单相正弦波逆变电源的设计精品.docx

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单相正弦波逆变电源的设计精品

毕业设计（论文）

课题名称单相正弦波逆变电源的设计

学生姓名

学号

系、年级专业电气工程系

指导教师

职称教授

2015年5月15日

摘要

正弦波逆变电源在工业领域有着广泛的应用。

该论文设计的功率是30W的单相正弦波逆变电源。

该论文首先对设计的目的、意义和国内外发展现状进行了阐述，以及设计要达到的技术指标要求；然后对逆变的主电路的设计方案进行了论证；接着阐述了逆变电源的详细设计过程，包括主电路中的四个功率MOSFET开关管型号参数的选择、缓冲电路的设计、LC低通滤波器参数的选择、基于STM32单片机的控制电路、基于IR2110驱动芯片的驱动电路等；最后对制作成的实物作品进行了测试和分析，得到了测试数据和波形，经过分析和计算与设计要求相符，验证了设计方案的正确性。

关键词：

正弦波；STM32单片机；脉冲宽度调制；控制电路；逆变电路

Abstract

Sinewaveinverterpowersupplyintheindustrialfieldhasawiderangeofapplications.Thepowerofthispaperis30Wsingle-phasesinewaveinverterpowersupply.Thefirstpapersonthepurpose,significanceanddevelopmentstatusathomeandabroadwereintroduced,andthetechnicalindicatorsofthedesigntomeettherequirements;thenthemaincircuitoftheinverterdesignarediscussed;andthendescribesthedetaileddesignprocessofinvertercircuit,includingthemaincircuitofthefourpowerMOSFETswitchtubetypeparametersselection,buffercircuitdesign,LClow-passfilterparameters,basedonSTM32MCUcontrolcircuit,basedontheIR2110drivingchipdrivingcircuit;finallythephysicalworksproducedweretestedandanalyzed,obtainedtestdataandwaveform,throughanalysisandcalculationareconsistentwiththedesignrequirements,verifythedesign.

Keywords：

Sinewave；STM32Singlechipmicrocomputer；Pulsewidthmodulation；Thecontrolcircuit；Theinvertcircuit

1绪论

1.1设计的目的、意义

逆变技术是一种利用电力电子技术对电能实现转换的技术，这种技术是使输入的直流以交流输出，即DC-AC的直接逆变，但也有交流输入经整流后再逆变的间接逆变，即AC-DC-AC。

逆变技术在电源领域的应用非常广泛，即逆变电源技术。

在电力电子技术不断发展的前提下，逆变电源越来越体现出它的优越性，在各行各业中扮演着重要角色。

逆变电源涵盖电力电子技术、数字电子技术、计算机技术以及自动控制等多种学科，在目前，逆变电源在电源行业中占有很重要的地位[1]。

在航空航天、铁路交通、邮电通信、太阳能、新能源等众多方面，逆变电源发挥着重要作用。

但是，在这些领域对逆变电源的电气特性也提出了更高的要求，电压的幅值、频率的大小和电压波形是衡量电能质量的重要指标，也是表明一个逆变电源能否正常工作的指标。

逆变电源中包含着很强的专业性知识，特别是对PWM技术的应用，它作为一种把直流变成交流的装置，具有很多良好的特性：

①转换频率，逆变电源能将市民用电转换为居民所需要频率的交流电；②转换相数，逆变电源可以把单相的交流电转换成三相的交流电，当然也可以把三相的交流电转换成单相的交流电；③逆变电源可以把直流电转换成交流电；④逆变电源可以把质量不好的市民用电，转换成质量优质的电压稳定，频率稳定的交流电。

所以，有了逆变电源就能利用众多的直流电，例如：

蓄电池，燃料电池，开关电源等，把直流电变成所需要的交流电为电力负载提供电能。

例如像电脑、手机、手持笔记本、数码照相机等各种设备。

同时，在发电厂和变电站，逆变电源常与发电机配套使用，这样可以有效地节约资源，达到经济调度的目的。

特别在风能和太阳能发电领域，逆变电源更是起着不可替代的作用。

1.2逆变电源的国内外现状及水平

传统的逆变电源中的频率可调的电源，只要电源的输出电压和输出频率能够变化，达到应用的要求即可。

然而，今天的频率可调的逆变电源，除了实现调压和调频功能外，还必须达到一定的环保要求，即要制造对环境无污染的绿色变频电源。

基于上述要求，现在的可调频的逆变电源要满足一下要求：

（1）输入的功率因数要高，输出的负载阻抗要低；

（2）逆变电源的暂态响应要迅速，同时要有较高的稳态精度；（3）逆变电源可靠性要好，在安全的前提下，电源的运行要经济、高效；（4）电源要抗电磁干扰，防止因电磁干扰而影响电源的效能；（5）逆变电源要向智能化方向发展。

