简易逆变电源论文.doc

参赛题目：简易逆变电源

摘要
本单相正弦波逆变电源的设计，以24V蓄电池作为输入，输出为36V、50Hz的标准正弦波交流电。该电源采用推挽升压和全桥逆变两级变换，在控制电路上，前级推挽升压电路采用SG3525芯片控制；逆变部分采用驱动芯片IR2110进行全桥逆变，采用stc89s52单片机编程完成SPWM的调制，后级输出采用串联电阻采样，形成电压反馈，增加了电源的稳定性；在保护上，具有过热保护、短路保护功能电路，增强了该电源的可靠性和安全性；输出交流电压通过AD637的真有效值转换后，再由STC12c5412AD单片机的控制进行模数转换，最终将电压值显示到数码管上。该电源基本上完成了大赛题目所要求的各项指标，输入功率为220W，输出功率为150W，输出50Hz正弦波，效率不低于65%。
关键词：单相正弦波逆变 DC-DC DC-AC SPWM

目录
一.系统设计 4
1.1设计要求 4
1.2总体设计方案 4
1.2.1设计思路 4
1.2.2方案论证与比较 4
1.2.3系统组成 5
二.主要单元硬件电路设计 6
2.1 DC-DC变换器控制电路的设计 6
2.2 DC-AC电路的设计 6
2.3 SPWM波的实现 6
2.4 保护电路的设计 7
2.4.1 过流保护电路的设计 7
2.4.2 空载检测电路的设计 7
2.5 辅助电源的设计 7
2.6 高频变压器的绕制 8
三.软件设计 9
3.1 AD转换电路的设计 9
3.2数码管显示电路的设计 9
四.系统测试 10
4.1测试使用的仪器 10
4.2输出正弦波的测试 10
4.3输出效率的测试 10
4.4结果分析 10
五.结论 11
参考文献 11
附录1 使用说明 12
附录2 主要元器件清单 12
附录3 电路原理图及程序清单 13
一．系统设计
1.1设计要求
制作单相正弦波逆变电源，输入单路24V直流，输出36V/50Hz。满载时输出功率大于150W，效率不小于65%，具备过流保护和负载短路保护等功能。
1.2总体设计方案

系统设计总框图

1.2.1设计思路
题目要求设计一个单相正弦波逆变电源，输出电压波形为正弦波。设计中主电路采用电气隔离、DC-DC-AC的技术，控制部分采用SPWM（正弦脉宽调制）技术，利用对逆变原件电力MOSFET的驱动脉冲控制，使输出获得交流正弦波的稳压电源。
1.2.2方案论证与比较
⑴ DC-DC变换器的方案论证与选择
方案一：推挽式DC-DC变换器。推挽电路是两不同极性晶体管输出电路无输出变压器（有OTL、OCL等）。是两个参数相同的功率BJT 管或MOSFET管，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务。电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推挽式拓扑结构原理图如图1.2.1所示。
方案二：Boost升压式DC-DC变换器。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。
方案比较：两方案都适用于升压电路，推挽式DC-DC变换器可由高频变压器将电压升至任何值。Boost升压式DC-DC变换器不使用高频变压器，升压时 PWM信号的占空比较低，会使Boost升压式DC-DC变化器的损耗比较大。所以采用方案一。
（2）DC-AC变换器的方案选择
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1.2.2所示。
（3）辅助电源的方案论证与选择
方案一：采用线性稳压器7805。
方案二：采用Buck降压式DC-DC变换器。
方案比较：方案一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。方案二的优点在于效率高达90%，缺点是需要的元器件多，且成本较高。由于辅助电源一会影响到整个系统的效率，所以采用方案二。
(4)单片机的比较与选择
方案一:采用MCS-51系列单片机。传统的51 单片机具有价格低廉,使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，RAM、ROM空间小等缺点
方案二：STC12C5412AD工作频率高，程序储存空间大，具有片内PWM、A/D、D/A等功能。
鉴于STC12C5412AD的以上优点，采用方案二。
1.2.3 系统组成
系统方框图如图1.2.3所示，先采用DC-DC变换器把24V蓄电池的电压升至50V，保证输出真有效值为36V的正弦波不出现截止失真和饱和失真。输出电压反馈采用调节SPWM信号脉宽的方式。该系统采用两组相互隔离的辅助电源供电，一组供给SPWM信号控制器使用，另外一组供给输出电压、电流测量电路使用，这样避免了交流输出的浮地和蓄电池的地不能共地问题。因为SPWM控制器输出的SPWM信号不含死区时间，所以增加了死区时间控制电路和逆变桥驱动电路。空载检测电路使得当没有负载接入时，让系统进入待机模式，当有负载接入时，才进行逆变工作模式。同时，空载检测电路也作为过流保护的采样点。输出电流检测使用电流互感器和真有效值转换芯片AD637实现。输出电压也使用AD637进行转换后，由ADC采样后分析，在数码管上显示。
二. 主要单元硬件电路设计
2.1 DC-DC变换器控制电路的设计
DC-DC变换器控制电路如图2.1.1所示。SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。
在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。
2.2 DC-AC电路的设计
全桥逆变电路图如图2.2.1所示。电路采用两个半桥驱动芯片IR2110分别驱动全桥的两边场效应管IRF840按驱动信号SPWM波交替导通，输出功率放大的SPWM波。
2.3 SPWM波的实现
（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。与正弦波等效的矩形脉冲序列波形如图图2.3.1所示。
（2）实现方法

