全国大学生电子设计竞赛设计报告单相正弦逆变电源.doc

第六届电子设计竞赛 单相正弦逆变电源
单相正弦逆变电源
摘要：本作品设计了由STM32输出SPWM信号控制的逆变电源，实现以12V直流电源输入，36V正弦交流电输出。本电源采用Boost升压和全桥逆变两级变换，在前级Boost升压电路中，采用UC3842芯片进行PWM控制。逆变部分采用IR2110驱动芯片及MOS开关管进行全桥逆变，可直接通过程序进行SPWM调制，从而改变交流输出频率。输出交流信号通过AD637进行有效值转换后，再由STM8单片机进行模数转换，并将电压值等工作状态显示在LCD12864上。在电路保护上，采取了过压过流保护，增强了该电源的可靠性和安全性。经测试，该电源输出信号稳定、效率高，有良好的人机交互界面，是理想的单相正弦逆变电源解决方案。
关键词：单相正弦波逆变、SPWM、Boost升压、全桥逆变

Single Phase Sine Inverter Power Supply

Abstract: 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 adopts 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 output 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 power 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

目录
1. 设计任务及要求 4
1.1 设计任务 4
1.2 设计要求 4
2. 总体方案设计 5
2.1 方案论证与选择 5
2.1.1 DC-DC变换器方案论证及选择 5
2.1.2 DC-AC变换器方案论证及选择 6
2.1.3 辅助电源方案论证及选择 6
2.2 整体方案 7
3. 单元模块设计 8
3.1 DC-DC变换器设计 8
3.2 DC-AC逆变器设计 9
3.3 SPWM设计 10
3.3.1 SPWM波的原理 10
3.3.2 实现方法 11
3.4 真有效值转换电路设计 12
3.5 辅助电源设计 13
4. 控制程序设计 14
4.1 STM8控制及状态显示程序流程 14
4.2 STM32 SPWM控制程序流程 15
5. 系统调试 15
5.1 软件调试 15
5.2 硬件调试 16
6. 系统功能及指标参数 17
6.1 测试仪器 17
6.2 测试项目及结论 17
7. 设计总结 17
参考文献 18

1. 设计任务及要求
1.1 设计任务
设计并制作输出电压为36VAC的单相正弦波逆变稳压电源。输入为12VDC电源，负载为阻性。电路结构图如下图1.1所示：

图1.1 电路结构图
1.2 设计要求
a．基本要求
（1）输出电压波形为正弦波。用示波器观察无明显失真。
（2）在额定输入电压（DC）为：10 V～14V，输出电压（AC）为：36V±0.5V, 输出频率为:50HZ,额定满载输出功率50W.
（3）输出正弦波电压,THD≤5%.
 （4）满载情况下,逆变器效率η≥70%。
（5）具有过、欠电压保护功能，过压动作电压为UO（th）=（15.5±0.5）V；欠压动作电压为UO（th）=（9±0.5）V；
(6) 输出过电流保护功能。过流动作电流为IO（th）=（1.55±0.1）A.
b．发挥部分
（1）进一步提高逆变器效率η≥90%。
（2）输出正弦波电压,THD≤1%.
（3）输出频率可调,调节范围为: 20HZ～100HZ
（4）设计制作具有测量、显示逆变稳压电源输出电压、电流、频率和功率的电路，测量误差＜5%.
（5）具有输出保护功能，可自动恢复。具有工作及保护指示。
（6）其他
2. 总体方案设计
2.1 方案论证与选择
2.1.1 DC-DC变换器方案论证及选择
方案1：Boost升压变换器
Boost原理电路如图2.1所示。Boost电路开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量。当MOS管导通时，电能以磁能形式储在电感线圈中，同时电容C0放电，电阻RL两端电压为V0。当MOS管关断时，电源电压Uin与电感自感电压Ul串联，以高于V0的电压向电容C0、负载RL供电，因此该电路为升压电路，通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。

图2.1 Boost升压变换器

方案2：MC34063升压变换器
MC34063组成的升压变换器电路如图2.2所示。MC34063由温度补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器、RS触发器和大电流输出开关电路组成。电感在释放能量期间，由于其两端的电动势极性与电源极性相同，相当于两个电源串联，因而负载上得到的电压高于电源电压。该变换器电路简单，适用于以单片机为基础的电路系统中。

图2.2 MC34063升压变换器
方案选择：以上两种变换器均可实现直流12V升压至52V，但MC34063允许的开关频率较小，且采用开环误差放大，占空比不能锁定，造成电感量和电容量计算复杂。相比之下，选择准确性和可行性较高的Boost电路，选择方案1。
2.1.2 DC-AC变换器方案论证及选择
方案1：全桥DC-AC变换器
全桥DC-AC变换器。全桥电路中互为对角的两个开关同时导通，而同一侧的半桥上下两开关交替导通，将直流电压成幅值为 的交流电压，加在变压器一次侧。改变开关的占空比，也就改变了输出电压 。全桥式电路如图2.3所示。