因传统的频率可调的逆变电源，多采用的是用模拟电路控制电源的技术，要实现较高的要求是很困难的。

所以，为了让逆变电源达到更高的水平，对PWM控制技术的研究和应用就显得各外重要。

这也是国家能提供“安全、可靠、经济、优质”电能的重要一环。

国内的电源技术大致经历了四代：

第一代电源是直流电机的电源，这种电源的缺点是能耗大大，供电效率同时运行时还伴有很大的低频噪音，这些直接影响电源的性能，同时其经济性差，随着电力电子技术的应用，这种电源随即就被淘汰了。

第二代电源是半导体自耦整流式直流电源，这种电源是使用自耦变压器来控制输入电压，电压再经过大功率的可控硅整流管进行整流，就得到一个直流电，这种电源的原理虽然简单，但是操繁琐，最大的缺点就是得到的电压性能差。

第三代电源是可以控制的电源。

第三代电源由于它的可控制性，能得到人们想要的电压，同时它克服了前两代电源的缺点，是现在应用最多的电源。

第四代电源是开关型直流电源，这种电源目前已应用的相当成熟了，并且有逐步普及的趋势。

总之，随着社会的不断的发展，科学技术的进步，为满足人们对电源的需求，电源必将会继续向前发展的[2]。

1.3设计任务和要求

（1）对设计方案进行论证，设计逆变电源的主电路、驱动电路和控制电路，给出各部分电路的详细设计过程和电路元器件参数；

（2）利用单片机监测电源运行参数（如输出电压、频率），并给出利用单片机设计监测电路的电路原理图、程序流程和程序源代码；

（3）正弦波逆变电源输出波形无畸变，且能实现调频和调幅功能；

（4）提供实物装置和完整的电子版论文，并完成3个以上频率的波形输出实验，给出实验结果。

（5）完整的电子版论文，论文要求符合邵阳学院本科毕业设计要求。

1.4设计进度安排

（1）资料查找、文献阅读、熟悉课题（3周）

（2）熟悉单相电压型逆变器的工作原理（1周）

（3）熟悉MOSFET和MOSFET驱动器的工作原理（1周）

（4）完成主电路、驱动电路和保护电路设计、参数计算及实验（3周）

（5）整理、撰写毕业设计（论文）（3周）

（6）准备、进行答辩（1周）

2方案设计

逆变电源是由控制电路，驱动电路，逆变主电路和低通滤波电路等各个模块组成的，其原理方框图如图2.1所示：

图2.1逆变电源的方框图

单相正弦波逆变电源是逆变电源中的一种，它的要求是让输入的直流以正弦波的形式输出，这种技术有很重要的应用价值。

单相正弦波的原理图如图2.2所示：

图2.2单相逆变电源的原理图

为了实现正弦逆变，主电路的选择至关重要。

逆变主电路有半桥逆变电路和全桥逆变电路，因此要对逆变主电路是采用半桥逆变电路，还是全桥逆变电路进行论证。

2.1半桥逆变电路

单相电压型半桥逆变电路的电路图如下图2.3a），这种逆变电路有两个桥臂V1和V2，其中每个桥臂是由一个电力电子的可控器件和一个与该器件反并联着的二极管组成。

这种电路的特点是，在电路的直流侧连有两个串联的足够大的电容，这两个电容的连接点就是直流侧的中点。

输出的负载就连接在直流侧的中点和两个桥臂的中点之间[3]。

图2.3单相逆变电路及其电压和电流的波形

设开关器件V1和V2的栅极信号，在一个周期内各有半个周期正偏半个周期反偏，且二者互补。

当负载为感性时，其工作波形如图2.3b）所示。

输出电压Uo为矩形波，其幅值为Um=Ud/2。

输出电流io波形随负载情况而异。

设t2以前V1为通态，V2为断态。

t2时刻给V1关断信号给V2开通信号，则V1关断但感性负载中的电流io不能立即改变方向，于是VD2导通续流。

当t3时刻io降为零时，VD2截止V2开通io开始反向。

同样，在t4时刻给V2关断信号，给V1开通信号后，V2关断，VD1先导通续流，t5时刻V1才开通。

当V1或V2为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量；而当VD1或VD2为通态时，负载电流和电压反向，负载电感中储存的能量向直流侧反馈，负载电感将其吸收的无功能量返回到直流侧。

