純正弦波逆變器電路圖（一）

基于高性能全數(shù)字式正弦波逆變電源的設(shè)計(jì)方案

逆變電源硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括直流推挽升壓電路、正弦逆變電路、輸出濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路、主控制器和點(diǎn)陣液晶構(gòu)成。其中，直流升壓部分將輸入電壓升高至輸出正弦交流電的峰值以上的母線直流電壓，正弦逆變部分將母線直流電壓逆變后經(jīng)輸出濾波電路得到正弦式交流電，采樣電路則對(duì)母線電壓、母線電流、輸出電壓、輸出電流、輸入電壓進(jìn)行采樣，以實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)、過壓欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、閉環(huán)穩(wěn)壓等功能。驅(qū)動(dòng)電路的功能是將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的邏輯電平進(jìn)行匹配放大，以滿足驅(qū)動(dòng)功率管的要求。控制電路的功能是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)功能。點(diǎn)陣液晶的功能是顯示系統(tǒng)工作信息，如果輸出電壓、電流以及保護(hù)信息等。

圖2

1）主控制器

主控制器選用STM32F103VE增強(qiáng)型單片機(jī)，STM32系列單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司專門為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。此單片機(jī)采用哈佛結(jié)構(gòu)，使處理器可以同時(shí)進(jìn)行取址和數(shù)據(jù)讀寫操作，處理器的性能高達(dá)1.25 MIPS/MHz.支持單周期硬件乘除法，最高時(shí)鐘頻率72 M，最大可達(dá)512 kB片上Flash及64 kB片上RAM.同時(shí)具有多達(dá)30路PWM及3個(gè)12位精度的ADC等眾多適合做逆變及電機(jī)驅(qū)動(dòng)的外設(shè)。在本系統(tǒng)中用于產(chǎn)生PWM、SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理，以完成穩(wěn)壓反饋及保護(hù)功能，并驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣液晶顯示系統(tǒng)信息。考慮實(shí)際的功率管及驅(qū)動(dòng)芯片的速度，升壓PWM波的頻率為20 kHz，逆變SPWM波的頻率為18 kHz.根據(jù)調(diào)制方法的不同，SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)形式可以分為：雙極性、單極性和單極性倍頻。由于雙極性調(diào)制失真度小，故本設(shè)計(jì)中SPWM采用雙極性驅(qū)動(dòng)方式。

2）點(diǎn)陣液晶

選用LPH7366型點(diǎn)陣液晶，具有超低功耗的特點(diǎn)。用于顯示系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)，如輸出電壓、輸出電流、輸入電壓等信息。同時(shí)指示系統(tǒng)是否處于保護(hù)以及處于何種保護(hù)狀態(tài)。

3）輔助電源

為系統(tǒng)不同部分提供不同的電壓電需求，由直流輸入電壓經(jīng)LM2596—5 V降壓到5.0 V后一部分為采樣電路供電，另一部分經(jīng)LDO穩(wěn)壓器LM117—3.3 V穩(wěn)壓到3.3 V供處理器及點(diǎn)陣液晶使用。同時(shí)，由推挽變壓器的一個(gè)輔助繞組得到20 V左右的電壓，經(jīng)整流濾波及LM2596-ADJ穩(wěn)壓到15 V后供驅(qū)動(dòng)電路使用。

4）驅(qū)動(dòng)電路

選用東芝半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的高速光耦隔離型IGBT/MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片TLP250.TLP250具有隔離電壓高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、開關(guān)速度快等特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)電路的原理圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

在推挽升壓驅(qū)動(dòng)（U1、U2）中，TLP250負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值與電流的匹配，而對(duì)于全橋逆變驅(qū)動(dòng)（U3、U4、U5、U6），不但要考慮驅(qū)動(dòng)電平和驅(qū)動(dòng)能力，還要考慮好上下管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離問題。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，全橋逆變的上管驅(qū)動(dòng)（U3、U5）采用了自舉供電的方式，減少隔離電源的使用數(shù)目。

對(duì)逆變橋的驅(qū)動(dòng)電路，為避免上下管直通，設(shè)計(jì)中需要考慮死區(qū)問題。STM32單片機(jī)的PWM模塊具有死區(qū)功能，本設(shè)計(jì)采取了軟件死區(qū)方法。這樣做的另一個(gè)好處是，對(duì)不同的功率管只需改變軟件設(shè)計(jì)即可獲得最佳的死區(qū)參數(shù)。

5）采樣電路

輸出電壓采樣用于反饋穩(wěn)壓，輸出電流采樣用于過載保護(hù)，母線電流采樣用于短路保護(hù)，母線電壓采樣用于限制母線電壓虛高，輸入電壓采樣用于輸入過壓/欠壓保護(hù)。輸出采樣中使用了電流互感器與電壓互感器，大大減小了系統(tǒng)干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性。取樣電路的原理圖如圖4所示。

