基于单片机的逆变电源设计Word格式文档下载.docx

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第一种是方波逆变电源。

输出波形是标准的方波。

这种逆变电源的优点是结构简单，转换效率较高，技术成熟。

缺点是变压器和滤波器的体积、重量较大，工作的噪音较大。

而由于输出波形是方波，上升和下降是突变的，当负载为感性负载时，由于电感对储能特性，会产生尖峰脉冲高压。

造成负载或电源的损坏。

第二种是修正波逆变电源。

输出波形是将多个方波叠加而成的修正正弦波。

大大减小了输出波形的谐波含量。

与方波逆变电电源相比，性能得到了很大的提升。

第三种是纯正弦波逆变电源。

其输出波形为谐波含量很小的正弦波。

与市电相比波形基本一致。

可以带动所有类型的负载。

但缺点是技术不够成熟。

成本较高。

1.2系统研究的意义

一方面目前私家车已经走进千家万户，而车内可使用电器却因为电源受到诸多的限制。

汽车的携带的蓄电池输出直流12V，而大部分电器的额定电压是市电交流220V。

而目前常见的车载逆变电源有诸多缺点。

如无输入低压保护，超额使用后，导致汽车无法启动。

没有设计显示屏，用户无法查看输出参数。

没有配置短路保护，过载保护等。

另一方面随着太阳能发光的大力推广，逆变电源在太阳能发光的过程中有着不可缺少的作用。

太阳能发光是将光能转换为电能存储在蓄电池中。

而人们使用的家电无法直接通过蓄电池供电。

必须通过逆变电源将直流电转换为交流电。

随着逆变电源应用的场合越来越多，对逆变电源技术的发展要求也越来越高。

目前逆变电源的设计多采用纯硬件设计的分立式元件组成的结构。

随着人们使用的电器数量和种类的增加，对逆变电源的波形、容量等参数的要求也越高，使得设计的逆变电源的复杂度也越来越高，采用的元件也越来越多。

而由于元件数量过多，造成的电源稳定性较差，往往由于某一个元件的质量差而导致整个系统的损坏。

而且传统逆变电源基于模拟元件的设计，没有可编程的能力，使得逆变电源的可扩展能力差，没有显示功能等问题。

因此针对单片机来作为逆变电源主控制芯片的研究显的十分重要。

2系统的工作原理与结构

2.1系统的工作原理

逆变电源是一种将低压直流电转换为高压交流电的过程。

一个直流电源对一个负载的两端轮流供电时便在负载的两端形成一个交流电的过程。

工作模型如图2-1所示。

图2-1逆变电源工作模型

当图中的S1、S4闭合，S2、S3断开时。

电流从负载的左侧流向右侧。

负载两端的电压U0是一个正电压。

电流方向和波形如图2-2所示。

图2-2S1、S4闭合时的电流方向和波形

当图中的S2、S3闭合，S1、S4断开时。

电流从负载的右侧流向左侧。

负载两端的电压U0是一个负电压。

电流方向和波形如图2-3所示。

图2-3S2、S3闭合时的电流方向和波形

当开关开始和闭合的速度很快时，负载两端的电压便形成了一个交流电的过程。

实际应用中，只要将图中的开关，改为可控的开关器件，这些开关器件组成的电路称为全桥。

全桥逆变电源主电路结构如图2-4所示。

图2-4全桥逆变电源结构图

V1、V2、V3和四个开关管以及VD1、VD2、VD3和VD4四个续流二极管构成了左右两个桥臂。

在任何时刻，左右两个桥臂的上下两个开关器件不可以同时打开，否则输入电源将短路。

四个开关器件也不可同时判断，否则输出出现不可控的状态。

这些开关器件的控制信号可以采用周期调制信号。

而这些周期信号经过正弦脉宽调制，称为SPWM调制，电路结构称为SPWM全桥结构。

典型的SPWM调制方式有两种，分别为单极性调制和双极性调制。

单极性调制是指全桥的输出包括正负两个电平，输出载波频率与开关工作频率相同。

