全國大學生電子設計競賽設計報告-單相正弦逆變電源

1、第六屆電子設計競賽 單相正弦逆變電源單相正弦逆變電源摘要：本作品設計了由STM32輸出SPWM信號控制的逆變電源，實現以12V直流電源輸入，36V正弦交流電輸出。本電源采用Boost升壓和全橋逆變兩級變換，在前級Boost升壓電路中，采用UC3842芯片進行PWM控制。逆變部分采用IR2110驅動芯片及MOS開關管進行全橋逆變，可直接通過程序進行SPWM調制，從而改變交流輸出頻率。輸出交流信號通過AD637進行有效值轉換后，再由STM8單片機進行模數轉換，并將電壓值等工作狀態(tài)顯示在LCD12864上。在電路保護上，采取了過壓過流保護，增強了該電源的可靠性和安全性。經測試，該電源輸出信號穩(wěn)定、效

2、率高，有良好的人機交互界面，是理想的單相正弦逆變電源解決方案。關鍵詞：單相正弦波逆變、SPWM、Boost升壓、全橋逆變Single Phase Sine Inverter Power SupplyAbstract: this work was designed by STM32 output SPWM control signal of inverter power supply, implementation to the 12 v dc power input, 36 v sinusoidal alternating current output. The power supply ad

3、opts the Boost booster and full bridge inverter two-stage transformation, in the first level Boost booster circuit, using UC3842 PWM control chip. Inverter part driven by IR2110 chip to the full bridge inverter and MOS switch tube, can be directly programmed for SPWM modulation, which changes ac out

4、put frequency. Output ac signal through the AD637 RMS conversion after, again by STM8 modulus conversion, single-chip and voltage value on work status display LCD12864, etc. On the circuit protection, adopted the over-voltage and over-current protection, enhance the reliability and security of the p

5、ower supply. After test, the power supply output signal stability, high efficiency, has the good human-computer interaction interface, is the ideal single-phase sine inverter power supply solutions.Keywords: Single-phase sine wave inverter, SPWM, Boost booster, Full bridge inverter目錄1. 設計任務及要求41.1 設

6、計任務41.2 設計要求42. 總體方案設計52.1 方案論證與選擇52.1.1 DC-DC變換器方案論證及選擇52.1.2 DC-AC變換器方案論證及選擇62.1.3 輔助電源方案論證及選擇62.2 整體方案73. 單元模塊設計83.1 DC-DC變換器設計83.2 DC-AC逆變器設計93.3 SPWM設計103.3.1 SPWM波的原理103.3.2 實現方法113.4 真有效值轉換電路設計123.5 輔助電源設計134. 控制程序設計144.1 STM8控制及狀態(tài)顯示程序流程144.2 STM32 SPWM控制程序流程155. 系統(tǒng)調試155.1 軟件調試155.2 硬件調試166.

7、系統(tǒng)功能及指標參數176.1 測試儀器176.2 測試項目及結論177. 設計總結17參考文獻18 1. 設計任務及要求1.1 設計任務設計并制作輸出電壓為36VAC的單相正弦波逆變穩(wěn)壓電源。輸入為12VDC電源，負載為阻性。電路結構圖如下圖1.1所示：圖1.1 電路結構圖1.2 設計要求 a基本要求 （1）輸出電壓波形為正弦波。用示波器觀察無明顯失真。（2）在額定輸入電壓（DC）為：10 V14V，輸出電壓（AC）為：36V±0.5V, 輸出頻率為:50HZ,額定滿載輸出功率50W.（3）輸出正弦波電壓,THD5%. （4）滿載情況下,逆變器效率70%。（5）具有過、欠電

