单相正弦波逆变电源.docx
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单相正弦波逆变电源
单相正弦波逆变电源
宋点，丁庆东，韩金秋
（哈尔淇工程大学信息与通信工程学院，哈尔淇，150001）
摘要：
本单相正弦波逆变电源的设计，以12V直流稳压电源作为输入，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MSP430-5529单片机进行控制；逆变部分采用驱动芯片IR2110进行全桥逆变,利用MSP430-5529单片机完成SPWM的调制，并通过低通滤波器进行滤波，后级输出采用电流互感器进行采样反馈，形成双重反馈环节，增加了电源的稳定性；在保护上，具有输出过载、短路保护、过流保护、空载保护等多重保护功能电路，增强了该电源的可靠性和安全性；输出交流电压通过电压互感器进行采样，再通过MSP430-5529单片机的控制进行模数转换，最终将电压值显示到液晶12864±,形成了良好的人机界面。
该电源很好的完成了各项指标，输入功率为49.17W,输出功率为43.7W,效率达到了88%,输出标准的50Hz正弦波。
关键词：
单相正弦波逆变；DC-DC；DC-AC;SPWMSingle-phasesinewaveinverterSongchen,Dingqingdong,Hanjinqiu
（InformationandCommunicationEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin,150001）
Abstract:
Thedesignofsingle-phasesinewaveinverterpowersuppIy,with12VdevoltagestabiIizerastheinputandoutputof36V,frequency50Hzacstandardsinewave・ThepowersuppIybythepush-puIIinverterandthewholebridge（twoIeveItransformation,inthecontroIcircuit,theformerstageisusedtoboostthepush-puIIMSP430MCUcontroI-5529;InverterpartadoptsIR2110drivechipforthewhoIebridgeinverter,usingMSP430singlechipmicrocomputer5529~compIeteSPWMmoduIation,andthroughthelow-passfiltertofilter,theoutputlevelaftercurrenttransformerforsampIingfeedback,formdoublefeedbackpart,increasethepowerofstabiIity;Inprotection,withitsoutputove门oad,shortcircuitprotection,overcurrentprotection,suchastheprotectionofno-1oadmu11i一protectionfunctionscircuit,enhancethepowersuppIyreIiabiIityandsafety;OutputvoltagethroughthevoltagetransformerforsampIing,againthroughtheMSP430MCUcontrolforthe5529-a/dconvert,wiIIeventualIyvoltagevaIuetoIiquidcrystaIdisplayonthe12864,formingagoodhuman-machineinterface.ThepowersuppIygoodfinisheachindex,theinputpowerof49.17W,poweroutputforW,efficiency
reached43.7%,outputstandardfrequency50Hzsinewave.
Keywords:
Single-phasesinewaveinverter;DC-DC;DC-AC;SPWM
引言
电力电子技术是研究电能变换原理与变换装置的综合性学科，是电力行业中广泛运用的电子技术。
电力电子技术研究的内容非常广泛，包括电力半导体器件、磁性元件、电力电子电路、集成控制电路以及由上述元件、电路组成的电力变换装置，其中电力变换技术是开关电源的基础和核心。
由于生产技术的不断发展，向DC/AC变换器的应用也越来越广泛，主要有直流不停电电源系统（DC-UPS）、航空电源系统、电动汽车等车载电源系统、直流功率放大器以及蓄电池储能等应用场合。
本单相正弦波逆变电源的设计,以12V直流稳压电源作为输入，输出为36V、50Hz的标准正弦波交流电。
该电源很好的完成了各项指标,输入功率为49.17W,输出功率为43.7W,效率达到了88%,输岀标准的50Hz正弦波。
1系统设计
1.1设计要求
设计并制作输出电压为36VAC的单相正弦波逆变电源,输入为12VDC电源，负载为阻性。
基本要求
（1）在额定输入电压Ui=10~14.5V下，输出电压L/orms=36±0.5V,频率fo=5O±O.5Hz,额定满载输出功率50W；
（2）输出正弦波电压，THDW3%；
（3）满载情况下，逆变效率〃三83%；
（4）具有输入过压、欠压保护功能，欠压保护点9±0.5V,过压保护点16±0.5V»当满足过压、欠压条件时，关闭输出；
（5）输出过流保护功能，动作电流/o=1.6±0.1Ao
1.2总体设计方案
1.2.1设计思路
题目要求设计一个输入为12VDC电源，输出电压为36VAC的单相正弦波逆变电源，输出电压波形为正弦波。
设计中主电路釆用电气隔离、DC-DC-AC的技术，控制部分通过MSP430单片机实现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。
12.2方案论证与比较
（1）DC-DC变换器的方案论证与选择
方案一：
推挽式BoostDC/DC变换电路。
推挽式BoostDC/DC变换器的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。
拓扑结构如图1.2.2所示。
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，电感储能后使电压泵升，而电容C可将输出电压保持平稳，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。
