基于PIC16F1507的逆变器设计

刘立强， 韩光， 朱昌亚

(天宝电子(惠州)有限公司新能源研究院，广东 惠州 516005)

基于PIC16F1507的逆变器设计

刘立强， 韩光， 朱昌亚

(天宝电子(惠州)有限公司新能源研究院，广东 惠州 516005)

传统的双闭环控制的逆变器，需采样电压和电流，电路设计复杂。设计了一种基于PIC16F1507的逆变器，仅需要采样瞬时电压，利用PI控制算法，结合电压前馈，使输出的波形满足质量和响应速度要求。设计了信号调理和保护电路，增强系统的可靠性和抗干扰能力，并对电路参数设计进行详细介绍，制作一台500 W样机并完成了测试验证，结果表明能满足设计指标，外围电路简单，具有工程应用价值。

PIC16F1507; 逆变器; 前馈; 瞬时值控制；峰值电压；PI

0 引 言

在逆变器的闭环控制方案中，电压有效值控制能够维持输出电压稳定，但不能保证波形质量。输出瞬时值控制可以实时地调控输出电压波形，使供电质量大为提高。一些工业领域用的大功率逆变器,对输出谐波要求高，一般会采用电压外环电流内环控制方式，该方案优点是负载特性好，响应速度快，波形畸变率低[1]。但电路中加入了传感器和信号调理电路，增加了成本，在民用小功率逆变器上，该方案使用不多。

本文提出了一种电压瞬时值控制方案，采样输出峰值电压，作为瞬时值与给定值比较，得到偏差值ΔE[2]。根据ΔE实时调整调制比M，驱动H桥MOS管，经过LC滤波后，输出符合要求的正弦波。以PIC6F1507为主控制芯片，完成了一台500 W纯正弦波逆变器，最后对样机的各项技术指标进行了验证。

1 SPWM生成原理

1.1 逆变控制原理

采用规则采样法，再离散化，得到输出正弦波电压：

Uk=M×Ud×sin(kπ/n)(k=0,1,…,n-1)

(1)

其中Uk是输出正弦波的瞬时电压，M是调制比，M=Us/Uc，Ud是母线电压，k是采样点，n是采样点总数；

由公式(1)可知，若Ud、n一定，则可通过调整M来控制正弦波瞬时电压Uk。

1.2 SPWM生成数字化

图1 规则采样法获得SPWM

图1所示为采用三角波作为载波的规则采样获得的SPWM。

在三角波波谷时刻tD对正弦波采样得到D点，过D点作水平直线与三角波分别相交于A点和B点，在A点的时刻tA和B点时刻tB间输出高电平，其他时刻输出低电平。根据三角关系，可以得出：

(2)

其中σ是脉冲宽度，Tc是三角波周期[3]。

在逆变器控制设计中，调制波和载波频率一定，tD时刻为第k个三角波周期(k=0,1,2,…,n-1,n=Ts/Tc)，其中，n为载波比，Ts为正弦波周期，如果一个周期内有n个矩形波，那么第k个矩形波的占空比D为：

(3)

2 系统硬件设计

2.1 功率电路图

如图2所示，功率主电路采用了H桥结构，C1为直流母线滤波电容，用来稳定母线电压，四个MOS管Q1、Q2、Q3、Q4构成H桥。对于MOS管Q1，R1为驱动电阻，R2连接MOS管G极和S极，用来泄放G、S之间的静电。肖特基二极管D1为放电回路。主电路中R11为1%精度采样电阻，用来侦测主电路电流。输出侧电阻R9与R10构成输出电压采样电路。

图2 功率主电路

对于500 W/220 V输出逆变器，主电路参数设计如下：

(1)电容C1的参数选择

(4)

式中η为逆变转换效率，一般取0.96。根据耐压与纹波电流，查电解电容选型手册，选220 μF/450 V电解电容可满足要求。

(2)LC滤波参数选择

载波频率f=18 kHz，LC滤波器截止频率计算公式为：

(5)

截止频率为载波频率的0.1～0.2倍[4-5]，这里取fL=2 000 Hz，L=3 mH，由式(5)得出C=2.11 μF。可选用2.2 uF/630 V聚酯电容。电感可选用感量为3.0 mH，过电流能力为2.3 A的铁硅铝电感。

2.2 控制和驱动电路

如图3所示，PIC16F1507作为逆变的控制芯片，RC4、RC5引脚配置为互补的SPWM输出信号，控制H桥的Q1、Q3，Q2、Q4则由引脚RA2和RC1输出的PWM信号控制。RB4和RC6为AD口，分别采样输出电压和主回路电流,用于电压反馈控制和过载保护[6]。IR2110S作为驱动芯片，将MCU发出的SPWM信号放大后直接驱动MOSFET,第13脚shutdown为输出使能脚，高电平有效。

