基于单片机设计逆变稳压电源.docx

基于单片机设计逆变稳压电源.docx

《基于单片机设计逆变稳压电源.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机设计逆变稳压电源.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机设计逆变稳压电源

摘要

电源是电力电子技术的主要应用领域之一，随着新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新的控制技术的出现与应用，逆变电源技术得到越来越广泛的应用。

本系统是由单片机构成的逆变稳压电源，叙述了数模信号相互转换、传感器、硬件原理、电路原理图、辅助电路图、软件流程图以及整体的框架图。

各个电路的原理及其编程作用等。

主要是了解并掌握电力电子器件IGBT的原理和使用，并用电源的逆变技术设计出一台基于单片机控制的新型高效率正弦波逆变电路

关键词：

逆变稳压电源　单片机　SWAP

Absrtact

Powerispowerelectronicsoneofthemajorapplicationareas,alongwithnewelectroniccomponents,newmagneticmaterials,newconversiontechnologies,theemergenceofnewcontroltechnologiesandapplicationofinvertertechnologyismorewidelyused.Thissystemisconstitutedbyasinglechipinverterpowersupply,describesthedigital-analogsignalconversion,sensors,hardwareprinciple,circuitdiagram,auxiliarycircuit,thesoftwareflowchartandtheoverallframeworkofthemap.PrimarilytounderstandandmastertheprincipleofpowerelectronicdevicesandtheuseofIGBTandinvertertechnologywiththepowertodesignaNewMicrocontroller-basedsinewaveinverterefficiency

Keywords:

inverterpowersupplymicrocontrollerSWAP

第1章绪论

1.1电源技术的发展概况

电力电子技术就是利用半导体功率开关器件、电力电子技术和控制技术，对电气设备的电功率进行变换和控制的一门技术。

上个世纪80年代以来，由于半导体器件，电子技术等的不断推陈出新，电力电子技术有了突飞猛进的发展，其对工业发展所产生的巨大作用，被各国的专家学者称为人类社会继计算机之后的第二次的电子革命，它在世界各国工业文明的发展中所起的关键作用可能仅次于计算机【1】。

电源是电力电子技术的主要应用领域之一，随着新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新的控制技术的出现与应用，逆变电源技术得到越来越广泛的应用。

电源技术的发展，大体经历了几个阶段：

由磁放大式到硅二极管整流式，再到可控硅（晶闸管）整流式，直到发展到逆变式（开关式）。

采用逆变技术，可使所设计的电源具有许多方面的优越性：

1.可灵活地调节输出电压或电流的幅度和频率通过控制回路，我们可以控制逆变电路的工作频率和输出时间的比例，从而使输出电压或电流的频率和幅值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。

2.可将蓄电池中的直流电转换成交流电或其他形式的直流电，这样就不会因为交流电网停电或剧烈变化而影响工作。

3.可明显地减小用电设备的体积和重量，节省材料在很多用电设备中，变压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量，如果我们将变压器绕组中所加电压的频率大幅度提高，则变压器绕组匝数与有效面积之积就会明显减小，变压器的体积和重量明显地减小了【2】。

4．采用逆变技术的电源还具有高效节能的优越性，表现在如下几个方面：

1）在许多应用交流电动机的场合，在其负载变化时，传统的方法是调节电动机的通电时间所占比例，这样电动机就会频繁地制动、起动。

而电动机的起动、制动消耗的能量往往很大，如使用变频电源来调节电动机做功的量，则可节约很大一部分能量。

2）采用逆变技术的电源，其变压器的体积和重量大大减小了，也即减小了铁心横面积和线圈匝数。

变压器本身的损耗主要包括原、副边铜耗和铁芯损耗，铁芯横面积和线圈匝数的大幅度减小也就大大降低了铜耗和铁耗。

因此，采用逆变技术大大提高变压器的工作频率，使得变压器的损耗变得比工频工作时小得多，从而达到节能的目的。

3）传统的、采用工频变压器的整流式电源设备的功率因数一般在0.5-0.8之间，这是因为其电流谐波成分和相移角都比较大。

在逆变电源中，如果用功率因数校正技术，能使输入电流的谐波成分变得很小，从而使功率因数约为1，节能的效果非常明显。

5.动态响应快、控制性能好、电气性能指标好由于逆变电路的工作频率高，调节周期短，使得电源设备的动态响应或者说动态特性好，表现为：

对电网波动的适应能力强、负载效应好、启动冲击电流小、超调量小、恢复时间快、，输出稳定、纹波小。

6.电源故障保护快由于逆变器工作频率高、控制速度快，对保护信号反应快，从而增加了系统的可靠性。

另外，现代越来越复杂的电子设备对电源提出了各种各样的负载要求，一个特定用途的电源，应当具有特定的负载性能要求和外特性，同时还应当具备安全可靠、高效、高功率因数、低噪音的特点，另外，无电磁干扰、无电网污染、省电节能也是我们应当认真考虑的设计要求。