8、壓保護功能，過壓動作電壓為UO（th）=（15.5±0.5）V；欠壓動作電壓為UO（th）=（9±0.5）V；(6) 輸出過電流保護功能。過流動作電流為IO（th）=（1.55±0.1）A.b發(fā)揮部分 （1）進一步提高逆變器效率90%。（2）輸出正弦波電壓,THD1%.（3）輸出頻率可調,調節(jié)范圍為: 20HZ100HZ（4）設計制作具有測量、顯示逆變穩(wěn)壓電源輸出電壓、電流、頻率和功率的電路，測量誤差5%.（5）具有輸出保護功能，可自動恢復。具有工作及保護指示。 （6）其他2. 總體方案設計2.1 方案論證與選擇2.1.1 DC-DC變換器方案論證及選擇方案1：B

9、oost升壓變換器Boost原理電路如圖2.1所示。Boost電路開關的開通和關斷受外部PWM信號控制，電感L將交替地存儲和釋放能量。當MOS管導通時，電能以磁能形式儲在電感線圈中，同時電容C0放電，電阻RL兩端電壓為V0。當MOS管關斷時，電源電壓Uin與電感自感電壓Ul串聯，以高于V0的電壓向電容C0、負載RL供電，因此該電路為升壓電路，通過改變PWM控制信號的占空比可以相應實現輸出電壓的變化。該電路采取直接直流升壓，電路結構較為簡單，損耗較小，效率較高。圖2.1 Boost升壓變換器方案2：MC34063升壓變換器MC34063組成的升壓變換器電路如圖2.2所示。MC34063由溫度補償

10、功能的基準電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器、RS觸發(fā)器和大電流輸出開關電路組成。電感在釋放能量期間，由于其兩端的電動勢極性與電源極性相同，相當于兩個電源串聯，因而負載上得到的電壓高于電源電壓。該變換器電路簡單，適用于以單片機為基礎的電路系統(tǒng)中。圖2.2 MC34063升壓變換器方案選擇：以上兩種變換器均可實現直流12V升壓至52V，但MC34063允許的開關頻率較小，且采用開環(huán)誤差放大，占空比不能鎖定，造成電感量和電容量計算復雜。相比之下，選擇準確性和可行性較高的Boost電路，選擇方案1。2.1.2 DC-AC變換器方案論證及選擇方案1：全橋DC-AC變換器全橋DC-AC變換器。全橋電

11、路中互為對角的兩個開關同時導通，而同一側的半橋上下兩開關交替導通，將直流電壓成幅值為 的交流電壓，加在變壓器一次側。改變開關的占空比，也就改變了輸出電壓 。全橋式電路如圖2.3所示。圖2.3 全橋逆變器方案2：半橋DC-AC變換器在驅動電壓的輪流開關作用下,半橋電路兩只晶體管交替導通和截止,它們在變壓器T原邊產生高壓開關脈沖,從而在副邊感應出交變的方波脈沖,實現功率轉換。半橋電路輸入電壓只有一半加在變壓器一次側，這導致電流峰值增加，因此半橋電路只在500W或更低輸出功率場合下使用，同時它具有抗不平衡能力，從而得到廣泛應用。半橋式拓撲結構原理圖如圖2.4所示。圖2.4 半橋逆變器方案選擇：方案1

12、和方案2都可以作為DC-AC變換器的逆變橋，由兩者的工作原理可知，半橋需要兩個開關管，全橋需要四個開關管。半橋和全橋的開關管的耐壓都為,而半橋輸出的電壓峰值是，全橋輸出電壓的峰值是，所以在獲得同樣的輸出電壓的時候，全橋的供電電壓可以比半橋的供電電壓低一半。出于這點的考慮，決定采用全橋逆變，即方案1。2.1.3 輔助電源方案論證及選擇方案1：線性穩(wěn)壓電路7805是常用的三端穩(wěn)壓集成電路，其典型應用電路如下圖2.5所示，這是一個輸出正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負載電阻。圖2.5 線性穩(wěn)壓電路方案2：Buck降壓變換器Buc