单极性调制的波形图如图2-5所示。

图2-5单极性调制波形图

在ur和uc的交点时刻控制开关管的通断，uof表示uo的基波分量。

在波形ur的正半周，V1的状态为通，V2的状态为断。

在ur>

uc时，V3的状态为断，V4的状态为通。

此时的uo=ud。

在ur<

uc时，V3的状态为通，V4的状态为断。

在波形ur的负半周，V1的状态为断，V2的状态为通。

uc时，V3的状态为通，V4的状态为断。

此时的uo=0。

uc时，V3的状态为断，V4的状态为通。

此时的uo=－ud。

双极性调制与单极性调制相比，多了一个零电平，即输出电平包括正、负和零三个电平。

双极性调制波形如图2-6所示。

图2-6双极性调制波形图

对于双极性调制，在ur和uc的交点时刻控制开关管的通断。

uof表示uo的基波分量。

在ur的每半个周期中，调制载波的三角波有正有负，所得PWM波的幅值有±

Ud两种电平。

在ur的正负半周，对各开关管的控制规律相同。

在ur>

uc时，开关管V1和V4的状态为通，开关管V2和V3状态为断。

此时的uo=Ud。

uc时，开关管V2和V3的状态为通，开关管V1和V4状态为断。

此时的uo=-Ud。

这两种调制方式中，双极性调制的实现简单，缺点是四个开关管都处在高频的工作状态，开关的损耗较大，电路可靠性降价。

单极性调制时一个桥臂为低频状态，另一个为高频状态，因此，开关管的导通损耗较低。

降低了制作成本。

本次设计采用单极性调制方式。

2.2系统的硬件结构

逆变电源实现直流电转换为交流电的过程可以分为三个步骤。

第一步是通过震荡电路将直流电变为交流电。

第二步是将得到的交流电通过变压器进行升压，此时输出波形为一个高压的方波，也就是方波逆变电源的波形。

第三步是将升压后的交流电进行整流，得到一个正弦波波形的交流输出。

本设计是基于单片机的正弦波输出逆变电源，根据实现功能和逆变电源的转换流程。

系统的硬件可分为几大模块：

主控制器，DC-DC驱动模块，DC-AC模块，保护模块，显示模块。

系统的硬件结构框图如图2-7所示。

图2-7逆变电源系统框图

主控制器采用单片机STC12C5410AD。

主要实现的功能是根据反馈输出电压、电流输出到液晶显示上显示。

通过系统自带PCA模块，来对比寄存器的值，采用模拟脉宽调制法，控制端口输出正弦调制波即产生SPWM驱动。

DC-DC驱动模块是利用经过PWM调制波将直流低压高频逆变为高频的方波。

输出的高频方波经过整流滤波后转换为400V左右的直流电，给整个逆变电源提供足够的功率。

DC-AC模块是利用主控制器产生的SPWM纯正弦波调制到DC-DC电路产生的400V直流上，最终将这个直流电转换成220V，50Hz的的交流电。

保护模块主要有温度控制、输出保护、输入保护等。

实现的功能包括根据采集到的温度控制散热风扇。

如果输入电压过低，表示蓄电池电量不足，停止转换，保护蓄电池。

当输入电压过高时，切断输入，防止烧坏芯片。

当输入正负接反时，切断电源输入，保护后级电路。

输出短路时，自动停止逆变转换。

当短路恢复后，自动恢复逆变转换。

负载功率过高时，停止逆变转换。

显示与告警模块有三部分。

一是液晶显示屏，二是发光二极管，三是蜂鸣器。

液晶屏可以显示输出的电压，电流，频率等信息。

发光二极管用于指示电源的工作状态，保护状态的提示等。

蜂鸣器是当发生短路、过载、输入过低或过高时发出蜂鸣声告知用户。

2.3系统的软件设计

根据设计要求，单片机程序主要实现的功能有：

产生SPWM波形，接收来自反馈网络的信号，控制显示模块显示相关信息等。

程序流程图如图所示。

图2-8系统程序流程图

3系统的硬件设计

3.1主控制器

