基于C8051F410的单相正弦波逆变电源的设计

孙立辉

（吉林化工学院 信息与控制工程学院，吉林 132022）

0 引言

随着电力电子技术的飞速发展，逆变电源的应用越来越广泛。目前，正弦波逆变电源的关键之一是SPWM的产生，常以DSP为控制芯片产生SPWM信号[1～3]，还可以用一些专用的单片机（如8051F系列）也可实现此功能。本文设计一种以C8051F410单片机作为控制核心的逆变电源，介绍逆变电源软硬件结构，并确定每部分参数的确定原则。

1 结构原理

本系统采用C8051F410单片机作为控制核心，产生SPWM驱动信号，实现对逆变主电路的控制，并对输出电压电流进行检测和显示。系统输入+12V直流电，输出220V、频率为50Hz的交流电，可以为一般性的负载提供电源。系统的主电路结构主要分为MOS管组成的逆变模块、C8051F410单片机组成的控制及驱动模块、DC-DC升压模块和辅助模块四个模块，设计方案框图如图1所示。

图1 设计方案框图

2 电路设计

2.1 控制及驱动模块

2.1.1 单片机最小系统

单片机是系统的主控制部分，采用C8051F410单片机。C8051F410器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU，具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F41x器件是真正能独立工作的片上系统。单片机的最小系统如图2所示。

图2 最小系统电路

2.1.2 死区电路

在单相正弦波逆变系统中，同一桥臂上的两个开关器件是工作在互补状态下，由于开关器件的关断时间通常大于开通时间，急易会产生“直通”，现象，从而损坏损坏开关管。因此，在使用中，通常上下开关管的导通和关断错开一定的时间，以保证同一桥臂的上、下开关管总是先关后通[4]。死区电路如图3所示。将两路相位差180°的SPWM分别经过反相器和与门电路，产生极性相反的两路SPWM，同时使用RC电路产生死区时间[1]，R1=47K，C7=22PF，因此死区时间。

图3 死区电路

2.1.3 逆变桥驱动电路的设计

由于本系统主电路为强电电路，控制单元为弱点电路，为了防止干扰采用光电隔离措施。本设计中采用TLP250作为开关管的驱动芯片，它既保证了很高地隔离功率驱动电路与PWM脉宽调制电路，同时可以直接驱动MOSFET[5]，驱动电路如图4所示。

图4 驱动电路

2.2 DC-DC升压模块电路的设计

2.2.1 升压驱动电路的设计

本系统升压模块输入的额定电压为12V（蓄电池提供），输出为311V。选用SG3525芯片设计出DC/DC升压驱动电路。由于SG3525产生的两路反向方波可以控制MOSFET的导通与关闭，并且SG3525输出的直接推挽方式可大大增强它驱动能力[6]。本设计输出部分采用桥式整流，在输出端加有分压电阻，用以调节控制输出占空比来稳定输出电压，具体升压驱动电路如图5所示。

图5 SG3525升压驱动电路

振荡器频率f由外接电容CT和电阻RT决定，如式(1)：

代入R17、C21、R21计算得到f=98.4KHz。输出频率为49.2KHz。

第11脚、第14脚产生两路相位相差半个周期的脉冲信号，经过图腾柱输出，增大输出级驱动能力。

2.2.2 升压电路结构

常用的DC/DC变换器拓扑结构有单端反激变换器、单端正激变换器、半桥变换器、全桥变换器、双管正激变换器和推挽变换器。而推挽变换器比较适合于低压输入中小功率的应用场合。升压电路结构如图6所示，采用开关管栅极连接10Ω电阻，限制电压尖峰的产生，同时在源极连接10K电阻，在开关管关断时释放电荷。变压器采用推挽式拓扑结构，初级中心抽头连接输入电源，次级采用快恢复二极管整流，电容滤波输出直流电。根据变压器的计算公式如式(2)所示，可以计算所需要磁芯Ap值 。

图6 升压电路拓扑结构

其中，Ton为开通时间，PO为额定功率，BΔ为变压器的磁通密度，η为变压器的效率，Kwin为变压器磁芯填充系数，Kc为磁芯填充系数，j为允许的电流密度。综合考虑采用EE40磁芯。EE40的磁芯Ae为127.00mm2，AW为173.23mm2。