图3 控制与驱动电路

电压信号VFB经过RC滤波后送至U1的RB4脚；主回路电流信号IFB经过RC滤波后同时送至U1的RC6脚和比较器LM393第3脚。当输出短路时，短路电流IFB在取样电阻R11上的电压大于参考电压Vref，LM393第1脚电平翻转，将IR2110S的第13脚拉高，关断SPWM输出，避免MOS管损坏[7]。当逆变输出过载时，则由软件关断SPWM信号。

3 系统软件设计

1)逆变控制框图

对逆变输出电压峰值采样，再与给定值比较，结合电压前馈[8]，得到偏差值ΔE。根据ΔE实时调整调制比M，驱动H桥MOS管，经过滤波后输出正弦波(如图4所示)。

图4 逆变环路控制框图

2) 逆变系统主程序设计

逆变系统流程图如图5所示。首先配置时钟、PWM、IO口及AD采样口，开启中断后，启动采样和PWM；实时采样输出电压和电流，根据采样的电压峰值调节输出电压，并判断输出是否过欠压、过流及过载。

图5 逆变系统流程图

根据前文1.2中所述的原理，设计控制算法，使得逆变输出电压稳定在给定值附近。

4 实验结果

逆变器设计技术指标如下。

额定功率：500 W

输出电压：220 V±5%；

输出频率：220 VAC±5%；

谐波总量：UTHD(额定) ≤3%(纯阻性负载)；

瞬态响应时间:ts≤60 ms；

Chroma 62150H-600S可编程直流电源作为逆变器DC输入，500 W功率电阻做阻性负载，用恒河WT500功率分析仪测试效率及谐波总量，结果如下：

(1)空载、满载输出测试结果如表1。

表1 逆变输出特性指标

满载时，转换效率为96.8%。

(2)满载与空载相互切换，测试瞬态响应时间，结果如表2所示。

表2 瞬态响应测试结果

其中满载切换至空载波形图如图6所示。

最后验证了逆变输出过载及短路保护功能，从测试结果可以看出，无论是逆变输出指标还是负载切换瞬态时间响应，均可满足设计要求。

图6 满载切换至空载波形图

5 结束语

在分析了SPWM生成原理及逆变电路拓扑的基础上，介绍了基于PIC16F1507的逆变器设计该方案，通过电压瞬时值控制实现了正弦波输出，电压、频率、谐波及响应时间等指标均满足可日常应用需求。该电路简洁，成本低廉，较适用于分布式发电场合。

[1] 王晓薇，程永华.基于DSP双环控制的逆变电源设计[J].电力电子技术,2004,38(3):20-21.

[2] 王秀华，苗新法，张明柱. 智能双闭环单相逆变器研究[J]. 电源技术,2015,39(12):2725-2726.

[3] 鲁继业,周伟，赵小明,等.基于DSP控制的单相逆变电源设计[J]. 电气技术,2007,24(12):37-38.

[4] 秦斌，黄鹰.重载下逆变器三闭环控制策略研究[J].新型工业化，2015,5(2):34-35.

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[6] PIC16F(L)1507数据手册[Z].Microchip Technology Inc,2011.

[7] 楚斌. IR2110功率驱动集成芯片应用[J].电子工程师，2004,30(10):33-34.

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Design of Power Inverters Based on PIC16F1507

Liu Liqiang, Han Guang, Zhu Changya

(Research Institute of New Energy, Ten bao Electronics (Huizhou) Co., Ltd., Huizhou Guangdong 516005, China)

As traditional power inverters using double closed-loop control require sampling voltage and current and involve complex circuit design, this paper gives a design of converters based on PIC16F1507, which just need sampling of instantaneous voltage, PI control algorithm and voltage feed-forward to make the output waveform meet quality and response speed requirements. Signal conditioning and protection circuitry is designed to enhance the reliability and anti-jamming capability of the system, and circuit parameter design is described in detail. A 500W prototype is made, and test and certification is completed. The test results show that this scheme can meet the design targets, contains a simple peripheral circuit and has an engineering value.

PIC16F1507;power inverter;feed-forward; instantaneous control;peak voltage;PI

广东省教育部产学研结合项目：光伏发电系统集成及光伏逆变器研发成果产业化(2011B090400066)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.002

TM464

A

1000-3886(2017)01-0004-03

刘立强(1976-)，男，湖北荆州人，硕士，工程师。从事分布式发电应用技术研究。

定稿日期: 2016-06-30