数字式低压正弦波变频电源研究与实现

马 昭

（西安航空学院 电子工程学院，西安 710077）

近年来，数字控制器越来越多应用于电源中。数字控制器具有较强的抗干扰能力，受外界温度环境影响较小，且具有较高的智能性，方便实现多种控制策略的混合控制，降低了硬件电路的成本。数字控制替代传统模拟控制芯片，使得电源设计和控制更加灵活便捷。本设计使用自带PWM波形发生器的增强型51单片机—STC15W4K32S4系列单片机为控制器实现变频电源设计。利用SPWM控制技术将直流电逆变为交流电，实现变频控制功能。

1 总体结构与分析

本设计总体结构如图1所示，采用增强型51单片机通过内部编程输出SPWM信号来控制全桥电路，以实现电源的逆变。主要可以分为控制电路和功率电路。控制电路主要包含STC15W4K32S4系列单片机控制器、按键控制电路和LCD1602液晶显示电路。功率电路主要包含全桥逆变电路、驱动电路、稳压电路、保护电路和输出滤波电路。用光耦隔离将控制电路与功率电路进行隔离，防止功率电路的高频及大功率对控制电路造成干扰，保护控制器正常可靠的工作。

图1 电源总体结构Fig.1 General structure diagram of power supply

2 硬件电路设计

2.1 驱动及功率主电路设计

功率主电路由MOSFET构成的全桥逆变电路组成。由于单片机产生的SPWM信号不足以驱动全桥电路上的功率器件MOSFET，所以需要通过驱动电路将单片机输出的SPWM控制信号放大进行驱动。本设计采用2片IR2110芯片驱动H桥上的功率MOS管[1]。驱动电路及功率电路原理如图2所示。

图2 驱动及功率主电路Fig.2 Drive and power main circuit diagram

图中C1和C8是自举电容。D1和D6是给自举电容充电的快速二极管，用来防止工作时高电压流入Vcc端口烧坏IR2110芯片。C2和C9是逻辑电源Vdd（采用 5 V）的滤波电容，C5、C6、C10和 C11为功率电源Vcc（采用 12 V）的滤波电容。 D2、D3、D4和 D5也是快恢复二极管，使用1N4148，其作用是当IR2110发出关断MOSFET信号时，给功率器件从导通状态转换为关断状态提供一个快速释放电荷的通道，达到迅速关断的目的，可以降低关断损耗。R2、R3、R7和R8为MOSFET栅极与IR2110的输出之间的限流电阻。R4、R5、R10和 R11为 MOSFET 的泄放电阻，防止静电击穿MOSFET。此设计使用的MOSFET为IRF3710，具有较低的导通电阻，可以降低电源的导通损耗。

2.2 输出滤波参数设计

输出采用LC二阶低通滤波器来滤除逆变电路输出的谐波分量。此次设计采用SPWM信号的载波频率为20 kHz。通常取的LC滤波器的转折频率是逆变电路输出频率的1/10[2]。即LC滤波的转折频率：

在此，滤波器电感L为1 mH，电容C采用5 μF无极性电容。

2.3 过流保护电路

通过电压比较器LM393将输出端的电压与给定的电压作比较从而进行过流保护，利用IR2110驱动芯片的SD端口封锁H0和L0两路的输出信号，关闭SPWM信号，从而关断电源的输出，起到电路保护的作用[3]。

过流保护电路如图3所示，在此使用LM393双电压比较器，LM393内置有2个比较器，此设计只需用到其中1个即可。经全桥逆变输出通过检测康铜丝电压检测桥臂电流I，康铜丝两端的电压经R17及C13组成低通滤波后流入LM393的1IN+引脚，另一个输入引脚1IN-的输入信号为+5 V电压经过R15与R18的分压和R15与C12组成的RC低通滤波得到的的信号。当1IN-侧的电压大于1IN+侧的电压时（即输出电流没有超过保护范围），输出端1OUT输出低电平。当1IN-侧电压小于1IN+测电压时（即全桥输出电流超过保护范围），输出端1OUT输出高电平，置位IR2110上SD端，停止SPWM信号输出。

图3 过流保护电路Fig.3 Overcurrent protection circuit

2.4 光耦隔离电路

为保证控制器安全可靠运行，将控制电路和功率电路进行隔离设计，可有效避免功率电路损坏而损坏控制器。此外，隔离电路设计可避免功率电路对控制器产生高频干扰而死机。光耦隔离电路如图4所示。