本次设计采用的主控制器是单片机STC12C5410AD。

STC12C5410AD是宏晶公司生产的单时钟单片机，指令与8051系列完全兼容，但速度却快了近10倍。

拥有10K的程序存储空间和512B的数据存储空间。

拥有高速运算、超低功耗、超强抗干扰的性能。

每个IO口、电源引脚、晶振引脚、复位引脚都经过特殊的处理，对VCC和GND加入了二极管箝位保护，可以有效的防止干扰经过这些接口进入到单片机内部。

自带看门狗电路，无需外置看门狗芯片，减小系统的体积和成本。

内部集成了复位专用的MAX810电路，使得复位电路的设计更加方便。

集成了4路可编程的PWM模块电路，使得通过编程来产生SPWM波形，最终调制出50Hz的交流电。

集成了8路的高速10位AD转换模块，利用这些模块可以转换出反馈的交流电压和电流。

单片机最小系统如图3-1所示。

图3-1单片机最小系统

3.2DC-DC模块

该模块的作用是将输入的12V直流电，低压直流电经过高频PWM脉冲调制，控制开关管的关断与闭合，输出一个低压的交流电。

该电压输入到高频变压器的低压端，变压器的高压端输出一个400V左右的交流电。

将该电压经过整流后输出一个400V左右的高压直流电，该电压供给下一级使用。

根据该模块的功能，可以将该模块分为三个部分来设计。

第一部分是调制PWM脉冲的产生。

第二部分是变压器的设计。

第三部分是输出电压的整流。

3.2.1PWM脉冲产生电路

本次设计PWM脉冲产生采用的芯片是定频PWM芯片SG3525。

内部结构如图3-2所示。

图3-2SG3525内部结构图

芯片的1脚为反相输入端，2脚为同相的输入端，这两个管脚连接的是芯片内直流开环增益为70db的两级差分误差放大器。

芯片的5脚、6脚、7脚内的电路组成了SG3525内部振荡器。

这三个引脚内部的比较器和电容充放电电路加上外接的电阻电容电路便可组成振荡器。

芯片的3脚为振荡器的外部同步输入端。

5脚外接电容CT，6脚外接电阻RT。

振荡器的频率的计算公司如下。

f=

振荡器的产生的输出分为两路，一路送入双稳态触发器，输出方式为时钟脉冲的形式；

另一路送至入比较器的同相输入端，输入方式为以锯齿波的形式。

误差放大器输出的数据送入比较器的反相输入端。

比较器根据输入的锯齿波和误差放大器的输出进行比较。

输出一个方波，该方波的宽度随着误差放大器的输出电压高低而改变。

该方波脉冲送入或非门其中一个输入端，另两个输入端为双稳态触发器和振荡锯齿波。

双稳态触发器是两个输出互补的波形，高低电平交替输出。

产生的PWM脉冲送至放大管VT1、VT2的基极。

锯齿波可以保证VT1和VT2不会同时导通，控制了死区时间。

VT1和VT2输出PWM波，其相位差180°

。

芯片9脚和1脚之间需要连接反馈补偿网络使输出的波形更加正确。

由于PWM产生电路属于高频电路，与后级电路存在相互干扰的可能性。

因此将PWM产生电路单独设计，通过插接方式来连接。

设计的部分电路如图3-3所示。

图3-3PWM产生电路图

3.2.2变压器的设计

高频变压器作为逆变电源DC-DC模块中的核心器件，它的主要参数和性能指标直接决定整个逆变电源的优劣。

高频变压器磁化特性曲线工作在第一和第三象限。

磁通变化范围较大，可以从-Bm到+Bm。

因此，它属于对称式变压器。

本次设计采用的E55铁氧体磁芯变压器。

关于变压器的参数计算，主要有以下几项。

（1）功率容量

EE55的心柱截面积Ae为3.515平方厘米。

窗口面积Aq为3.9平方厘米。

功率容量的计算为AP=Ae*Aq=13.7。

（2）原边绕组匝数

原边绕组匝数NP的计算公式如下。

NP=（VI/2）*10/（4*f*Bm*Ae）=（310/2）*10/（4*80000*0.15*3.5）=10.1

