正弦波输出的单相逆变电源设计

张汉年，鲍安平，徐开军

（南京信息职业技术学院中认新能源技术学院，江苏南京，210023）

正弦波输出的单相逆变电源设计

张汉年，鲍安平，徐开军

（南京信息职业技术学院中认新能源技术学院，江苏南京，210023）

逆变电源是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳能、风力等新能源发电系统中的重要设备。本文主要介绍了正弦波逆变电源的主电路设计、单片机数字控制系统设计等内容。主电路包含单相全桥逆变电路、升压变压器和LC滤波电路等，数字控制选用dsPIC30F2010 PIC单片机产生SPWM波形，经IR2110芯片驱动MOS管，再经全桥逆变和LC低通滤波电路，最终输出正弦波交流电压。依据设计方案制作了实验样机，实验结果证实样机能输出纯净的正弦波电压，能够满足设计指标要求。

逆变电源；正弦波输出；设计

0 引言

将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路，而实现逆变过程的装置称为逆变器或逆变电源。伴随现代电力电子技术的飞跃进步，各种逆变电源在众多领域中获得了广泛应用。逆变电源可广泛应用于电力、通讯、工业设备、卫星通信设备、军用车载、医疗救护车、警车、船舶等诸多领域。同时逆变电源也是太阳能、风力发电中一个重要部件，在新能源发电领域拥有广阔的应用空间。逆变电源需要适应各种不同类型的负载，各种负载对逆变电源输出电能的性能指标提出了更高的要求。逆变电源输出波形质量包括稳态精度高、动态性能好以及负载适应性强等。结构简单、动静态性能优良和负载适应性强的逆变电源，一直是研究者在逆变电源方面追求的目标。

1 逆变电源总体结构

本文设计一种300W正弦波输出的单相逆变电源，它能将24V直流电转换为220V交流电供给负载使用。主要技术指标为：额定电压DC24V、DC额定电流17A、、输入DC范围21～33V、、额定容量300W、额定电压AC220V、额定频率50Hz、AC额定电流1.36A。

该逆变电源主电路主要由输入软启动及滤波电路、单相全桥逆变电路、工频变压器隔离及输出滤波电路组成。数字控制选用dsPIC30F2010 PIC单片机产生SPWM波形，经IR2110芯片驱动MOS管，经全桥逆变和LC低通滤波电路，最终输出正弦波。逆变电源系统整体结构如图1所示。

图1 逆变电源整体结构图

2 单相全桥逆变主电路设计

本文中选用四个功率MOSFET组成全桥逆变电路，其开关频率达20kHz时损耗仍很小。为使全桥逆变电路可靠工作，本文上下桥臂分别采用两个MOS管并联的方式，用同一脉冲信号同时驱动两个并联MOS管，这样大大提高了电路工作的可靠性，但带来的问题是器件数量和成本的增加。电路原理图如图2所示。

本文设计的逆变器额定功率为300W，直流侧额定输入电压为24V，则直流侧额定输出电流为17A。按照两倍裕量，开关器件选择耐压大于48V和导通电流大于34A的N沟道MOS管，考虑逆变器的散热，降低损耗，导通电阻需要很小。根据实际情况，电路中功率MOS管选用IR公司的HEXFET功率场效应管IRF3205，IRF3205采用先进的工艺技术制造，具有极低的导通阻抗，IRF3205 MOS管的耐压Vds 典型值为55V，能满足耐压要求，该MOS管导通电流Id为110A，可满足设计要求。

图2 单相全桥逆变电路

为了改善MOS管驱动脉冲的前后沿陡度和防止产生振荡，需要在栅极串联22Ω电阻。此外，另外为防止栅极开路或栅极损坏时主电路加电损坏器件，本电路在栅源间并联一个10k电阻。

3 基于PIC单片机的SPWM控制方案

电压型逆变器目前采用较多的是正弦脉冲宽度调制技术，即SPWM（Sinusoidal Pulse Width）控制技术，SPWM技术由于具有开关频率固定、输出电压只含有固定频率的高次谐波分量、滤波器设计简单等一系列有点，SPWM控制技术已是目前应用最为广泛的逆变控制技术。SPWM有两种调制方式：单极性和双极性，两种调制方式输出电压的大小和频率都是通过改变正弦调制信号的幅值和频率而改变，但功率开关的通断情况不一样。本文采用双极性SPWM调制方式。

本文设计的逆变电源中，以dsPIC30F2010单片机为核心的控制系统主要包含信号检测电路、驱动保护电路、人机接口等，单片机控制系统根据当前逆变电路输出电压及负载大小调整主电路控制信号，并对各种状态进行指示。

图3 单片机端口分配及其外围电路

4 控制系统软件设计

dsPIC30F2010单片机是控制系统的核心，它接受来自外部的信息，按照预定算法实时计算单相SPWM波形数据，并由它产生单相四路SPWM波形，然后再经驱动电路驱动逆变功率开关管，完成单相逆变过程。软件设计是逆变器设计的重点和难点，优秀的软件能使系统硬件更加可靠地工作，本文设计的主程序工作流程如图4所示。

图4 软件主程序流程图

5 测试结果

在300W额定负载条件下，用数字示波器测试关键点输出电压的波形，分别如下图所示。图5为全桥逆变电路输出的升压隔离变压器输入端的SPWM波形，该SPWM波形经过升压变压器转换和隔离后，输出所需的正弦波220V/50Hz工频交流电，正弦波220V输出波形如图6所示，图6中示波器探头缩放比例为实际值的1/10。由图可见，样机输出电压的稳定精度在±10%范围内，符合电压精度220±10%V的设计要求。输出频率为49.7005Hz，基本符合频率精度50±0.2Hz设计要求。

图5 SPWM调制波形

图6 电压输出波形

6 结语

本文设计的单相逆变电源主要包含DC/AC逆变主电路、dsPIC30F2010 PIC单片机数字控制电路、SPWM控制策略及其软件等部分。整机系统测试结果证实了本文设计方案的有效性，样机在输出电压波形、输出电压稳定精度、输出频率精度等方面均能达到设计指标，逆变电源可以稳定输出符合要求的正弦波电压信号。测试结果证明本装置易于实现和调试，带负载能力较强，可靠性较高。

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Design of Single-phase Inverter Power Supplies with Sine Wave Output

Zhang Hannian, Bao Anping, Xu Kaijun
(School of CQC New Energy Technology, Nanjing College of Information Technology, Nanjing Jiangsu, 210023)

Inverter power supplies can transform DC into AC, they are the important devices in the new energy generating system included solar energy and wind energy. The paper mainly introduces the design process of main circuit of inverter power supplies and single chip digital control system. The main circuit comprises a single-phase full bridge inverter circuit, a step-up transformer and a LC filter circuit. The SPWM wave is produced using the digital control based on dsPIC30F2010 PIC microcontroller, and MOSFET is drove by the IR2110 chip, after the designed full bridge inverter and LC low pass filter circuit, then the inverter generates voltage with sine wave. According to the design scheme, a test prototype is made, the experimental results confirmed the prototype can output pure sine wave voltage signal, and fully meet the design requirements.

inverter power supplies; output sine wave; design

张汉年（1975-），男，安徽无为人，副教授，从事电力电子及电机控制、光伏发电技术研究。

江苏省高校‘青蓝工程’资助项目（2014）