电源技术发展到今天，已融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，已从多学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率电子学【3】。

1.2本课题完成的主要任务

本课题的主要任务是了解并掌握电力电子器件IGBT的原理和使用，并用电源的逆变技术设计出一台基于单片机控制的新型高效率正弦波逆变电路，

本课题所设计逆变电源的参数要求：

（1）输入电压：

市电三相电源380VAC±10％；

（2）输出电压：

输出为单相220VAC（有效值）、频率为50Hz的稳压电源；

（3）输出功率：

3KW，允许过载10％；

（4）稳压精度：

小于±2％。

第2章基本原理

2.1IGBT管的基本原理与特性

绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor）简称IGBT，因为它的等效结构具有晶体管模式，所以称为绝缘栅双极型晶体管。

2.1.1IGBT的工作原理

1.IGBT的工作原理

N沟道IGBT通过在栅极－发射极间加阈值电压

以上的（正）电压，在栅极电极正下方的P层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的

层注入电子。

2.1.2IGBT的特性与参数特点

1.IGBT的伏安特性和转移特性

IGBT的伏安特性如图2-2（a）所示，它反映在一定的栅极－发射极电压

与

的关系。

越高，

越大。

值得注意的是，IGBT的反向电压承受能力很差，从曲线中可知，其反向阻断电压

只有几十伏，因此限制了它在需要承受高反压场所的使用。

图2-2（b）是IGBT的转移特性曲线。

当

（开启电压，一般为3－6伏）

图2-2IGBT的伏安特性和转移特性

时，IGBT开通，其输出电流

与驱动电压

基本呈线性关系。

当

时，IGBT关断。

2.IGBT的参数特点

（1）IGBT的开关特性好，开关速度快，其开关时间是同容量GTR的1/10。

IGBT的开通过程是从正向阻断状态转换到正向导通的过程。

IGBT的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程。

（2）IGBT的输入阻抗高，可达109－1011欧姆数量级，呈纯电容性，驱动功率小，这些与VDMOS相似。

（3）与VDMOS和GTR相比，IGBT的耐压可以做得更高，最大允许电压UCEM可达到4500伏以上。

（4）IGBT的最高允许结温为

。

VDMOS的通态压降随结温升高而显著增加，而IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。

2.1.3IGBT的保护

IGBT与电力MOSFET管一样具有极高的输入阻抗，容易造成静电击穿，故在存放和测试时应采取防静电措施。

IGBT作为一种大功率电力电子器件常用于大电流、高电压的场合，对其采取保护措施，以防器件损坏显得非常重要。

（1）过电流保护

IGBT应用于电力系统中，对于正常过载（如电机起动、滤波电容的合闸冲击以及负载的突变等）系统能自动调节和控制，不至于损坏IGBT。

对于非正常的短路故障要实行过流保护。

通常的做法是：

①切断栅极驱动信号。

只要检测出过流信号，就在2us内迅速撤除栅极信号。

②当检测到过流故障信号时，立即将栅压降到某一电平，同时启动定时器，在定时器到达设定值之前，若故障消失，则栅压又恢复到正常工作值；若定时器到达设定值时故障仍未消除，则把栅压降低到零。

这种保护方案要求保护电路在1-2us内响应。

（2）过电压保护

利用缓冲电路能对IGBT实行过电压抑制并抑制过量的电压变化率

。

但由于IGBT的安全工作区宽，因此，改变栅极电阻的大小，可减弱IGBT对缓冲电路的要求。

然而，由于IGBT控制峰值电流能力比VDMOS强，因此在有些应用中可不用缓冲电路。

（3）过热保护

利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时主电路跳闸以实现过热保护。

2.2逆变技术及其原理

通常，把交流电变成直流电的过程叫做整流；完成整流功能的电路叫做整流电路。

与之相对应，把直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路则称为逆变电路，而实现逆变过程的装置叫做逆变设备或逆变器。

现代逆变技术就是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门科学。

这们学科是建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、半导体变流技术、脉宽调制（PWM）技术、磁性材料等学科基础之上的一门实用技术【29】。

2.2.1现代逆变技术的分类

现代逆变技术种类很多，其主要的分类方式如下：

1.按逆变器输出交流的频率，可分为工频逆变（50∽60Hz）、中频逆变（400Hz到十几KHz）、高频逆变（十几KHz到MHz）。

2.按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。

3.按输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。

4.按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。

5.按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管逆变、IGBT逆变等等。

6.按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。

7.按输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。

8.按控制方式，可分为调频式（PFM）逆变和调脉宽式（PWM）逆变.