13、k變換器原理電路如圖2.6所示，承擔開關切換功能的器件常為功率MOS管，輸出濾波電容由低頻濾波性能良好的大容量電解電容Co1和高頻濾波特性良好的小容量CBB電容Co2組成。為防止自激，需增加輸入濾波電容Ci1、Ci2。圖2.6 Buck變換器方案比較：方案1的優(yōu)點在于可以使用很少的元器件構成輔助電源，但是效率較低。方案2的優(yōu)點在于效率高，可達90%，且?guī)лd能力強，缺點是需要的元器件多，且成本較高。由于輔助電源要位單片機及其他芯片供電，會影響到整個系統(tǒng)的效率，所以采用方案2。2.2 整體方案經過方案的對比和分析，總結出了整體的設計方案框圖，如下圖2.7所示。首先采用DC-DC變換器把12V的直流

14、電壓升至52V；在DC-AC逆變器中，為保證輸出真有效值為36V且無截止失真和飽和失真的正弦波電源信號，輸出電壓反饋采用SPWM信號脈寬調節(jié)的方式；輸出電壓使用AD637進行有效值轉換后，由STM8單片機進行ADC采樣后分析，并在LCD12864屏幕上顯示。各模塊分析將在單元模塊設計中介紹。圖2.7 整體框圖3. 單元模塊設計3.1 DC-DC變換器設計本DC-DC變換器采用Boost拓撲，完整電路如圖X所示。PWM控制電路由UC3842及其外圍電路組成，動態(tài)穩(wěn)定輸出電壓。UC3842是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調制芯片，內部結構如圖。該調制器單端輸出，能直接驅動雙極型的功率管或場效應管。其

15、主要優(yōu)點是其管腳效應少，外圍電路簡單，電壓調整率可達0.01%，工作頻率最高達500KHz，啟動電流小于1mA，正常工作電流為5mA，并可利用高頻變壓器實現與電網的隔離。該芯片集成了振蕩器、具有高溫補償的高增益誤差放大器、電流檢測比較器、圖騰柱輸出電流、輸入和基準欠電壓鎖定電路以及PWM鎖存器電路。圖3.1 UC3842內部結構整體Boost DC-DC變換器如圖3.2所示，主要包括自舉電路、PWM控制電路、以及電流采樣電路。圖3.2 DC-DC變換器3.2 DC-AC逆變器設計DC-AC逆變器采用兩個半橋驅動芯片分別驅動全橋的兩邊場效應管，使其按SPWM波驅動信號交替導通，輸出包絡與SPWM

16、波相同，功率放大的正弦波信號。其中驅動芯片采用IR2110芯片。IR2110集成度高，可驅動同一橋臂兩路，響應快( ton /tof= 120/94 n s )，偏置電壓高(< 600 V )，驅動能力強，內設欠壓封鎖，而且其成本低，易于調試，并設有外部保護封鎖端口。尤其是上管驅動采用外部自舉電容上電, 使得驅動電源路數目較其他IC 驅動大大減小，從而大大減小了控制變壓器的體積和電源數目，降低了產品成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。電路如圖X所示。圖3.3 IR2110 驅動電路橋臂電路如圖3.4所示，場效應管采用圖3.4 橋臂電路3.3 SPWM設計3.3.1 SPWM波的原理 在進行脈寬調制

17、時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調制。圖3.5 與正弦波等效的矩形脈沖序列波形3.3.2 實現方法一般情況下, SPWM的控制方案有兩種,即單極性調制法和雙極性調制法。在本設計中，采用了單極性調制方法。（1）雙極性調制方式雙極性調制時，逆變全橋電路的對角功率管（S1/S4，S2/S3）同時開通和關斷，兩組互補導通，所有功率管均為高頻開關。如圖3.4所示，每發(fā)生一次開關，逆變橋的輸出電壓UAB為正輸

