一种单相逆变电源的设计

2022-09-11

一、绪论

单相逆变电源是运用控制回路的方法来实现调节输出电压、电流的大小与频率。所以使用调控逆变电路的工作频率与输出时间的比例的方法, 可以实现输出电压或电流的大小和频率依照实际情况下的需求来进行有效地变化;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等[1]。

二、系统设计

本设计采用DC-DC的Boost升压电路以及全桥式DC-AC变换电路两级变换来实现直流到交流的逆变。系统主要包括DC-DC升压部分、DC-DC的控制部分、DC-AC逆变部分、DC-AC逆变控制部分、显示部分.如下图:

三、硬件部分

本设计是直流电压作为输入, 输出电压可调、频率为50Hz的正弦波交流电。本设计运用Boost升压电路与全桥逆变电路进行两次变换。前级Boost升压电路采用STC15F2K60S2芯片产生PWM波, 通过改变PWM波的占空比来改变电压;逆变部分采用驱动芯片IR2110和EG8010芯片完成SPWM的调制, 使SPWM信号通过光耦隔离器控制由开关管MOEFET组成的全桥式DC-AC转换器的工作状态来完成DC-AC的逆变;后级输出利用对电压、电流的采样, 从而实现闭环控制, 增强了电源的稳定性与可靠性[2];

(一) Boost升压式DC-DC电路

MOS开关管的导通与截止受到PWM信号的调控, 因此通过改变PWM控制信号的占空比就能相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流升压, 电路结构较为简单, 损耗较小, 效率较高。

(二) 全桥式DC-AC变换器

DC-AC又叫做逆变电路, 就是把直流电变成交流电的电路。以前的DC-AC是运用直流电动机-交流发电机组来完成的, 因此被叫做旋转交流机。随着电力电子技术的快速发展, 从而使用半导体技术就可以实现DC-AC转换, 这种转换装置叫做静止逆变器, 通常情况下所说的逆变器均指静止逆变器。最常用的单相逆变电路一般是全桥式DC-AC逆变电路[3]。

(三) SPWM调制驱动电路

本设计采用EG8010芯片及辅助电路用于产生SPWM波。EG8010是一款数字化的、功能很完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片, 应用于DC-DC-AC两级功率变换架构或DC-AC单级工频变压器升压变换架构, 外接12MHz晶体振荡器, 能实现高精度、失真和谐波都很小的纯正弦波50Hz或60Hz逆变器专用芯片。在本电路中使用的是EG8010芯片工作模式为单极性调制方式, 也就是调制时仅一桥臂 (EG8010引脚SPWMOUT3, SPWMOUT4) 做SPWM调制输出, 另一桥 (EG8010引脚SPWMOUT1, SPWMOUT2) 做基波输出, 应用时滤波电感需要接在SPWM调制桥臂输出端, 电压取样反馈电路同样需要接在SPWM调制桥臂电感的输出端。

电路中两块IR2110芯片及其辅助电路做为驱动部分。IR2110驱动芯片接受EG8010芯片输出的SPWM信号, 经驱动芯片的内部电路, 输出脉宽信号用于驱动全桥逆变电路中的4个MOSFET管工作。IR2110采用CMOS工艺制作, 逻辑电源电压范围为5-20V, 适应TTL或CMOS逻辑信号输入, 具有独立的高端和低端2个输出通道[10]。而且在逻辑电源地与功率地两者之间可以存在±5V的差值;可在高频率状态下工作, 最大不超过500k Hz;导通、断开所需的延时短, 所需时间是120ns与94ns。

(四) 单片机系统电路

该部分电路使用STC15F2K60S2单片机产生DC-DC的Boost电路所需的PWM波, PWM波的占空比可以通过按键来调节, 通过LCD1602液晶显示器显示输出电压大小。

四、软件设计

在硬件电路的基础上对软件程序进行设计, 系统设计要求实现单片机产生占空比可调PWM波以及对输出采样后进行显示。当按下按键时, STC15F2K60S2芯片产生的PWM波的占空比改变, 从而调节输出端的电压大小。再对输出端的电压采样, 使用STC15F2K60S2芯片自带的A/D变换模块进行模数转换后通过LCD1602显示器显示输出端的电压值。根据系统软件设计要求将软件划分为:PWM模块、ADC转换模块、LCD显示模块。