反馈回的能量暂时储存在直流侧电容中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。

当可控器件是没有门极可关断的晶闸管时，必须附加强迫换流电路才能正常工作。

半桥逆变电路的突出的优点是电路简单，使用的电力电子器件少。

但是这种电路有着明显的缺点，它的缺点是输出的交流电压的幅值Um仅为Ud/2，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。

因此，半桥电路常用于几千瓦以下的小功率逆变电源[4]。

2.2全桥逆变电路

单相电压型全桥逆变的电路图如图2.4a），两个半桥电路的组合。

其中，开关器件V1和开关器件V4组成一对，开关器件V2和开关器件V3组成另一对，并且要求成对的桥臂要同时导通，同时关断，各对开关管要交替各导通180°。

Uo波形同图2.4b）。

图2.4单相电压型全桥逆变电路及其电压波形

从电路图及开关管各个时段的通断情况，可以计算出，全桥逆变电路的输出的电压Uo比半桥逆变电路的输出电压Uo要高一半，即全桥电路的电压幅值是Um=Ud，也就是说全桥逆变电路的输出电压的幅值要增加一倍。

全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。

下面对其电压波形作定量分析。

把幅值为Ud的矩形波Uo展开成傅里叶级数后可得到公式2.1，这个公式只计算到5次谐波，因为随着谐波的次数增加，高次谐波对基波的影响就越小，由经验可知当达到11次谐波时，就几乎没有太大的影响了[5]。

这些理论的计算对逆变电路实现正确的逆变有着总要的理论意义。

2.1

其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为公式2.2和2.3。

2.2

2.3

虽然，半桥的逆变电路和全桥的逆变电路都可以作为直流变要交流（DC-AC）逆变电路的逆变主电路。

但是，经过以上的分析可知，这两种电路的工作原理还是有很大的差别的。

其中，半桥逆变的电路只需要两个电力电子的开关器件，而全桥的逆变电路则需要四个电力电子的开关器件。

尽管，全桥所需的器件是半桥的两倍，但是，在半桥和全桥的开关管的耐压都为VDC的情况下，半桥逆变电路的输出的电压峰值是VDC/2，而全桥逆变电路的输出电压的峰值是VDC，因此在获得同样的输出电压的情况下，全桥逆变电路的供电电压比半桥逆变电路的的供电电压要低一半。

从基于这方面的分析，我决定采用有四个开关器件的全桥逆变电路作为主电路。

3单相电压型正弦波逆变电源的主电路设计

3.1主电路开关管参数的确定

我用

，

的电阻作为负载，流过主电路的电流有1.22A，查资料可知型号为IRF540N的MOSFET管满足要求。

经过方案论证后，主电路采用的是全桥逆变电路，即H桥。

单相电压型桥式逆变电路，的输入电压是12V，由四个MOSFET开关管组成逆变桥，经滤波电路后到负载[5]。

其主电路图如下图3.1所示。

图3.1逆变电路的主电路图

3.2缓冲电路

缓冲电路在电力电子中是必不可少的，有了它的存在，电路的性能将得到很大的改善。

缓冲电路（SnubberCircuit）又称为吸收电路，它的主要作用是抑制电力电子器件在工作时的过电压（du/dt）和其在工作时的过电流（di/dt），目的是降低开关器件的开关损耗。

缓冲电路应用在电力电子中，是为了使开关设备在工作时得到想要的电压和电流波形。

由于电力电子器件工作在开关状态，它的开通和关断时间虽然很短，但这个很短的开通和关断时间对电路性能有着很大的影响。

因此，对开关时间的分析也是必不可少的。

在电力电子器件开通的一瞬间，它的等效阻抗很大，这时假如通过开关设备的电流迅速提高，该器件就会产生很大的开通损耗；器件一旦开通，就相当于一个导线，耗能很小，而它在接近完全关断时，通过它的电流还是很大，这时假如加在器件上的压迅速提高，该器件就会产生很大的关断损耗。

无论是开通损耗，还是关断损耗对电力电子器都是不利的，严重的发热会烧毁器件。

主电路中缓冲电路图如图3.2。

图3.2MOSFET的缓冲电路

经过电力电子的学习，知道在电力电子器件中，常用的开关器件有不可控型的电力电子器件电力二极管（PD），半控型的开关器件晶闸管（SCR），全控型的开关器件有门极可关断晶闸管（GTO），电力晶体管（GTR），电力MOSFET以及IGBT等器件。