NP取整数10匝。

（3）副边绕组匝数

根据原副边绕组匝数比公式NP/NS=VINMIN/（2XVOP），可以计算出原副边绕组的匝数比为1：

6。

则副边绕组的匝数为60匝。

绕制步骤为。

（1）先绕1/2次级绕组（高压部分）

使用高温胶带在磁芯的骨架上粘一圈，可以防止导线打滑。

用一根0.93线绕30圈左右，可以绕一层为准。

采用高温胶带将次级绕组的外面包三层。

（2）初级绕组（低压部分）

低压绕组分两层。

绕制示意图如图3-4所示。

图3-4绕制示意图

先用5根0.93线绕两圈，如图中红色。

线中间留空隙。

在空隙处用另5根线绕两圈，如蓝线。

两根线的长度约37厘米。

采用同样方法，绕第二层。

两层中间采用高温胶带隔离。

相当于10匝。

（3）另外1/2的次级绕组

按照步骤1的方法，采用同样的绕向绕完剩下的1/2。

采用高温胶带包三层左右。

（4）焊接引线

绕组绕完后，将留出的线头，采用焊接在骨架上。

并将线头去漆上锡。

3.3.3输出整流电路的设计

输出整流采用的是快速二极管SBYV26C组成的桥式整流电路。

输出经过一个100uf/400V的电容滤波处理。

经过滤波后输出一个400V的直流电。

供给下一级使用。

PWM产生电路产生的两路PWM波P1和P2后，经过开关管的调制为交流电后，经过高频变压器，输出高频高压，经过四个二极管来整流。

设计的电路如图3-5所示。

图3-5DC-DC输出电路原理图

3.3DC-AC模块

逆变电源实现的主要功能便是直流到交流的转换，而该模块实现的主要功能便是直流到交流的转换。

因此，该模块是是整个系统中最重要的组成部分。

是整个逆变电源的灵魂，起主导地位。

逆变电源的性能很大程序取决于该模块的性能。

该模块的转换原理是将DC-DC模块得到的400V直流电通过SPWM波形调制成220V，50Hz的交流电。

然后通过LC滤波电路滤除其它杂波，使输出波形更加完美。

因此，该模块电路可以分为三部分。

第一部分是驱动单片机产生的SPWM波形。

第二部分是将接在400V直流电的开关管按SPWM波形闭合与断开。

第三部分是对开关管的输出的波形进行滤波。

详细介绍如下。

3.3.1SPWM波驱动隔离

单片机直接输出的功率较小，而且容易受到后级功率型开关器件的干扰，从而引发灾难性的后果。

因此，两部分电路的连接需要采用隔离驱动的方式。

常用隔离驱动有两种方式，一种是光电隔离，一种是电磁驱动。

光电隔离采用用的主要器件为光耦。

光耦的优点是体积小，结构简单，缺点是传输速度较慢。

电磁隔离常用的器件是脉冲变压器。

它的优点是响应的速度快，比光电隔离拥有较强的共模抑制比。

但缺点是体积大，加工复杂，对传输信号有一定的要求。

比如占空比不能超过50%，能传输的信号最小宽度较小。

本次设计采用的是IR2110S作为驱动器件。

IR2110S是美国IR公司生产的封装为SO16的芯片，兼有体积小和速度快两个优点。

IR2110S采用闩锁和HVIC的CMOS制造工艺的贴片封装，具有很强的抗干扰能力。

低端和高端输入通道相互独立，互不干扰。

悬浮电源采用的是自举电路，可以实现高端工作电压在500V。

逻辑电源电压范围在5到15V，因此可以与单片机的TTL电平匹配。

最高工作频率可以为500KHz。

开通、关断的延迟只有120ns和94ns。

IR2110S的内部结构框图如图3-6所示。

图3-6IR2110S内部结构框图

IR2110S的管脚如表3-1所示。

引脚

名称

功能

1

LO

低端输出

2

COM

公共端

3

VCC

电源电压（低端固定）

4

NC

无效端

5

6

Vs

电源偏移电压（高端浮置）