具体程序见附录
2.4保护电路的设计
2.4.1过流保护电路的设计
过流保护电路如图2.4.1所示。此电路是过流保护电路，其中100kΩ电阻用来限流，通过比较器LM311对电流互感器采样转化的电压进行比较，LM311的3脚接一10kΩ电位器来调比较基准电压，输出后接一100Ω的电阻限流它与后面的220µF的电容形成保护时间控制。当电流过流时比较器输出是高电平产生保护，使SPWM不输出，控制场效应管关闭，等故障消除，比较器输出低电平，逆变器又自动恢复工作。
2.4.2空载检测电路的设计
空载检测电路图如图2.4.2所示。使用电流互感器检测电流输出，当没有电流输出时，使三极管9014截止 ，从而使RS_CK为高电平，停止输出SPWM波。8s后，再输出一组SPWM，若仍为空载，则继续上述过程。若有电流输出，使9014导通，从而使RS_CK为低电平，连续输出SPWM波形，逆变器正常工作。
2.5辅助电源的设计
（1）辅助电源一的设计
下图是辅助电源一的电路图，由前级24V蓄电池直接供电，采用Back电路拓扑结构的开关电源，使用的是MAX1776电源管理芯片，它是集成PWM产生电路和场效应管于一体的电源芯片，电路中调节电位器可调节反馈，从而控制输出。它的效率达到95%符合节能的要求，最高工作频率是200kHz。
其中输出电压的计算公式为：
输出电感的计算公式为：
式中，为导通周期，单位为s。为输出电流，单位为A。
（2）辅助电源二的设计
辅助电源二的硬件电路图如图2.5.2所示，采用两节9V电池串联后，中间抽头作为地，经两个电容滤波后可获得±9V电压输出，给AD637供电，+9V电压处再添加一个7805稳压电路，可获得+5V电压输出，给单片机ADC供电。
2.6高频变压器的绕制
根据设计要求，依次根据公式计算参数。
⑴计算峰值磁通。

其中为磁芯有效截面积，的单位为mT，的单位为，的单位为。为了避免偏磁的现象发生，设计时取值为0.15mT，较低于额定值。为148，经计算，的值为22.2。
⑵计算每伏最佳匝数。

其中为导通时间，D为占空比，为频率。
==11.16。

⑶计算原边绕组匝数。
取为20V，经计算，的值为10.06取10匝。
⑷计算副边绕组。 V=1.08×(1.1
为要求输出电压，为二极管和副边绕组压降。此处=50V，=1.2V，得为60.696V。
计算副边匝数。
取=60.696V，所以的值为30.53匝，此处取30匝。
⑸选择导线尺寸和线圈布局。
初级采用1mm直径的漆包线8线并绕10匝，次级采用0.8mm直径的漆包线2线并绕30匝。
三. 软件设计
3.1 ADC0832的控制程序的设计
ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。它体积小，兼容性强，性价比高。ADC0832工作时序图及应用原理图如下所示.
ADC0832的应用原理图如图所示。ADC0832的接线图比较简单，将D0和DI短接，CLK，和D0分别与STC89C52 单片机的端口连接。CH0和CH1分别为电压输入通道0和通道1，此处用到通道0来测量逆变电源输出的电压。
3.2 数码管显示驱动的设计
开发仿真软件使用Keil uVision2，C语言编程。该部分利用STC89C52单片机来控制数码管显示输出电压。程序流程图如图3.2.1所示。

数码管显示电压值

图3.2.1 程序流程图
四.系统测试
4.1输出正弦波的测试
将示波器表笔接到输出端，可以观察到50Hz的正弦波波形，无明显失真。
4.2输出效率的测试
效率测试结果

电压（V）
电流(A)
功率(W)
输入
24
9.33
220

输出
50
3
150
由上表可计算得
4.3 过流保护的测试
（1） 定义：当输出电流大于设定保护值时，系统自动关闭输出，形成过流保护。当输出 电流低于设定保护值时，系统自行恢复正常工作状态。
（2）测试方法：测试方法如图4.2.3所示。在输出端接入3个串联的10Ω的电阻作为负载。在系统正常工作之后，短路其中一个或两个电阻来模拟过流状况的发生。观察系统是否进行过流保护。

