基于单片机的逆变电源设计

赵祖玉 王恒

山东协和学院 山东省济南市 250109

摘 要：为了适应当今新能源发展速度，逆变电源技术也在不断更新换代。本文介绍了一款基于STM32芯片的SPWM逆变电源系统。采用BOOST升压技术和SPWM逆变技术，将180V的直流电转换成220V的工频优质正弦交流电。直流电经过升压斩波电路进入控制电路，在经过LC低通滤波器，滤除高次谐波，得到频率可调的正弦波交流输出。本系统由升压模块，逆变模块，控制模块，反馈模块，保护模块构成具有良好的性能并实现了数字智能化为家用电器提供了一种可靠、优质的交流电源。

关键词：STM32 逆变电源 SPWM 升压斩波电路

1. 课题研究背景和意义

在日新月异的今天，新能源的应用范围越来广阔，而对于如何将其所转化的电输入到电网或者设备所需要的稳压恒频、体积小、重量轻、噪音低、效率高的交流电成为了成为逆变电源研制领域所要解决的问题。

逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它的作用是将输入的高低不同压，大小不同频的电转化为电网、设备、用户所需频率的交流电输出。目前逆变电源所跨领域之大，所涉范围之广

逆变电源的改进不仅能在新能源中有着不可缺少的作用，还在车载电器、野外作业、应急抢险和移动办公中有着重要的地位；而各行各业要求着逆变电源朝着更高的效率，更低的成本和更高的可靠性，还必须环保无污染，但是传统的逆变电源难以实现以上要求。因而研究数字化、模块化的绿色逆变电源技术对当今提出的节能，高效，绿色，环保工业口号实现具有重要意义。

2. 课题研究内容

本论文基于当前新能源发展活跃的背景下市场对逆变电源特定负载性能和外特性功能要求下，设计了一种还具备安全可靠、高效、高功率因素、低噪音、绿色无污染的基于STM32单片机芯片的逆变电源。

3. 系统总体设计

   1. 系统设计指标

采用STM32单片机作为控制主控芯片来设计一款能产生可靠、优质的交流正弦逆变电源。

开关频率：21.5KHz

输入电压：直流电48V

输出电压：交流电220V/50Hz

输出功率：5kw

逆变效率：90％

1. 2. 总体设计方案

本文采用TL494芯片与 STM32芯片来分别控制前一部分直流升压电路和后一部分的逆变电路。前一部分DC-DC 模块采用由电压型脉宽调制控制芯片 TL494控制的 Boost 升压电路，构成电压、电流采样回馈电路，并有着稳压和保护的作用。后一部分DC-AC 逆变模块是利用IR2112驱动芯片来驱动逆变桥，由STM32产生的SPWM信号被IR2112用来驱动。逆变桥的输出电压通过LC低压滤波电路，滤除高次谐波，得到频率可调的正弦波交流输出。

1. 3. BOOST升压电路的设计

Boost升压电路是一种开关直流升压电路，它能够将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。

在充电过程中，开关V闭合。这时开关V相当于导线，输入电压流过电感。。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。二极管的作用是防止电容对地放电。

在放电过程中，开关V断开时，相当于断路。原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了，升压完毕。

该电路以控制芯片 TL494 为核心，控制 Boost 升压电路，构成电压、电流采样回馈电路，并有着稳压和保护的作用。通过电压电流反馈回路，构成一层反馈; 通过软件，构建第二层反馈回路，双重反馈的设计提高了系统的输出电压精 度和稳定性。

1. 4. 系统主电路的设计

单相全桥逆变电路也称为‘H桥’逆变电路，由四个功率开关管及其驱动辅助电构成。工作时T1与T4通断互补、T2与T3通断互补。

当T1、T3闭合，T2、T4断开时:U_o=U_d;