7

VB

电源电压（高端浮置）

8

HO

输出（高端）

9

10

11

VDD

逻辑电源电压（逻辑）

12

HIN

逻辑高端输入

13

SD

关断

14

LIN

逻辑低端输入Vss

15

Vss

逻辑地

16

表3-1IR2110S引脚

逻辑电路地根据芯片的结构和管脚设计的电路原理图如图3-7所示。

图3-7驱动隔离原理图

单片机输出的四路SPWM波输入到IR2110S的HIN和LIN。

C23、C24、C30和C31为芯片电源的滤波电容。

C22、C29为自举电容，D4、D21为自举二极管。

开关管在导通时，需要在很小的时间内存储足够的栅电荷供给门极。

开关管在开通后，自举电容两端的电压为10V，开关管充分导通的所需电压为8.3V。

自举电容充电时，两端的压降在1.5V左右。

开关管栅极泄漏压降约有1/2左右。

综合这些条件，自举电容容量选择公式为C1>

2Qg/（VCC－10－1.5）。

经过计算，本次设计的自举电容为100uf/35V。

自举二极管是组成自举电路的重要的自举器件，主要作用是阻断直流干线上的高压。

自举二极管所需承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。

本次设计采用的自举二极管为恢复二极管FM1S。

该二极管拥有较小的反向漏电流，可以有效的减小电荷损失。

3.3.2开关电路的设计

本次设计中开关管的输入电压在400V左右，输出功率在300W以上。

因此必须使用功率足够的功率开关管。

本次设计采用的是IRF840作为开关管。

IRF840的最大漏源电压在500V，漏极电流为8A左右，足以满足本次设计的要求。

设计的电路如图3-8所示。

图3-8开关电路原理图

开关管的控制信号为IR2110S隔离后的SPWM正弦波，输入电压为400V左右的直流电，经过SPWM波形调制后，输出220V，50Hz的正弦波交流电。

经过后级的LC滤波电路后，使输出波形的更加纯净。

3.3.3LC滤波电路设计

为了滤除开关管输出的交流电中高频成分，以及增强电源的EMI特性。

设计了一个LC滤波电路。

电路原理图如图3-9所示。

图3-9LC滤波电路

L1采用的是磁环绕制导线而成的差模电感。

磁环为直径40MM的铁硅铝材料制作。

采用1.18的线在磁环上绕90圈左右，使用的线长在4.5米左右。

磁环的导磁率为125，电感量为1.5mH，导磁率为60。

绕制时分两层，第一层为45圈，内圈的线紧密绕制，外圈线的每圈留有一个空隙。

第二层为45圈，内圈叠在第一层线上，外圈嵌在第一层的空隙中。

3.4保护模块

3.4.1温度保护

本设计有两路温度控制电路。

一个是当温度超过一定值时开启散热风扇。

另一个是作为DC-DC模块的温度补偿模块，当温度过高时，停止前级DC-DC的转换。

散热风扇的控制采用的是热保护器KSD9700。

KSD9700是由两片不同材料的金属片组成的。

正常温度情况下，两个金属片断开，相当于开关断开。

风扇不工作。

当金属片感知温度超过40摄氏度时，两个金属片粘合，相当于开关闭合，此时风扇开始工作。

当温度恢复正常时，两个金属片又重新断开。

设计的电路如图3-10所示。

图3-10散热风扇电路设计

DC-DC模块的温度补偿传感器采用NTC热敏电阻。

热敏电阻接入DC-DC模块中PWM脉冲产生芯片SG3525的关断端。

当温度过高时，SG3525停止工作。

3.4.2输入保护

输入的保护主要有三部分。

一是防止输入反接。

二是防止输入电压过低。

三是防止输入电压过高。

逆变器的输入端为直流输入，存在输入接反的可能性。

因此，设计了一防反接电路。

当接反时，切断电源