图1.2.2Boost升压式DC-DC变换器拓扑结构图
方案比较:
方案一和方案二都适用于升压电路,推挽式DC-DC变换器需要绕制变压器，电路结构复杂,
并且变压器功耗较大，Boost升压式DC-DC变换器不使用髙频变压器，出于电源效率考虑，决左采用方案
（2）DC-AC变换器的方案论证与选择
方案一：
半桥式DC-AC变换器。
半桥式拓扑结构原理图如图1.2.3所示。
方案二：
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，而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压成幅值为X"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丫⑷」全桥式电路如图1・2・4所示。
图1.2.4全桥式电路
方案比较：
方案一和方案二都可以作为DC-AC变换器的逆变桥，由两者的工作原理可知，半桥需要两
而半桥输出的电压u床值是2
V
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"全桥输出电压的峰值是勺^，所以在获得同样的输岀电压的时候，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，决泄采用方案二。
（3）辅助电源的方案论证与选择
方案一：
采用线性稳压器780"
方案二：
采用Buck降压式DC-DC变换器。
方案比较：
考虑到方案一结构简单，可行性髙，易于实现，且效率较高，完全满足比赛要求，故决左采用方案一。
12.3系统组成
系统方框图如图1.2.5所示，先采用DC-DC变换器把12VDC的电压升至60V,保证输岀真有效值为
36V的正弦波不出现截止失真和饱和失真。
输岀电压反馈采用调*i*jSPWM信号脉宽的方式。
该系统采用辅助电源供电供给输出电压、电流测量和输入过压，欠压保护电路以及输出过流保护、短路保护电路使用。
输出电压也使用电压互感器转换后，由单片机ADC采样后分析，在液晶屏幕上显示。
图1.2.5系统组成图
2.单元硬件电路设计
2.1DC-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，通过单片机输出PWM方波，输入直流电压+12V,由于MOS管受到PWM波的控制，当MOS管实现导通和开断，进而实现充放电过程。
2.2DC-AC电路的设计
全桥逆变电路图如2.1.2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
IRF540按驱动信号SPWM波交替导通，输岀功率放大的SPWM波。
图2.2.1DC-AC电路图
2.3SPWM波的实现
本软件利用MSP430f5529产生一个SPWM波。
系统采用32768Hz的钟表晶振，通过采用内部硬件锁频环FLL,来校准DCO频率为系统提供MCLK/SMCLK时钟。
软件流程如图2.2.2：
2.4保护电路的设计
2.4.1输入过压、欠压保护电路的设计
输入过压、欠压保护电路见附件图2.4.1所示。
电路中通过R4、R6、R7实现分压，通过比较器LM339对电压进行比较，当正常时输出为髙电平，当过压或欠压时输出低电平。
2.4.2输出过流保护电路的设计
过流保护电路见附件图2.4.2所示。
通过比较器LM339对电流互感器采样转化的电压进行比较。
当电流过流时比较器输出是髙电平产生保护，等故障消除，比较器输出低电平。
2.4.3空载检测电路的设计
空载检测电路图见附件图2.4.3所示。
使用电流互感器检测电流输出，当没有电流输出时，输出高电平，若仍为空载，则继续上述过程。
若有电流输岀，输出为低电平，连续输出SPWM波形，逆变器正常工作。
2.4.4浪涌短路保护电路的设计
浪涌短路保护电路原理图见附件图2.4.4所示。
当电流高于光藕内二级管导通电流时光藕输出端导通,单片机引脚变成低电平，使SPWM波不输出，关闭场效应管，形成保护，此过程非常快，当故障排除后，光电耦合器输岀关断，逆变器正常工作。
2.4.5电流检测电路的设计
电流检测电路见附件图2.4.5,通过电流互感器采样输出电流，通过一个390Q的电阻转化成电压值，在用AD采样进单片机，由12864液晶显示电流。
2.5辅助电源的设计
辅助电源的电路图见附件图2.5.1,由前级12V蓄电池直接供电，通过两个电容滤波后，经过7805电压转化为5V,通过电容滤波后输出。
2.6低通滤波器的设计
低通滤波器原理图如图2.6.1所示。
低通滤波器采用一阶无源LC低通滤波器，低通滤波器L、C的取值可由下式得到。
C_QL-1
心（2或）（2或）2xC
为了避免磁环电感饱和，Q值取0.1,截止频率为10kHz,经计算，C的值为13.56PF,实取10疔。
L为1.62mH,实取ImH。
3.软件设计
程序流程图如图3.1.1所示。
4.1测试使用的仪器
表4.1.1测试仪器与设备
序号
名称、型号、规格
数虽
备注
1
TDS1012数字存储示波湍（60WHzx1.0GS/s）
1
泰克科技（中国〉有限公司
2
UT70A数字万用表
1
优利德有限公司
3
YB33150函数/任总:
波信号发生器（15MHZ）
1
台湾固纬电子有限公司
4.2指标测试和测试结果
在测试前，先对整机进行调试，系统调试完毕后进行后续测试。
。
4.2.1输出正弦波的测试
将示波器表笔接到输出端，可以观察到标准的50Hz的正弦波波形,THD^3%o波形图
如4.2.1所示。
4.2.2输出功率及效率的测试
（1）测试方法：
测试方框图如图4.2.2所示。
图4.2.2效率测试方框图
1先如图4.2.1布置好测试电路。
2各路输出电压、电流的测量应同时进行。
3开启所有设备，记录输入功率数值及各输出电压、电流值。
4计算出输出功率值。
巴=匕/<,+心。
+…。
7?
=冬xlOO%
5效率勺，A为输入功率。
（2）测试结果与分析：
表4.2.1效率测试结果
电压（V）
电流（A）
功率（W）
输入
12.2
4.03
49.17
输出
36.3
1.204
43.7
由上表可计算得〃=如xl00%=88%o
结论
经过测试后，题目的基本要求都已完成，各项指标都完成的比较好。
在额定输入电压Ui=10~14V下,输出电压UORMS稳左在36V左右，频率•/厂5O±O.5Hz,额龙满载输出功率43W；在输出功率为49.17W的情况下，效率达到了88%。
同时该电源具有过压保护，欠压保护，短路保护，空载保护，过流保护，过载保护的功能，增强了电源的安全性和稳左性。
参考文献:
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