图4.2.3 过流保护测试框图
4.4结果分析
经过测试后，题目的基本要求都已完成，各项指标都基本完成。在输出功率为150W的情况下，效率达到了70%。同时该电源还具有短路保护，过流保护的功能。在所测试的项目中，电流显示功能没有成功，原因是AD637部分输出与输入不成线性比例关系，而电流互感器输出是正确的。而电压显示部分，因为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。在重载输出的时候，输出波形失真较严重，原因是前级DC-DC的输出功率不足，又因为在效率测试的时候，效率较高，功率器件均无发热的现象，所以判断是变压器的匝比低了。只要提高变压器的匝比就可以解决。

5. 结论
该单相正弦波逆变电源的输入为24VDC，输出为36V/50Hz交流电。该设计基本完成了各项要求，输出功率大于150W，效率达到了70%。同时该电源具有输出短路保护，过热保护，过载保护的功能，增强了电源的安全性和稳定性,设计中还具有过压保护和欠压保护报警等功能。
参考文献
[1] 胡宴如.模拟电子技术[M].北京：高等教育出版社，2004
[2] 康华光.电子技术基础模拟部分[M].北京:高等教育出版社,2006.
[3] 徐德宏.开关电源设计指南[M].北京：机械工业出版社，2004.
[4] 刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].
[5] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2008.
[6] 郭天祥，51单片机C语言教程[M]. 北京:电子工业出版社,2009.
[7] 黄亚平，高频电子技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

附录1，使用说明
（1）输入端接入24V的蓄电池后，蜂鸣器短鸣一声，若电源未接入负载，则系统会自动进入待机状态，此时红色工作指示灯闪烁。若接入了负载，系统进入逆变工作状态，红色指示灯长亮。
（2）负载不可低于10Ω。
附录2.主要元器件清单
附录2表1 主要元器件清单
序号
名称
型号
数量
1
单片机
STC89S52
2
2
模数转换器
ADC0832
2
3
真有效值转换芯片
AD637
2
4
电源管理芯片
SG3525
1
5
与门
74HC08
1
6
非门
74HC14
1
7
比较器
LM311
1
8
场效应管驱动芯片
IR2110
2
9
整流桥
DB107G
2
10
数码管
WLGD5011A
2
11
场效应管
IRF840
4
12
场效应管
IRF3205
2
13
三极管
9014
1
14
三极管
8050
1
15
二极管
1N4007
2
16
二极管
1N4148
1
17
二极管
HER107
3
18
电解电容
47uF/100V
10
19
CBB电容
0.1µF
22
20
电解电容
10µF
2
21

CBB电容
0.01µF
4
22
瓷片电容
33pF
4
23
晶振
11.05926MHz
1
24
发光二极管
红色
1
25
发光二极管
篮色
1
26
电流互感器
TA1016—2
2
27
电感
2.3ｍH
2
28
电感
10µH
1
29
电感
90µH
1
30
蜂鸣器
/
1
31
精密电位器
20 kΩ
1
32
精密电位器
10 kΩ
1
附录3

图1.2.1 推挽式拓扑结构图

图1.2.2 全桥式电路

图1.2.3 系统方框图

图21.1 DC-DC变换器控制电路图

图2.2.2 DC-AC电路图

图2.3.1 与正弦波等效的矩形脉冲序列波形

图2.4.1 过流保护电路图

图2.4.2 空载检测电路图

2.5.1辅助电源一电路图

2.5.2辅助电源二电路图

3.1.1 ADC0832工作时序图

3.1.2 ADC0832应用原理图
DC-DC及DC-AC电路原理图

图1 DC-DC电路原理图

DC-AC电路原理图

图4 DC-AC电路原理图
SPWM波的实现调试部分程序
org 0000H
LJMP MAIN
org 0030h
main: mov r6,#0f0h
pwm1: mov r0,#10h
setb p1.0
djnz r0,$
mov r1,#90h
clr p1.0
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subb a,02h
mov r1,a
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clr p1.0
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mov a,#82h
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mov a,#80h
subb a,02h
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mov a,#02h
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mov r1,a
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mov a,#02h
add a,#24h
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mov a,#76h
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mov r1,a
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mov r0,a
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mov a,#74h
subb a,02h
mov r1,a
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mov a,#28h
subb a,#02h
mov r0,a
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mov a,#72h
add a,#02h
mov r1,a
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mov r0,a
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mov a,#74h
add a,#02h
mov r1,a
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mov a,#24h
subb a,#02h
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mov a,#76h
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mov r1,a
clr p1.0
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mov a,#22h
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mov a,#78h
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mov a,#80h
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mov a,#18h
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mov a,#82h
add a,#02h
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mov a,#16h
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mov a,#84h
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pwm2: mov a,#10h
subb a,#02h
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mov r6,#0f0h
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mov r1,#90h
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add a,#26h
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subb a,#02h
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mov a,#88h
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mov a,#10h
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mov a,#90h
add a,#02h
mov r1,a
clr p1.1
djnz r1,$

djnz r6,$

ljmp main

end

30