在低压满载时输入电压Uin，开通时间Ton最大，故按输入电压最低和输出满载的状况下计算变压器原边绕组匝数如式(3)所示：

推挽变换器中mBB2=Δ，实际中取Bm=0.16。最大占空比Dmax取0.5，输入最低电压Uinmin=10V，F=49.2KHz，Ae=127mm2，代入计算得到变压器初级匝数N1=2.03。取N1=2匝。副边绕组匝数如式(4)所示：

两式中Uinmin为输入最大电压，最大占空比Dmax取0.5；UO，UD，Uf分别为输出电压，二极管两端电压，电容压降，Uinmax=12V，UD=1V，UO=311V。因此N2=55。

系统设计P=100W，输出电流i=0.5A，则电流有效值。线径电流密度J=4A/mm2。考虑留有余量，采用d=0.5mm铜线绕制。原边电流I=10.41A，采用d=0.9mm铜线四线并绕。

2.3 逆变模块

逆变主电路如图7所示。图中DC-OUT为直流输入电源，Q7，Q8，Q11，Q12为四个开关管，由此构成全桥逆变电路。该电路共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成，桥臂中开关管Q7和Q11同时导通（关断），同时Q8和Q12同时关断（导通），两对交替各导通180°。

图7 逆变主电路

本设计中，需产生交流220V，直流310V，功率100W。因此选用IRFP840型号MOSFET，其耐压值500V，耐流值8A，满足了电路的要求。

在逆变桥输出的电压是正弦调制波，含有丰富的谐波。为了消除高于50Hz的谐波，应在系统中设置合适滤波器。本系统中采用LC型滤波器[7]，其电路如图8所示。

图8 LC滤波器示意图

由自动控制理论可知，此滤波器的传递函数如式(5)所示：是一个典型的二阶系统，假设负载为电阻R，其转折角频率nω和阻尼比ζ可由式(6)和式(7)得到。

有控制理论知识可知此二阶系统的转折频率为-40dB，其转折频率由nω决定，实践中经常是截止频率fs=0.1fn，其中fn为转折频率。本设计中SPWM取60点，因此载波频率fn=6KHz，fs=600Hz。

在设计二阶系统时，经常取ξ=0.707，此时系统调节时间短，超调量小，系统性能最佳，因此，由P=100W，U=220V得R=484Ω4。取L=4mH，计算出C=17.5uF。

2.4 辅助模块电路

2.4.1 过压保护电路

为了获得逆变电源的运行状态需要对逆变电源的输出电压进行检测，检测输出电压，当过压时需由单片机进行过压保护，具体实现的硬件电路如图9所示。图中将输出电压采用1N4007二极管整流，电容滤波，变成直流电测量，同时通过R38构成回路。将输出电压送至单片机内置A/D采集。

图9 电压检测电路

2.4.2 过流保护电路

逆变电源工作时，逆变电源的输出电流基本上等于直流母线电流，对直流母线电流进行检测可以对开关管进行有效的保护。本系统检测采样电阻R10（0.5Ω/2w），进行检测经过放大器放大后将数据送入单片机内置A/D检测，当系统电流超过预定值时由单片机关断系统。电路如图10所示。

图10 电流检测电路

2.4.3 欠压保护电路

本系统具有欠压保护功能，具体电路如图11所示。当系统输入低于固定值时比较器输出高电平将关断SG3525的PWM输出，关闭该电源。

图11 欠压保护电路

3 试验结果

欠压、过压和过流的测试。调节输入电压Ui并加以测量，当输入电压低于9.92V，高于14.4V时，电源停止工作。调节负载，测量输出电流，当输出电流高于0.56A时，电源停止工作。

输出电压测试。输入端加12V直流电压，相应调节负载控制输入功率为100W，分别测得输入电流、输出电压和输出电流，并计算出逆变电源的效率，记录数据如表1所示。

表1 测试数据

4 结论

本系统在经典的结构的基础上对逆变主电路、

SPWM生成、升压电路、控制芯片、滤波电感、变压器参数、主功率管及整流管的参数选择进行了计算。设计了的驱动电路加入了死区环节，避免开关管产生直通现象，同时出于保护电源的母的设计了保护电路。该电源实现了输入12V直流电，输出交流220V，频率50Hz，功率100W，效率达到了90%以上。

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