图2.3 全桥逆变器

方案2：半桥DC-AC变换器
在驱动电压的轮流开关作用下,半桥电路两只晶体管交替导通和截止,它们在变压器T原边产生高压开关脉冲,从而在副边感应出交变的方波脉冲,实现功率转换。半桥电路输入电压只有一半加在变压器一次侧，这导致电流峰值增加，因此半桥电路只在500W或更低输出功率场合下使用，同时它具有抗不平衡能力，从而得到广泛应用。半桥式拓扑结构原理图如图2.4所示。

图2.4 半桥逆变器
方案选择：方案1和方案2都可以作为DC-AC变换器的逆变桥，由两者的工作原理可知，半桥需要两个开关管，全桥需要四个开关管。半桥和全桥的开关管的耐压都为,而半桥输出的电压峰值是，全桥输出电压的峰值是，所以在获得同样的输出电压的时候，全桥的供电电压可以比半桥的供电电压低一半。出于这点的考虑，决定采用全桥逆变，即方案1。
2.1.3 辅助电源方案论证及选择
方案1：线性稳压电路
7805是常用的三端稳压集成电路，其典型应用电路如下图2.5所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。

图2.5 线性稳压电路
方案2：Buck降压变换器
Buck变换器原理电路如图2.6所示，承担开关切换功能的器件常为功率MOS管，输出滤波电容由低频滤波性能良好的大容量电解电容Co1和高频滤波特性良好的小容量CBB电容Co2组成。为防止自激，需增加输入滤波电容Ci1、Ci2。

图2.6 Buck变换器

方案比较：方案1的优点在于可以使用很少的元器件构成辅助电源，但是效率较低。方案2的优点在于效率高，可达90%，且带载能力强，缺点是需要的元器件多，且成本较高。由于辅助电源要位单片机及其他芯片供电，会影响到整个系统的效率，所以采用方案2。
2.2 整体方案
经过方案的对比和分析，总结出了整体的设计方案框图，如下图2.7所示。首先采用DC-DC变换器把12V的直流电压升至52V；在DC-AC逆变器中，为保证输出真有效值为36V且无截止失真和饱和失真的正弦波电源信号，输出电压反馈采用SPWM信号脉宽调节的方式；输出电压使用AD637进行有效值转换后，由STM8单片机进行ADC采样后分析，并在LCD12864屏幕上显示。各模块分析将在单元模块设计中介绍。

图2.7 整体框图
3. 单元模块设计
3.1 DC-DC变换器设计
本DC-DC变换器采用Boost拓扑，完整电路如图X所示。
PWM控制电路由UC3842及其外围电路组成，动态稳定输出电压。UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片，内部结构如图。该调制器单端输出，能直接驱动双极型的功率管或场效应管。其主要优点是其管脚效应少，外围电路简单，电压调整率可达0.01%，工作频率最高达500KHz，启动电流小于1mA，正常工作电流为5mA，并可利用高频变压器实现与电网的隔离。该芯片集成了振荡器、具有高温补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电流、输入和基准欠电压锁定电路以及PWM锁存器电路。

图3.1 UC3842内部结构
整体Boost DC-DC变换器如图3.2所示，主要包括自举电路、PWM控制电路、以及电流采样电路。

图3.2 DC-DC变换器
3.2 DC-AC逆变器设计
DC-AC逆变器采用两个半桥驱动芯片分别驱动全桥的两边场效应管，使其按SPWM波驱动信号交替导通，输出包络与SPWM波相同，功率放大的正弦波信号。
其中驱动芯片采用IR2110芯片。IR2110集成度高，可驱动同一桥臂两路，响应快( ton /tof= 120/94 n s )，偏置电压高(< 600 V )，驱动能力强，内设欠压封锁，而且其成本低，易于调试，并设有外部保护封锁端口。尤其是上管驱动采用外部自举电容上电, 使得驱动电源路数目较其他IC 驱动大大减小，从而大大减小了控制变压器的体积和电源数目，降低了产品成本，提高了系统的可靠性。电路如图X所示。

图3.3 IR2110 驱动电路
桥臂电路如图3.4所示，场效应管采用

图3.4 桥臂电路
3.3 SPWM设计
3.3.1 SPWM波的原理
在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。

图3.5 与正弦波等效的矩形脉冲序列波形
3.3.2 实现方法
一般情况下, SPWM的控制方案有两种,即单极性调制法和双极性调制法。在本设计中，采用了单极性调制方法。
（1）双极性调制方式
双极性调制时，逆变全桥电路的对角功率管（S1/S4，S2/S3）同时开通和关断，两组互补导通，所有功率管均为高频开关。如图3.4所示，每发生一次开关，逆变桥的输出电压UAB为正输入电压或负输入电压，从而在输出电压的半个周期内，UAB在+Ud和-Ud电平之间切换，即+1/-1（或-1/+1）切换方式，整个输出电压周期内得到两态的输出电压波形。
(2）单极性调制方式
传统的单极性调制方式原理如图3.5所示，逆变桥的两个桥臂分别通过三角载波c与正负正弦调制信号（m、-m）相交截分开调制，当对角功率管开通时（S1/S4或S2/S3），逆变桥输出UAB为+Ud或-Ud；当桥臂上部两只功率管（S1、S2）或下部两只功率管开通时，逆变桥的输出UAB为零。这样，每发生一次开关，输出电压UAB在0与+Ud或0与-Ud之间变化，从而在输出电压的半个周期内，UAB为+Ud和0或-Ud和0，即+1/0（0/+1）或-1/0（0/-1）切换方式，整个输出电压周期内所得到三态的输出电压波形。