9.按逆变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、定频硬开关式逆变和定频软开关式逆变【7】。

2.3SPWM控制技术

如图2-8（a）我们将一个正弦波半波电压分成N等分，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到如图2-8（b）所示得脉冲列，这就是SPWM波形。

正弦波得另外半波可以用相同得办法来等效。

可以看出，该PWM波形的脉冲宽度是按正弦规律变化，称为SPWM波形。

图2-8

第3章系统硬件设计

3.1系统总体介绍

本次设计的目的是研制一种输入为市电三相380V，输出为220V，50Hz的交流稳定电压，输出功率为3KW的单相稳压电源。

考虑到所设计的系统为大功率电源，所以我们在这考虑使用SPWM逆变技术，图3-1为所设计的系统框图。

图3-1系统框图

该系统的工作原理是三相电源380V经整流滤波变成直流电压，然后经SPWM全桥逆变，变成220V的SPWM电压，再经输出滤波电路滤波为220V、50Hz正弦波交流电压输出，另外，系统中CPU根据输出采样电压值来控制SPWM波发生器输出的SPWM波形参数，SPWM发生器产生的SPWM波经四个驱动隔离电路去驱动逆变电路，从而把整流滤波后得到的直流电逆变成稳定交流电。

该系统CPU采用AT89C51，SPWM波发生器采用SA4828三相SPWM波发生器，这里我们只使用其一相输出波形，驱动隔离电路采用富士公司生产的EXB841，主电路采用高压整流模块和IGBT模块，输出采样模块使用ADC0809。

由于本系统的控制核心器件是AT89C51，所以我们在此对该器件作一下介绍：

AT89C51是美国ATMEL公司生产的，该单片机采用高密度，非易失存储技术，将闪烁存储器（即flashmemory或PEROM）和MCS-51系列单片机相结合。

该单片机不但和MCS-51系列单片机完全兼容，更以其便利的电擦写功能和低廉的价格而拥有很高的性能价格比。

适用于各种需要较高灵活性的嵌入式控制应用领域。

AT89C51单片机芯片有40个引脚，是用CMOS工艺制造的芯片，采用双列直插封装（DIP）和方形封装方式。

图3-2为它的引脚图，说明如下：

1.主电源引脚Vcc和Vss

Vcc：

接＋5V电压。

Vss:

接地。

2.外接晶振引脚

XTAL1：

接外部晶振的一个引脚。

在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。

当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

片内反相放大器输出端。

外接晶振时，XTAL2和XTAL1各接晶振的一端，借外接晶振与片内反相放大器构成振荡器。

3．输入/输出引脚

P0.0-P0.7：

双向三态I/O口。

在访问外部存储器时，分别输出低8位地址线和8位数据线。

在对内部EPROM编程时，用于数据的输入和输出。

P1.0-P1.7：

8位双向I/O口。

对EPROM编程时，用于接受低8位地址。

P2.0-P2.7：

8位双向I/O口。

在访问外部存储器时，输出高8位地址。

在对内部EPROM编程时，用于接受高8位地址。

图3-2AT89C51引脚图

P3.0-P3.7：

8位双向I/O口。

每个引脚都有各自图3-2AT89C51引脚的第二功能：

P3.0为RXD（串行输入口）；P3.1为TXD（串行输出口）；P3.2为INT0（外部中断请求输入端0）；P3.3为INT1（外部中断请求输入端1）；P3.4为T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）；P3.5为T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）；P3.6、P3.7为