图4 光耦隔离电路Fig.4 Optoelectronic coupled isolation circuit

采用光耦合器6N137实现控制电路与驱动电路之间进行电隔离。单片机输出的两路SPWM信号分别输送到6N137的第3引脚Vf-；第2引脚Vf+接控制电路电源；第8引脚接及第5引脚分别接功率电路中稳压电路稳压的+5 V和功率地；由7引脚输出隔离过后的SPWM信号，该引脚需接上拉电阻。

3 软件设计

3.1 SPWM波形设计

STC15W4K32S4系列单片机内部集成有PWM波形发生器，该波形发生器共有6路输出。这6路输出共用同一个由高7位和低8位组成的15为PWM计数器，但是有各自独立的翻转计数器和控制寄存器[4]。由于其各路输出互不影响，所以可以随机使用两路产生本次设计要用到的交替互补的双极性SPWM，并且能方便地调节死区控制、变频等。

此次设计所采用的载频为20 kHz，当单片机晶振选择24 MHz，PWM计数器内周期寄存器的值设为1200时，SPWM输出载频为24000000/1200=20000 Hz=20 kHz。即PWM计数器计数1200个数就归零一次，并且在这1200个数间要输出一个矩形脉冲。上面提到矩形脉冲的占空比由翻转计数器内寄存器的值决定，对于该寄存器值的改变采用查表法来改变，从而达到不间断地输出SPWM波形。

3.2 频率控制

对于频率的控制可以改变载频与正弦波长度之间的比值来改变。此次设计载波频率是起始值为20 kHz。载波20 kHz就是说1 s内输出20000个等幅不等宽矩形脉冲，要输出50 Hz的正弦波就要在1 s内输出50个正弦波，即让正弦表执行50次，每执行1次正弦表就输出1个正弦波。那么正弦表的长度就是20000/50=400，即在载波频率为20 kHz，正弦表长度为400时，输出正弦波将为50 Hz，并且频率精度绝对高。然后通过按键控制正弦表的长度与载波频率的比值从而达到控制输出正弦波频率的效果。

4 试验结果及波形分析

为验证设计结果正确性，制作试验电路板，数字式低压正弦波变频电源实物如图5所示。

图5 数字式低压正弦波变频电源实物Fig.5 Digital low-voltage sine wave variable frequency power source

4.1 单片机输出的带死区控制的波形

死区的设置在SPWM实际全桥控制时起着至关重要的作用，它可以防止因全控型器件因自身的导通关断的反应时间而形成的同桥臂上器件同时导通造成的电路短路，保证全桥电路正常工作。在此设定死区时间1 μs，控制器输出SPWM死区控制波形如图6所示，从图中可以看出死区控制时间为1 μs。

图6 控制器输出SPWM死区控制波形Fig.6 SPWM dead zone waveform

4.2 电源输出正弦波波形

通过按键分别设置输出频率为50 Hz、29 Hz、61 Hz，观察输出电压波形。在图7～图9中分别为数字式低压正弦波变频电源输出的50 Hz、29 Hz、61 Hz的正弦电压波形。从图中可以看出，输出电压波形正弦度均较好。

5 结语

图7 变频电源输出50 Hz电压波形Fig.7 50 Hz voltage waveform of variable frequency power supply

图8 变频电源输出29 Hz电压波形Fig.8 29 Hz voltage waveform of variable frequency power supply

图9 变频电源输出61 Hz电压波形Fig.9 61 Hz voltage waveform of variable frequency power supply

本设计对数字式正弦波变频电源进行设计。通过51单片机作为控制器，完成数字式低压正弦波变频电源的输出。对变频电源的硬件电路和软件分别进行了设计。试验结果表明，通过对按键对输出频率设置可以实现不同输出频率正弦电压输出，输出波形正弦度较好，满足预期效果。

[1]张晓明，卢方民.基于IR2110的H桥可逆PWM驱动电路应用[J].常州大学学报：自然科学版，2012，20（4）：68-72.

[2]杨春华.正弦波逆变电源的研究与设计[D].上海：东华大学，2009.

[3]周官银，吕子勇，马果花，等.电压比较器试验研究[J].试验技术与管理，2012，29（3）：42-44.

[4]陆帅华，王鑫，朱兆青.基于STC15W-4K58S4的高精度SPWM移相控制器设计[J].福建电脑，2015（12）：17-18.