一种SPWM逆变电源的设计

陈黎敏

常州信息职业技术学院机电工程学院 江苏 常州 213164

0 引言

目前，在现代通讯设备、高铁、车载用品等各个国民经济领域都普遍应用低压小功率逆变电源作为存贮电源。在电力智能保护领域，为了保证电力停电的情况下能够快速检修，也需要应急备用电源，把备用的直流24V电源转换成交流220V/50 Hz电源。

随着新型电力电子器件和电力电子技术的发展，采用高频大功率器SPWM全桥逆变方案可以彻底改变传统工频变压器的体积大、效率低等缺陷。该方案采用先进的高速嵌入式单片机实现推挽升压、全桥逆变实现逆变，同时前后级之间完全隔离，实现输入过/欠压保护、输出过载/短路保护、过热保护等多重安全保护功能，使逆变系统可靠、安全。

1 SPWM逆变电源组成

逆变电源通过嵌入式片上系统管理，采用推挽升压和全桥逆变两级变换，如图1所示。

直流电压正极接于变压器原边的中心抽头，负极接于开关管S1S2的中点，控制MOS管S1及MOS管S2轮流导通，在片上系统监控下变压器原边即形成高频的交流电压，经过变压器升压、整流和滤波在电容C1上得到约370V直流电压。对S3~S6组成的逆变桥采用正弦脉宽调制，逆变输出电压经过电感L、电容C2滤波后，形成220V/50Hz的正弦波交流电。高频变压器同时实现前后级之间的隔离，提高了系统的安全性。直流端输入电压22~27V，输入最大电流15A，考虑一倍的余量，推挽电路开关管S1及S2耐压不小于30V，正向电流不小于30A，选用IRF250N。

为使电路可靠运行，嵌入式单片机对升压高频变压器输入电压进行监控使直流电压最低时满足副边电压保持在350V，直流电压最高时副边电压同时维持在350V附近，以免损坏元器件。同时也必须考虑绕线上的电压降和发热问题。选EE型铁氧体磁芯，原副边绕组为7匝：300匝。变压器副边输出由4个二极管组成整流桥，滤波电容选用100μF/450V电解电容。

根据输出功率的要求，输出电流有效值保持在0.6~0.7A，考虑一定的电压和电流余量，逆变桥中的S3~S6选用IRF940。逆变部分采用单级性SPWM控制方式，开关频率fs=6.4kHz。

图1 硬件框图

2 单极性SPWM控制算法

该逆变电源由推挽升压和全桥逆变两部分组成。前级推挽升压电路由PWM专用芯片TL494控制并与变压器实现电压反馈控制。后缀逆变电路由嵌入式单片机PIC16F73对母线电压采样，实现电压前馈控制。

正弦脉宽调制SPWM技术是目前应用最广泛的脉宽调制技术，采用单极性SPWM的载波为单极性的不对称三角波，生成单极性的方波组成的输出电压。因为输出电压中包含零电平，因此单极性SPWM只能应用于全桥逆变电路。单极性SPWM的控制信号为一组高频（载波频率fc）脉冲和一组低频（调制频率fs）脉冲，每组的两例脉冲相位互补。由三角载波和正弦调制波的几何关系可以得到，在k＞＞1时，高频脉冲的占空比D为：

3 PIC单片机的软件实现

PIC16F73是MICROCHIP公司的一款八位中档MCU，16F73内部有两个CCP模块，都可以工作在PWM模式下，且共用TIMER2时钟模块，产生一致的时钟输出，CCP输出引脚可产生10位分辨率可调的方波，设定CCPRxH值就可以设定占空比，设定PR2值就可以设定脉冲周期。脉冲占空比D可以表示为：

由于在本设计中，应用了单极性全桥逆变SPWM调制方式，所以可用公式（1）和公式（2）联立，得到：

现选择单片机工作频率4MHz，根据脉冲周期Tc=［（PR2）+1］×4×Tosc和频率比K＝Tg／Tc，现选取PR2＝156，K＝128则有Tg＝20ms。 选调制比m＝0.923，N＝128，即一个周期中包含128个脉冲。由公式（3）得到

考虑到正弦波的90°对称性，把一个正弦周波分成四个象限，则第二个象限（第32―63）个脉冲输出为

第三个象限（第64―95）个脉冲输出为

第四个象限（第96―127）个脉冲输出为

针对PIC16系列单片机的控制灵活但运算查表难操作的性能特点，充分利用正弦波的90°对称性，只需在90°区间内建立一个对应幅度输出的查找表；为了减少查表时间，可以利用相邻两个值变化不大的规律，以及PIC16F73的TMR2模块通过分频器产生的硬件特点，用每一个点对应PWM输出维持2个周期再产生一个中断修改一次脉宽值，减少了一半的查表量，增加了控制速度，而波形精度基本保持不变。经过精心选择，可以确定每一个象限内细分16个PWM控制点，四个象限共64个点，耗时128个PWM，此时单片机工作频率为4MHz，SPWM调制频率为6.4KHz，正弦波频率为60Hz，PWM周期为156μs。

为了控制全桥的互补输出，要有一个与SPWM相对应的50Hz的低频脉冲来控制半桥导通，利用CCPR2模块来实现该目标。

正弦波的PWM输出在TMR2的中断里处理，流程框图如图2所示。

图2 中断流程框图

4 实验结果

根据以上结论，对样机进行了实验，输出波形如图3所示，符合设计所需要求。该电源可以在输入电压从22V到27V电压波动下实现220V±10V，频率50Hz±0.5Hz的正弦交流电压输出。直流分量控制在1V以内，电压波形畸变率保持在5%以内，具有一定过载能力。

图3 输出波形图

5 结束语

本文详细阐述了SPWM正弦波的软件实现方法，并基于此设计应用于电力智能保护产品CDA901－1重合器控制器中。该电源采用嵌入式单片机SPWM控制方式，简化了电路，仅需修改程序就可实现各种频率交流电的输出，开发出不同专用产品，以适应不同用户的需求。

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