、RD（片外数据存储器写/读选通信号输出端）。

4．控制引脚

ALE/PROG：

地址锁存有效信号输出端。

PSEN：

片外程序存储器读取选通信号输出端。

RST/Vpd：

复位端。

当Vcc掉电期间，Vpd如接备用电源V可用于保存片内RAM中的数据。

EA/Vpp：

片外程序存储器选用端【21】。

3.2系统主电路设计

下面我们分别来介绍主电路的各个部分：

3.2.1输入EMI滤波器的设计

1、高频电源中的噪声问题

电源中，噪声是指直流基础电源输出电压中的脉动成分以及其他的交流分量。

有些噪声来自设备外部，如大负荷用电设备起动造成电网电压瞬时跌落、工频波形失真等。

有些噪声来自设备自身，如在功率转换电路中开关管从导通到截止或从截止到导通的瞬态过程中，高速脉冲波形的电流、电压，尤其是脉冲上升、下降沿，其中包含丰富的高次谐波分量易产生噪声，另外，在开关管高速工作时，非线性元件、传输导线分布电感、电容容易发生寄生振荡，加上器件本身高频特性的差异均有可能产生噪声。

电源中的噪声，按传导与辐射两种方式传播，按对负载的影响，可分为共模噪声、差模噪声和辐射噪声。

这里共模噪声是指主回路与机壳间传导的噪声；差模噪声是指回路中的常态噪声；辐射噪声既包括外界通过空间向电源辐射的噪声，又包括电源对外辐射的噪声。

2、EMI滤波器在本系统中，为了抑制交流电网和电源之间的相互干扰，在交流电网和电源输入端之间加上EMI（电磁干扰）滤波器，一方面，加上EMI滤波器后，可以消除来自电网的各种干扰对系统的影响，如电动机的启动，电器开关的合闸和关断，雷击等产生的尖峰干扰；另一方面，该滤波器也可以防止系统产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。

EMI滤波器主要由工频低通滤波器和共模抑制元件组成，在本系统设计中我们选用北京克普锐特电子技术有限公司生产的KT-3H4-20型三相三线滤波器。

3.2.2输入整流滤波电路的设计

本课题设计的电源在额定状态下的技术要求为：

输出电压220VAC，率3000W，属于大功率电源，为了保持三相交流电源的对称性和减小电源滤波电容等原因，大功率电源一般采用三相电源作为供电电源。

因此，本采用三相桥式整流，滤波电感和滤波电容组成输入整流滤波电路。

一、三相桥式整流电路的设计

1、整流桥的耐压：

整流二极管的峰值反向电压为:

（3-1）

取50％的裕量

（3-2）

2、整流桥的额定电流

电源的输出功率为3KW，是确定值，所以电源的输入功率就随着电源的效率变化而变化，计算时取电源效率最差时的值，设

此时电源的输入功率

（3-3）

最大输入线电流

（3-4）

根据以上计算我们选用取富士公司生产的2RI60G-120（60A/1200V/2单元串联）型号整流模块三个连接而成桥式整流回路。

二、输入滤波电容的设计

输入滤波电容的值决定于输出保持时间和直流输入电压的纹波电压的大小，且要在计算流入电容器的纹波电流是否完全达到电容器的容许值的基础上进设计。

三相电源经过整流后，输出直流电压，此时通过直流回路的平均电流最大值

为

（3-5）

为三相电源电压最低时整流输出的直流电压的平均值

（3-6）

计算单相全波整流电路滤波电容的经验公式是

因为三相全波整流电路的基波频率为单相整流电路的3倍，所以计算三相整电路的滤波电容公式为：

（3-7）

所以

三、输入滤波电感的设计

我们可以根据保持负载电流连续的要求来选择滤波电感L设最小负载功率

则

（3-8）

所以

取4mH。

3.2.3逆变器和输出滤波电路的设计

一、IGBT的选择

1、耐压

当输入电网电压为最高输入电压时，经整流滤波后输出的最高直流电压为

（3-9）

考虑各种因素的影响取50％的裕量，则IGBT的最低耐压为

（3-10）

2、IGBT的电流

在一些参数未知的情况下，我们需要估算IGBT的电流，以便选择IGBT管。

输入电网电压经输入整流滤波后，直流母线上的最大直流电流为

（3-11）

其中

（3-12）

所以可选择IGBT的额定电流为25A。

综上所述，在本系统设计中，我们可选择日本富士公司生产的2MBI25L-120（2单元25A/1200V）型IGBT管，该管耐压1200V，电流容许值为25A。

二、输出LC滤波电路

经全桥逆变器输出的电压中，逆变开关频率一般都比较高，从几KHz到几MHz的都有。

对几KHz至十几KHz的脉冲电压进行滤波时，一般对纹波电压要求不是太高，所以可以忽略滤波电解电容等效串联电阻（ESR），并且频率不高时，其等效串联阻抗ESZ也不大，影响也不严重。

