三相SPWM逆变电源的设计与实现

卢莉蓉，周晋阳，牛晓东

(1.长治医学院生物医学工程系，山西 长治 046000；2.长治医学院基础医学院，山西 长治 046000)

0 引言

随着现代电子技术的发展，许多设备的电源都不采用电网所提供的交流电，而是将电网所提供的交流电进行变换得到所需要的电能形式[1]。这里的变换主要是通过整流电路与逆变电路对原始电源进行变换。逆变电路是其中的重中之重。

逆变电源是一种采用开关方式的电能变换器，其输入为交流电或者直流电，通过开关控制转换成具有稳定电压和频率的交流电输出[2]。SPWM(sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM)控制技术又被称为正弦脉宽调制控制技术[3]，它的原理是假如有一系列的脉冲想要变成正弦波，那么就可以通过等效法对脉冲的宽度进行改变来等效着获得正弦波，波形包含形状和幅值，由于该控制技术可以使逆变器输出的电压或者电流更接近正弦波形，故其在逆变器控制技术中得到了最为广泛的应用[4]。

本文设计并实现了一种三相SPWM逆变电源。该设计具有输出稳定性好，效率高，负载调整率低等优点。

1 系统总体框图

本系统由逆变电路、滤波电路、IR2104半桥驱动电路、单片机控制部分、按键设置等组成。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

本系统首先由直流电源输入电压，经过滤波器滤波，然后将输出信号输入到由STC15F2K60S2单片机控制的三相全桥逆变电路，信号再经LC低通滤波器滤波，最后在负载上得到稳定的正弦波交流电。此单片机通过自然数查表法控制内部的3路硬件PWM模块生成SPWM脉冲信号，采用双极性调制方案驱动三相全桥逆变电路。

2 系统主要模块的选择与设计

2.1 逆变电路的选择与设计

逆变电路的主要功能就是将直流电变成交流电供给负载。按照电路结构特点又可将逆变器分为半桥式逆变电路与全桥式逆变电路。半桥式逆变电路使用开关器件少，电路实现简单，但其只适用于小功率逆变器。全桥式逆变电路使用的开关器件多，驱动较复杂，但其电压不高，输出功率大，适用于大功率的逆变器。

PWM控制技术(脉宽调制技术)在电力电子技术中拥有举足轻重的地位，被普遍采用于各式各样的逆变电路。这种逆变电路既有电流型又有电压型而后者被用到的更多。

综上所述，本设计的逆变电路部分采用PWM控制的电压型三相全桥逆变电路，如图2所示。

2.2 驱动电路的选择与设计

本系统选择半桥式驱动电路，如图3所示。IR2104作为驱动芯片，该芯片的优点是结构简单性能可靠并且能提升电路的稳定性且降低了设计难度。

图2 电压型三相全桥逆变电路

图3 半桥式驱动电路

2.3 单片机的选择

本系统选择STC系列单片机中的STC15F2K60S2引脚图如图4所示。其内部自带高精度内部振荡器，它还拥有38个I/O口；该单片机内置复位电路，有8路10位ADC模数转换；每个I/O能设置成输入输出模式，并且具有3路PWM输出，通过软硬件设计，实现多功能的电机控制，性价比高，抗静电，抗干扰，低功耗，低成本。

图4 STC15F2K60S2引脚图

3 电路与程序设计

3.1 主电路图

本设计的主要模块逆变器模块电路图如图5所示。

3.2 程序的设计

程序的流程图如图6所示。

图5 逆变器模块电路图

图6 程序流程图

4 测量方案与测量结果

4.1 测试方案

4.1.1 硬件测试

利用YB3303数字直流电源、LDS21010示波器、数字万用表、8788电参数分析仪对电路进行测试。

4.1.2 软件仿真测试

通过Proteus仿真软件对电路进行仿真测试。

4.2 测试条件与仪器

测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：LDS21010示波器、数字万用表、8788电参数分析仪。

4.3 测试结果

1) 当接通电路后，逆变器可以对负载提供三相对称交流电。其波形为正弦波。

2) 当负载线电流有效值IO为2 A时，测量5次可看到线电压有效值UO为24 V±0.1 V，频率fO为50 Hz±0.1 Hz。

3) 当负载线电流有效值IO为2 A时，利用8788电参数分析仪可直接测得交流母线电压总谐波畸变率(THD)为1.2%。

5) 逆变器给负载供电，经测量，当负载线电流有效值IO=0 A时，UO1=24.03 V ，当负载线电流有效值IO=2 A时，UO2=23.96 V。则负载调整率：

5 结论

本文设计并实现了一种三相SPWM逆变电源。首先由直流电源输入电压，经过滤波器滤波，然后将输出信号输入到由STC15F2K60S2单片机控制的三相全桥逆变电路，信号再经LC低通滤波器滤波，最

后在负载上得到稳定的正弦波交流电。通过调试与测量，本设计具有输出稳定性好，效率高，负载调整率低等优点。

[1] 谢芳.基于DSP的逆变电源研究[D].武汉：武汉理工大学,2006.

[2] 康杰.单向大功率逆变电源的设计与研究[D].重庆：西南大学,2016.

[3] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M].第5版.北京：机械工业出版社，2009.

[4] 钱照明,张军明,盛况.电力电子器件及其应用的现状和发展[J].变频器世界,2014,34(6):34-37.