18、入電壓或負輸入電壓，從而在輸出電壓的半個周期內，UAB在+Ud和-Ud電平之間切換，即+1/-1（或-1/+1）切換方式，整個輸出電壓周期內得到兩態(tài)的輸出電壓波形。(2）單極性調制方式傳統(tǒng)的單極性調制方式原理如圖3.5所示，逆變橋的兩個橋臂分別通過三角載波c與正負正弦調制信號（m、-m）相交截分開調制，當對角功率管開通時（S1/S4或S2/S3），逆變橋輸出UAB為+Ud或-Ud；當橋臂上部兩只功率管（S1、S2）或下部兩只功率管開通時，逆變橋的輸出UAB為零。這樣，每發(fā)生一次開關，輸出電壓UAB在0與+Ud或0與-Ud之間變化，從而在輸出電壓的半個周期內，UAB為+Ud和0或-Ud和0，即+

19、1/0（0/+1）或-1/0（0/-1）切換方式，整個輸出電壓周期內所得到三態(tài)的輸出電壓波形。圖3.6 雙極性SPWM生成機制圖3.7 單極性SPWM生成機制本設計采用STM32產生SPWM波形，使用定時器查表的方法，產生四通道兩兩互補的SPWM信號，如下圖3.8所示。圖3.8 STM32產生的SPWM波3.4 真有效值轉換電路設計AD637是一款完整的高精度、單芯片均方根直流轉換器，可測量的信號有效值高達7V，精度優(yōu)于0.5%，3dB帶寬為8MHz，可對輸入信號的電平以dB形式表示，其內部結構如圖3.9所示。圖3.9 AD637內部結構AD637應用電路如圖3.10 所示。芯片采用雙5V供電

20、，即轉化為有效值輸出為04V,能供單片機直接采樣。圖3.10 真有效值轉換電路3.5 輔助電源設計輔助電源采用Buck拓撲的DC-DC變換器，利用輸入的12V直流電源降壓產生5V的直流電源，給STM8單片機、STM32等芯片供電。電路如圖3.11所示。圖3.11 Buck電路4. 控制程序設計4.1 STM8控制及狀態(tài)顯示程序流程開始硬件初始化液晶屏框架顯示按鍵調節(jié)頻率？改變頻率值FAD取樣電壓、電流、頻率、功率等工作狀態(tài)顯示結束圖5.1 STM8控制及狀態(tài)顯示程序流程圖4.2 STM32 SPWM控制程序流程開始硬件初始化開始逆變按鍵調節(jié)頻率？更新SPWM頻率F使能SPWM輸出設置SPWM控

21、制參數結束關機指令？5. 系統(tǒng)調試5.1 軟件調試（1）MDK軟件仿真：通過軟件仿真中的邏輯分析儀測試STM32輸出的SPWM信號。STM32通過定時器查表的方式，產生四路兩兩互補的SPWM信號，如圖5.1所示。圖5.1 SPWM軟件仿真波形5.2 硬件調試DC-AC逆變器采用兩個半橋驅動芯片分別驅動全橋的兩邊場效應管，使其按SPWM波驅動信號交替導通，輸出包絡與SPWM波相同，功率放大的正弦波信號。通過示波器觀察輸出信號，如圖5.2所示。圖5.2 SPWM示波器波形6. 系統(tǒng)功能及指標參數6.1 測試儀器測試中使用的儀器如表6.1所示。序號名稱型號規(guī)格數量1UNI-T四位萬用表UT56 22

22、LONGWEI雙路穩(wěn)壓電源32V，3A 13MATRIX模擬雙蹤示波器20M，MOS-620CH14電參數測量儀PM99011表6.16.2 測試項目及結論6.2.1 輸出電壓波形如圖6.2所示，經SPWM調制，輸出的電壓信號無明顯失真，為標準正弦波信號。結論：輸出波形符合第一項基本要求。6.2.2 輸出信號電壓經測試，輸出信號在有負載和無負載的情況下，輸出電壓有效值接近36V，頻率值穩(wěn)定為50Hz結論：輸出信號頻率穩(wěn)定為50Hz，符合第二項基本要求。6.2.3 逆變器效率6.2.4 過壓、欠壓保護，輸出過流保護本設計有輸入過壓、欠壓保護和輸出過流保護，經測試能正常工作。6.2.5 電壓、電流、頻率、功率測量及顯示誤差經測試，用示波器測量