当T1、T3断开，T2、T4闭合时:U_o=-U_d。

T1、T3和T2、T4交替导通，使得负载上获得交流电能。当负载不是纯电阻时，负载电压和负载电流不是同相位，这时开关管的寄生二极管D1-D4则起着电流续流的作用。

输出电压方波电压瞬时值：

输出方波电压有效值：

基波分量的有效值：

1. 5. 控制电路的设计

主控芯片本设计方案选用ST公司研发的一种32位微控制器STM32F103C6T6作为本设计的控制核心。该芯片非常适合本设计的用于数字控制系统，它集成了高性能  ARM® Cortex™-M3 32-bit RISC 核心，以 72 MHz 频率运行， 高速嵌入式内存（闪存高达 32 K 字节，SRAM 高达 6 K 字节），以及连接到两辆 APB 总线的广泛增强型 I/O端口和外围设备，性能优越价格实惠。

驱动芯片本设计使用的是IR2112芯片，经过比较IR2112芯片驱动能力比较强，IR2112是一种高压高速功率MOSFET驱动器，有独立的高端和低端输出驱动通道。

1. 6. 输出滤波电路的设计

LC滤波器也称为无源滤波器，是传统的谐波补偿装置。LC 滤波器一般是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要; 由以上电路可以知道，全桥逆变电路输出的SPWM波形为高压高频的，其中含有正弦波和大量的谐波，波形的质量不大统一，不能直接供给给负载使用。只有通过低通LC滤波电路过滤掉开关管中有害谐波，获得我们所需要的纯正弦波。

1. 7. 采样与输出保护电路设计

在一个完整的电路系统中采样和保护电路时不可缺少的，采样电路可以让系统时刻控制电路运行，而系统如果电压或者电流过大则需要立即停止电路的运行，所以我就基于此目的设计了一个以运算放大器和电阻、电容组成的一个采样及保护为一体的采样保护电路。也可以使用电流互感器和电压型互感器来进行对电路中电流和电压的采样工作，可选择的是德昌电气有限公司产的BCT 系列的互感器用来进行采样。

4. 软件整体设计

软件设计是本设计中的重中之重，本文使用的是Keil 5 MDK 程序软件，可发挥出最大优势使用STM32芯片的硬件资源，用来提升指令执行效率。本文的系统程序主要的任务就是以编程语言为媒介驱使逆变系统的硬件开始正常工作。系统程序主要包括：产生SPWM波形、正弦输出频率、按键功能、串行口通信、采样反馈程序等，而最重要的当属主程序，它需要调动各个子程序来驱使整个系统的运行。

5. 实物组装

软件和硬件设计完成后，就可以采购器件进行实物组装，实物装需要按照电路图进行焊接，各个模块之间也有组装顺序，首先是主电路及其保护模块，其次是控制电路模块和其他辅助模块。

本课题制作的整体逆变器。由蓄电池组产生的直流电经过BOOST电路升压到311V以上，然后输入到逆变主电路。然后stm32单片机控制产生互补SPWM波形通过驱动电路对逆变桥进行调制，最后经过滤波电路后得到我们所需要的交流电。整个电路包含了主电路和辅助电路。直流输入电压48V，开关频率21.5kHz。

6. 总结

本设计以 STM32 芯片为主，采用TL494芯片为负，设计了基于单片机的逆变电源，并介绍了整个逆变系统的主电路、升压电路与控制电路的软硬件设计，使用SPWM正弦脉宽调制更方便的调节逆变电源输出电压和频率。 并进行了实验研究，通过对实验数据分析，证明了本设计的可靠性和灵活性，使各电路设计结构简单、可靠性高、成本 低，同时提高其使用灵活性。因而研究数字化、模块化的绿色逆变电源技术对现阶段提出的绿色，高效，节能，环保的口号实现具有重要意义

参考文献

[1]王明泽,李蔚,郭维波,丁向荣.自适应宽范围直流输入逆变电源设计与实现[J].电源技术,2020,44(11):1675-1678.

[2]李翠花,潘若云,周泽华,李瑶.基于ARM32单相逆变电源的设计与实现[J].安阳师范学院学报,2020(05):90-93.