图3.6 双极性SPWM生成机制

图3.7 单极性SPWM生成机制

本设计采用STM32产生SPWM波形，使用定时器查表的方法，产生四通道两两互补的SPWM信号，如下图3.8所示。

图3.8 STM32产生的SPWM波
3.4 真有效值转换电路设计
AD637是一款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可测量的信号有效值高达7V，精度优于0.5%，3dB带宽为8MHz，可对输入信号的电平以dB形式表示，其内部结构如图3.9所示。

图3.9 AD637内部结构
AD637应用电路如图3.10 所示。芯片采用双5V供电，即转化为有效值输出为0~4V,能供单片机直接采样。

图3.10 真有效值转换电路
3.5 辅助电源设计
辅助电源采用Buck拓扑的DC-DC变换器，利用输入的12V直流电源降压产生5V的直流电源，给STM8单片机、STM32等芯片供电。电路如图3.11所示。

图3.11 Buck电路
4. 控制程序设计
4.1 STM8控制及状态显示程序流程
开始
硬件初始化

液晶屏框架
显示

按键调节
频率？
改变频率值F
AD取样
电压、电流、频率、功率等工作状态显示
结束

图5.1 STM8控制及状态显示程序流程图
4.2 STM32 SPWM控制程序流程
开始
硬件初始化

开始逆变

按键调节
频率？
更新SPWM频率F
使能SPWM
输出
设置SPWM
控制参数
结束
关机指令？

5. 系统调试
5.1 软件调试
（1）MDK软件仿真：通过软件仿真中的逻辑分析仪测试STM32输出的SPWM信号。STM32通过定时器查表的方式，产生四路两两互补的SPWM信号，如图5.1所示。

图5.1 SPWM软件仿真波形
5.2 硬件调试
DC-AC逆变器采用两个半桥驱动芯片分别驱动全桥的两边场效应管，使其按SPWM波驱动信号交替导通，输出包络与SPWM波相同，功率放大的正弦波信号。通过示波器观察输出信号，如图5.2所示。

图5.2 SPWM示波器波形
6. 系统功能及指标参数
6.1 测试仪器
测试中使用的仪器如表6.1所示。
序号
名称
型号规格
数量
1
UNI-T四位万用表
UT56
2
2
LONGWEI双路稳压电源
32V，3A
1
3
MATRIX模拟双踪示波器
20M，MOS-620CH
1
4
电参数测量仪
PM9901
1
表6.1
6.2 测试项目及结论
6.2.1 输出电压波形
如图6.2所示，经SPWM调制，输出的电压信号无明显失真，为标准正弦波信号。
结论：输出波形符合第一项基本要求。
6.2.2 输出信号电压
经测试，输出信号在有负载和无负载的情况下，输出电压有效值接近36V，频率值稳定为50Hz
结论：输出信号频率稳定为50Hz，符合第二项基本要求。
6.2.3 逆变器效率

6.2.4 过压、欠压保护，输出过流保护
本设计有输入过压、欠压保护和输出过流保护，经测试能正常工作。
6.2.5 电压、电流、频率、功率测量及显示误差
经测试，用示波器测量结果与单片机测量及显示误差小。
7. 设计总结
（1）经调试及测试后，题目的大部分要求都已完成。输出信号为标准正弦波，有过压、欠压、过流保护，在输出功率XXW的情况下，效率为XX。在重载输出时
（2）SPWM控制信号由STM32产生，相比于传统的SPWM芯片，STM32主频高、输出频率可由程序编程改变、输出信号稳定。
(3) 由于直流转换芯片AD637的输入信号较大（V级），所以输入输出基本成线性比例关系，输出的直流电压用STM8单片机AD采集及状态显示，测量及显示的误差小。
本设计仍有需要改进的地方。如，由于DC-DC变换器现在，无法输出大功率；无设置空载保护。以后我们将会在这两方面改善该逆变器，事情保护功能更好、输出功率更大。
经过几个星期对开关电源和逆变电源的学习，我们团队收获了许多。其实开关电源是一门特别需要耐心和细心的学科，首先器件的选择很重要，我们通过了经过了多次计算才确定了选用的元器件，如磁芯、漆包线、二极管、电阻电容的选择，在做出了实物后，仍要反复试验，从而提高效率，降低THD。经过这次设计，我们学会了开关电源类产品设计的一般流程，对以后的学习和工作有很重要的作用。

参考文献
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