在这些器件中，如果流过器件的电流太大，特别是对功率晶体管（GTR），就会对晶体管造成二次击穿，造成不可逆转的损失。

所以，在电路中安装缓冲电路是很好的保护措施。

当然，在实际的电力电子电路中，有些开关器件还常由于二极管、晶闸管等的反向恢复电流而增加电力电子器件的开通电流，同时由于感性负载或导线的分布电感等原因造成器件关断时承受很高的感应电压。

采用缓冲电路可以改善电力电子器件的开关工作条件[6]。

3.3逆变电源LC滤波电路

当SPWM波经过主电路后，如果没有滤波电路那么得到的波形依然是SPWM波，不会是正弦波。

因为，四个开关管的功能是在SPWM波形的的脉冲下，按照PWM控制原理去开通和关断器件，并没有滤除高次的谐波。

由于在输出的波形中有高频率的谐波存在，不能直接去驱动负载，因为谐波的存在会让主电路损坏。

所以，要在主电路中的输出端加一个低通滤波器，滤除高次谐波得到平滑的正弦波。

要得到一个良好的的正弦波，滤波器参数的选择很重要。

在逆变电源中，最常用的滤波器分

型和

型两种。

由于要滤除高频率的谐波，所以要采用低通滤波器。

在主电路中，我采用的低通滤波器的电路图如图3.3所示。

图3.3

型低通滤波的电路图

由于输出的正弦波的基波主要是100Hz的正弦波，另外还含两倍开关频率的高频分量（20KHz），要获得高精度的正弦波信号在输出端应加入低通输出滤波器滤掉高频分量，在这里使

型低通滤波器，其截止频率与L和C之间的关系如公式3.1。

=

3.1

系统的输出频率为

，开关频率为

，这里截止频率需满足如下条件满足：

100HZ<

选择截止频率为1000Hz，由系统的额定输出功率30W，额定输出电压12V[7]。

取

由公式3.1可得

。

经验证得当L=3.66

，C=

时，滤波效果最理想。

4单相正弦波逆变电源的控制电路和驱动电路的设计

4.1PWM控制电路及其调制方法

在阐述PWM技术原理前，需要提到采样控制理论中的重要结论：

冲量相等而形状不等的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

所谓冲量，即窄脉冲的面积。

而效果相同，是指该环节的输出响应波形基本相同。

根据这个结论，可以用一系列等幅不等宽的脉冲来代替正弦波，或其它信号波。

图4.1为一个与正弦半波等效的PWM脉冲波形，由于脉冲宽度按正弦规律变化，也称为SPWM波。

发SPWM波有计算法，调制法和跟踪控制法，其中常用的是调制法。

现就，计算法和调制法进行阐述[8]。

图4.1PWM控制的基本原理

4.1.1计算法

所谓计算法，就是通过数值计算来发出PWM波形。

就是根据所要得到的正弦波的频率、幅值和正弦波的半周期脉冲数，经过计算后，能准确的计算出所需要的PWM波的各脉冲宽度和间隔，根据这些数据来控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。

计算法的原理很简单，但实际操作起来很困难。

这种方法的缺点是计算繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都会跟着不断变化。

4.1.2调制法

与计算法相比，调制法就有很强的实用性。

所谓调制法就是，以期望的输出的波形作调制信号，把等腰三角波或锯齿波作为载波，对调制信号进行调制后就得到期望的PWM波。

其中，以等腰三角波作为载波信号的应用最多，因为等腰三角波的任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；当此载波信号与任一平缓变化的调制信号波相交时，让开关管保持通断，这样就能在输出端得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。

按照这种理论，要想发出SPWM波，就把调制波设置为想输出的正弦波，载波设置为三角波，就可以得到想要的SPWM波。

当然，调制信号波可以是任意的波形，当调制信号不是正弦波时，而是其他所需波形时，也能得到与之等效的PWM波。

现就用四个MOSFET的全控型的开关管的单相桥式电压型逆变电路，如图4.2对调制法进行详细的阐释：

设负载为阻感负载，工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。

其控制规律是，Uo正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，V1和V4导通时，uo等于Ud，V4关断时，负载电流通过V1和VD2续流，uo=0，负载电流为负区间，io为负，实际上从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud，V4断，V3通后，io从V3和VD1续流，uo=0，Uo总可得到Ud和零两种电平。

在Uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平[9]。

图4.2单相桥式PWM逆变电路

调制法还可分为单极性调制和双极性调制。

单极性调制，就是调制波为期望的波形，而载波的三角波只有在半个周期有波形，也就是说三角波要么在半个周期是正的波形，要么是负的波形。

在载波与调制波的交点时刻发出脉冲信号，去控制开关管。

这就是单极性的控制方式；双极性调制，就是载波在半个周期内是正负同时存在的，而调制波依然是期望的波形，在调制波与载波的交点处，发出脉冲信号，去控制开关管。

关于如何采用单极性和双极性的PWM控制方法去控制开关管的方法如下，其中ur为调制波信号，uc为载波信号。

（1）对单相全桥式逆变电路采用单极性PWM控制方式：

在载波ur和调制波uc的交点时刻，用脉冲去准确控制MOSFET的通断。

在ur的正半周时，要让V1要保持导通，V2要保持关断，当ur>uc时要让V4保持导通，同时要让V3要保持关断，这时uo=Ud，当ur

在ur负半周时，要让V1保持关断，而V2保持导通，当uruc时让V3保持关断，而V4保持导通，这时uo=0，虚线uof表示uo的基波分量[10]。

其波形如图4.3所示

图4.3单极性PWM控制方式波形

（2）对单相全桥式逆变电路采用双极性的PWM控制方式：

在ur半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也是有正有负。

在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平，仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件通断。

ur正负半周对各开关器件的控制规律相同，当ur>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断的信号。

如在io>0时，要给V1和V4保持导通，如在io<0，VD1和VD4保持导通，这时uo=Ud，当ur0时，VD2和VD3保持导通，uo=-Ud。

波形如图4.4所示。

图4.4双极性PWM控制方式波形

单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制。

我采用单极性调制方式来控制四个开关管，得到所需的波形[11]。

4.2用STM32发双极性的SPWM波

4.2.1关于STM32单片机

STM32系列单片机是为了满足一些具有性能高效，成本低廉和功率消耗低的嵌入式应用系统，而专门设计的具有ARMCortex-M内核的新型单片机。

STM32F105和STM32F107的STM32系列的两种单片机是互连型系列的微控制器。

在这两种控制器出现之前，意大利和法国的半导体公司就已经推出一系列的品种。

具体有：

STM32基本型系列、USB基本型系列、增强型系列、互补型系列；并且，现在的一些新型系列产品一直沿用其增强型系列的具有72MHz处理频率的内核。

这些控制器的内存有64KB到256KB的FlashRAM，同时还有20KB到64KB的嵌入式的SRAM。

现在的新系列产品大多都采用LQFP64、LQFP100、LFBGA100这三种封装方式。

但是，不同的封装形式必须要保持引脚的排列是一致的。

按照STM32开发平台的设计内容的具体要求，使用这种处理器的人员要能利用该产品具有可不断优化的功能，能选择合适的存储器，去能达到一定的设计要求同时要尽量去控制芯片的引脚数[12]。

还要能够用最优化的外部硬件电路去达到设计需要。

STM32的具体性能如下：

（1）STM32的内核：

具有32位的ARMCortex-M3的CPU，其最高的工作频率是72MHz，以及1.25DMIPS/MHz。

能够进行单周期乘法和硬件除法运算。

（2）存储器：

STM32控制器的芯片上集成的有32-512KB的FlashRAM，还有6-64KB的SRAM。

（3）时钟电路、复位电路和电源保护电路：

此控制器是由2.0-3.6V的电源供电，同时为I/O接口提供驱动电压。

具有POR、PDR和PVD三种传感器，有4到16MHz的晶振电路。

这款微处理器内嵌有8MHz的RC振荡电路，它内部具有40kHz的RC振荡电，这些电路作为CPU时钟的PLL。

此外，带校准的震荡电路是用于RTC的32kHz的晶振电路。

（4）低功耗：

STM32有3种低功耗的模式：

休眠模式、停止模式和待机模式。

这些模式可作为RTC和VBAT。

（5）调试模式：

它有串行调试（SWD）模式和JTAG接口的调试模式。

（6）DMA通道：

这种控制器有12个通道的DMA控制器。

它支持的外设有：

定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。

（7）3个12位有US级的16通道的A/D转换器：

它的A/D测量范围是0-3.6V，并且是双采样和具有保持能力。

这个控制器上集成有一个温度传感器。

还具有2通道的12位D/A转换器，但这种通道是STM32F103xC，STM32F103xD才具有，此通道技术还有待提高。

（8）有最高可达112个的快速I/O口：

根据STM32的不同系列的型号，这种控制器可以有26个I/O，37个I/O口，51个I/O口，80个I/O口和112个I/O口，并且，这些端口都可以映射