西安石油大学电子工程学院 马 昭 张建军 赵 雷



一种连续可调正弦波逆变电源研究

西安石油大学电子工程学院 马 昭 张建军 赵 雷

【摘要】本文针对逆变电源体积、重量和设计成本等多方面的不足，设计了一款高效率的100VAC-400VAC连续可调正弦波逆变电源，系统采用STM32系列高速处理器，运用SPWM脉宽调制技术。试验及分析结果表明，系统设计高效可靠。

【关键词】正弦波；逆变电源；SPWM

引言

传统的逆变电源主要采用前级逆变输出，后级通过工频变压器进行隔离升压输出，这种方式特别是在大功率输出时由于具有庞大的工频变压器，增加了设备体积、重量和设计成本，并且效率比较低。本文采用前级升压和后级逆变两个功率变换环节，大大减小了系统体积和重量，而且具有较高的转换效率。

1 系统结构图

系统总体结构图如图1所示。220V交流电压输入，经过全桥不可控整流，再通过高频变压器推挽升压将电压升到650V左右，再将脉冲方波整流为直流，最后采用SPWM[1]调制技术产生单相正弦波。STM32完成输入电压采样，输出电压电流采样，系统具有欠压、过压、短路保护功能。

图1　系统结构图

2 硬件电路设计

2.1 推挽升压电路设计

前级推挽电路[2]采用EE42卧式变压器，MOSFET采用东芝2SK3878，变压器具有RCD吸收电路，降低变压器漏感产生尖峰，保护功率MOSFET不至损坏。另外，从直流电压经过电阻分压取样，通过光耦TLP521隔离将信号送给STM32微控制器的AD输入引脚，当输入电压过压或者欠压时，STM32微控制器禁止输出PWM信号，从而保护系统。

2.2 逆变电路设计

逆变电路应用全桥逆变[3]，采用SPWM单极性调制方式，MOSFET也选用2SK3878，直流母线侧并联高压电容0.1uF/1000V，用于滤除开关管产生的高频干扰。

2.3 滤波电路设计

滤波采用LC滤波，由于测试电压要求产生50HZ工频正弦波，为保证输出电压波形失真小，SPWM载波频率为20KHZ，选用截止频率5KHZ，最终确定LC滤波器参数L=2mH,C=5uF。

3 软件设计

系统微控制器选用意法半导体STM32系列STM32F103ZET6高速处理器，具有72MHZ工作频率，12位高精度AD片内外设，可满足系统精度要求。

软件设计主要包括初始化程序，软启动程序、输入电压采样、输出电压电流采样、前级推挽PWM信号、后级逆变SPWM信号、PI调节子程序、触摸屏显示程序。微控制器上电后先执行初始化程序，再执行软启动程序，检测输入电压是否在180VAC-250VAC之间，没有短路情况下，在触摸屏设置输出正弦波有效值，随后产生前级PWM信号和后级SPWM信号，当有异常发生时，微控制器禁止所有PWM输出。

4 实验结果及分析

正弦波输出波形如图2所示。

在图2中，(a)图为正弦波逆变输出205VAC、50HZ交流；(b)图为正弦波逆变输出257VAC、50HZ交流。图中可见，输出波形良好。

图2　正弦波输出波形

5 总结

文中对连续可调逆变电源方案进行了介绍，系统采用高速STM32微控制器实现了SPWM逆变输出，实验验证了设计方案可行，波形效果较好。

参考文献

[1]刘成.基于PIC单片机的车载SPWM逆变电源设计[D].武汉:武汉理工大学,2012.

[2]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009.

[3]陈坚.电力电子学-电力电子变换和控制技术[M].北京:高等教育出版社,2010.

马昭（1990—），通信作者，男，硕士，主要研究方向：电力电子装置，并网逆变技术研究。

张建军（1957—），男，博士，副教授，主要研究方向：电力电子与电力传动。

作者简介：