但是，随着频率的升高，电解电容引线电感L造成的等效串联阻抗ESZ就会上升，明显地增加输入电压的纹波。

所以计算LC参数，要分别情况根据工作频率范围设计。

允许电抗器的电流波动峰－峰值

逆变器输出脉冲电压峰值

由于逆变器输出的是SPWM电压，所以在设计滤波LC参数时，我们可以考虑

如下情况：

当滤波输出的平均电压V0=311V，此时

、

，所以

由式

，得

，

所以L取15mH。

设电容上电压纹波为3V，由式

，得

，取10uF。

所以L为工频电感，电感量可选为15mH，为减小噪声，选闭合铁芯，如OD型硅钢铁芯（400Hz）或铁粉芯铁芯。

C为工频电容，可以选CBB61-10uF-250VAC。

3.3采样电路及A/D转换电路

因系统输入市电电压是波动的，而输出要求是稳定的220V电压，所以需经采样电路采样输出电压，得到的模拟量再经过A/D转换电路转换为数字量，然后送往单片机，单片机通过一定的算法使输出电压稳定在220V。

1.采样电路

本系统的采样电路如图3-8所示，输出电压经变压器变压后再经整流堆整流，输出的是脉动的电压，此电压再经电阻R3和电容C1组成的滤波器滤波后，成为稳定的直流电压，经可变电阻R4调节后送往A/D转换电路。

我们可以调节电路，使得当系统输出电压有效值是220VAC时，电路输出电压是2.5VDC，该电路可在系统输出电压的一定变化范围内具有线性关系。

图3-8采样电路图

2.A/D转换电路

采样电路得到的模拟信号必须经A/D转换器转换为数字量后才能送往单片机进行处理。

本系统中，我们采用ADC0809，它是CMOS工艺、采用逐次逼近法的8位A/D转换芯片，28脚双列直插式封装，片内除A/D转换部分外还有多路模拟开关部分。

ADC0809最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，图3-9是它与单片机AT89C51的接口电路。

ADC0809由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器以及地址锁存译码器等组成。

其引脚功能说明如下：

图3-9ADC0809接口电路

IN0~IN7为8个输入通道的模拟输入端。

D0~D7为8位数字量输出端。

START为启动信号，加上正脉冲后，A/D转换开始进行。

ALE为地址锁存信号，高电平时把三个地址信号送入地址锁存器，并经译码器得到地址输出，以选择相应的模拟输入通道。

EOC为转换结束信号，是芯片的输出信号。

转换开始后，EOC信号变低；转换结束时，EOC返回高电平。

这个信号可以作为A/D转换器的状态信号来查询，也可以直接用做中断请求信号。

CLK为时钟信号，最高允许值为640KHz。

VREF（+）和VREF（-）为A/D转换器的参考电压。

图3-9为ADC0809与AT89C51的接口，在此，我们采用查询方式。

这里将ADC0809作为一个外部扩展并行I/O口，由于只采样一个通道值，所以在此我们采用固定寻址法，只寻址IN0通道，另外，由P2.7和

联合控制启动转换信号端START。

启动ADC0809的工作过程是：

先由ALE信号锁存通道地址000，后由START有效启动A/D转换，即执行一条MOVX@DPTR,A指令产生WR信号，使ALE、START有效，锁存通道号并启动A/D转换。

A/D转换完毕，EOC端发出一正脉冲供单片机查询，最后执行MOVXA,@DPTR产生

信号，打开输出锁存器三态门，8位数据就读入到CPU中。

ADC0809的时钟取自AT89C51的ALE经二分频双D触发器之一后的信号（接CLK端）。

当A/D转换完毕，AT89C51读取转换后的数字量时，需使用MOVXA,@DPTR指令，在如图3-9所示的接口电路中，ADC0809与片外RAM统一编址，在使用MOVX指令时一个周期内丢失一个ALE脉冲，但这不影响A/D转换的时间。

3.4SPWM波产生芯片SA4828及其应用

3.4.1SA4828工作原理

SA4828是MITEL公司推出的一种专用于三相SPWM信号发生和控制的集成芯片。

它既可以单独使用，也可以与大多数型号的单片机接口。

该芯片的主要特点为：

全数字控制；兼容Intel系列和Motorala系列单片机；输出调制波频率范围0－4KHz；16位调速分辨率；载波频率最高可达24KHz；内部ROM固化3种可选波形；可选最小脉宽和延迟时间（死区）；可单独调整各相输出以适应不平衡负载；看门狗定时器。

图3-10SA4828引脚

1.SA4828引脚功能

SA4828采用28脚的DIP和SOIC封装，其引脚如图3-