺点是波形线性不好，而且振荡发生器是依赖充放电电路而产生波形，当要PWM芯片产生SPWM信号需要附加额外很多电路。

1.2.2 CPU软件方案

采用CPU产生SPWM脉冲，如单片机、ARM或DSP等，此种方法的优点是脉宽可以通过软件的方式来调节，不仅精度较高，而且外围电路也很简单便宜。

2万 · 2014-5-3 23:05

2.系统硬件电路设计

2.1 CPU控制器

CPU是整个逆变器的核心部分，主要负责反馈信号的采集、数字PI闭环计算、PWM波输出、参数设置和外部通信。CPU采用的是ST公司最新推出的STM32F107系列ARM芯片。该系列芯片采用ARM公司32位的CortexM3为核心，最高主频为72MHz,Cortex核心内部具有单周期的硬件乘法和除法单元，所以适合用于高速数据的处理。芯片具有三个独立的转换周期，最低为1μs的高速模数转换器，三个独立的数模转换器带有各自独立的采样保持电路，所以特别适合三相电机控制、数字电源和网络应用。芯片还带有丰富的通讯单元，包括1个以太网接口、5个异步串行接口、1个USB从器件、1个CAN器件、I2C和SPI等模块。

2.2 驱动和逆变电路

逆变主电路如图2所示采用基于H桥的单相全桥逆变电路。单相全桥逆变电路主要由Q1、Q2、Q3、Q4四个MOSFET构成。在AC于OUT之间如果加入负载就构成了逆变回路。控制Q1、Q2、Q3、Q4按一定的顺序导通、截止就能够得到所要的正弦波形。

对于本设计，开关管的选择主要以它的额定电压和额定电流为依据。这里选择额定电压为500V,额定电流为20A的IRFP460N沟道增强型MOS管为开关管。可满足设计的要求。为了限制MOSFET门极的驱动电流，需要在门极串联限流电阻，防止由过流导致的器件损坏。

2.3 滤波电路

经过两路SPWM信号的驱动在负载电阻上产生的电压波形是按正弦规律变化的方波。它是一个双极性的SPWM波形。实际需要的是频率为50Hz的正弦波，因此需要将SPWM波进行滤波。一般的PWM逆变器采用LC低通滤波器。对于LC滤波器的设计，首先考虑滤波器的截止频率，LC滤波器的截止频率见式(1)。

综合考虑滤波器输出电压谐波失真度、系统的动态响应以及体积、重量等因素，选取截止频率.

终上所述，选择STM32F107(ARM)完成SPWM脉冲的产生和整个逆变器的控制。

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2.4 推挽升压电路

推挽升压电路采用两个参数相同的MOSFET管和升压变压器组成，推挽变压器的特点是效率高，损耗低，适用于低输入高输出。推挽升压电路如图3所示，采用两个MOS管分别开通的结构，选取IPRF250场效应管，额定电流为30A,额定电压为250V,在可以满足要求的同时内阻较小，是最为合理的选择[3].

2万 · 2014-5-3 23:06

3.系统软件设计

CPU主要功能是完成闭环PI控制算法、发送SPWM脉冲、故障保护、数据显示和远程通信。系统软件主要是对STM32芯片的编程，开发环境采用德国Keil公司Keilu Vision 4 软件，编程语言采用C语言[4,5].

2万 · 2014-5-3 23:06

程序由主程序和若干子程序：通信程序、采样子程序、PWM中断程序、显示程序等组成。进入PWM中断后，首先对各路反馈信号进行采集和处理，该流程图如图4所示，然后经数字PI调节器运算后产生PWM脉冲输出，经驱动电路隔离放大后驱动MOSFET,实现整个逆变电源系统的闭环控制。
逆变器采用全数字控制，所有参数均能通过显示面板进行设置，数码管够实时显示逆变器系统的输入电压、输入电流、输出电流、输出电压、运行状态、故障信息等，当发生故障时，CPU将所有PWM脉冲全部封锁，然后将过压、过流、过载等故障信息显示出来，并且蜂鸣器发声报警。

2万 · 2014-5-3 23:06

4.实验结果

其中图5(a)是CPU发出的两路互补对称的SPWM脉冲波形，死区时间是3us;图5(b)是全桥逆变电路其中一个桥臂上下MOSFET的驱动波形;图5(c)是逆变器输出交流正弦电压波形;图5(d)是逆变器电流输出波形。从图中我们可看出逆变器输出电压波形几乎不失真，输出电流THD控制在5%以内，达到了很好的控制效果。

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5.总结
本文提出的一种ARM控制的逆变器的设计方案，是基于ARM(STM32F107)的全数字控制的逆变器，其具有高精度、小体积、全数字等特点，所有电源参数直接通过人机界面设定并存储，并具备与上位机远程通信的功能。实验表明，该方案中做设计的逆变器能够实现软启动功能，当出现过流、过压、过载情况时，能够迅速封锁PWM脉冲和关断MOSFET,并及时将故障信息显示出来，实现了逆变器的智能化。