圖4 取樣電路原理圖

對(duì)于輸出電流取樣，本設(shè)計(jì)中使用了5 A/5 mA電流互感器。由于電流互感器的輸出為毫伏級(jí)的交流信號(hào)，為了能夠被單片機(jī)內(nèi)部AD模塊采集到，必須將其整流成直流信號(hào)并加以放大。而普通二極管整流電路對(duì)毫伏級(jí)電壓是無效的，因此，此處采用了由運(yùn)算放大器（U11，LM3 58）構(gòu)成的小電壓整流電路。實(shí)際測(cè)試表明，該電路有效解決了毫伏級(jí)信號(hào)的采樣問題。

純正弦波逆變器電路圖（二）

下圖為前級(jí)電路圖，此電路采用了光藕隔離反饋，工作在準(zhǔn)閉環(huán)模式。輕載或者空載時(shí)，由于變壓器漏感，輸出可能超壓，容易穿后級(jí)和電容。此時(shí)占空比減小輸出降低，當(dāng)負(fù)載變大后，電路逐漸進(jìn)入開環(huán)模式，以確保足夠的電壓和功率輸出。

純正弦波逆變器電路圖（三）

下圖為后級(jí)電路圖

本電路優(yōu)點(diǎn)：

1.電路極簡(jiǎn)單，可能為世界上最簡(jiǎn)單的分立SPWM電路

2.單電源寬電壓供電（10V-30V）

3.輸出最大占空比高，仿真時(shí)最大占空比已經(jīng)接近100%.這將導(dǎo)致母線電壓利用率高，母線電壓340V就足夠產(chǎn)生230V的工頻正弦交流電。

4.隔離輸出，受外圍電路干擾少。

如圖，LM7809將電池電壓降為穩(wěn)定的9V，這使得電路可以在寬電源（10V-30V）情況下工作，左上角紅圈里的2N5551和2N5401等元件組成了虛擬雙電源，將正9V變成正負(fù)4.5V的雙電源。

NE555及周邊元件組成頻率約為20KHz的高線形度三角波振蕩器，如圖，在NE555的2和6腳可以得到在3V和6V之間運(yùn)動(dòng)的三角波。

IC1為L(zhǎng)M324，IC1A及周邊元件組成50Hz工頻正弦振蕩器，產(chǎn)生幅度4.5V的正弦波（對(duì)于產(chǎn)生的虛地），圈一電位器將這個(gè)正弦波幅度分壓到3.5V.IC1B和IC1C及周邊元件組成精密整流電路，將正弦波變成3V幅值的饅頭波。這個(gè)饅頭波要去和NE555的三角波比較，三角波和饅頭波的幅值雖然向同，都是3V，但是這個(gè)饅頭波的最低電位比三角波的高1.5V.因此，IC1D及周邊元件組成減法電路，將饅頭波整體下調(diào)1.5V，這樣三角波和饅頭波就可以比較了.LM393B進(jìn)行比較工作，產(chǎn)生同相位的SPWM波，此波與LM393A組成的正弦波-方波轉(zhuǎn)換器輸出的同步方波送入CD4081等組成的編碼電路進(jìn)行編碼，產(chǎn)生最終驅(qū)動(dòng)功率管的SPWM信號(hào)。兩個(gè)20K電阻和47P電容用于產(chǎn)生死區(qū)于高頻臂.SPWM1和SPWM2用于驅(qū)動(dòng)高頻臂，50HZ1和50HZ2用于驅(qū)動(dòng)工頻臂。

本電路設(shè)計(jì)巧妙的地方之一就是虛地和實(shí)地的轉(zhuǎn)換.LM393A之前電路是工作在虛地狀態(tài)的，而LM393之后的電路卻變成了實(shí)地。因?yàn)?.5V的交流（對(duì)于虛地）對(duì)于實(shí)地來說是個(gè)9V的脈沖.LM393B周邊電路也是類似原理。

純正弦波逆變器電路圖（四）

下圖就是全硬件純正弦波逆變器的H橋電路圖。

下臂的IRFP460采用光藕直接驅(qū)動(dòng)，上臂的IRFP460采用自舉電容+光藕驅(qū)動(dòng)。工作原理簡(jiǎn)述：當(dāng)下臂導(dǎo)通時(shí)，高頻橋的功率管的中點(diǎn)相當(dāng)于接地，此時(shí)220uF的自舉電容通過FR107和下臂管充電，當(dāng)下臂管關(guān)斷上臂導(dǎo)通時(shí)，220uF電容與地隔離，當(dāng)TLP250內(nèi)部三極管導(dǎo)通后，相當(dāng)于給上臂管的GS之間施加一個(gè)電壓，因此上臂管可以在與之對(duì)應(yīng)TLP250的控制下導(dǎo)通和關(guān)斷。

1mH電感和一個(gè)400V 1uF電容用來完成高頻濾波的任務(wù)，把高頻SPWM方波變成50Hz的正弦波。

純正弦波逆變器電路圖（五）

用單片機(jī)制作的純正弦波逆變電源電路