一种正弦波逆变器的设计

王海涛

(河南神火集团煤业公司， 河南 永城 476600)

0 引言

正弦波逆变器广泛运用于航空、应急、太阳能及风能发电领域等需要应急电源的场所，可构成EPS应急电源系统。在民用领域，成本是重要的考虑因素之一。为了降低成本，需要采用低电压输入、高电压输出，并采用低成本的控制器以实现升压及正弦逆变控制。

本文提出一种采用SG3525芯片控制低压升高压的前级DC-DC变换器，并结合后级采用低成本PIC16716 处理器进行正弦波脉宽调制，在实现正弦波逆变的同时降低系统成本。

1 系统设计

该装置硬件结构分为低压升高压的前级DC-DC和单相逆变器DC-AC两部分，前级DC-DC主要实现对高压直流的稳压控制，后级实现正弦波脉宽调制，并对输出的正弦电压进行稳压。前后级之间采用开关量进行联动，以实现故障保护。

该系统具有两个特点：

1) 采用前后两级控制分离，可以实现SG3525的高频直流变换，实现直流高压的精确稳压控制，以避免采用高频的处理器增加系统成本。且由于已经实现直流稳压，可以使得前后级之间控制解耦，控制难度得以下降。

2) 后级单相逆变采用低成本的PIC16716 处理器，完成正弦波脉宽调制以及交流稳压控制。

2 硬件设计

2.1 前级电路设计

电源为电压为24 V的铅酸蓄电池，前级DC-DC变换器如图1所示。由图1可知，SG3525 产生两路反相驱动来控制MOSFET 的导通与关闭。采用推挽式结构，变压器的中间抽头接入24 V电源，两个MOS管交替导通，在变压器次级产生高频高压方波，经过快复二极管构成的全桥整流电路整流获得高压直流输出，其输出动、稳态特性均较好。前级选用推挽式结构主要考虑其对变压器利用率较高，且在输入电压较低的情况下，仍能维持较大功率输出。

图1 前级电路

前级控制SG3525为控制核心，外围电路构成较为简单。由RT、CT和内部电路组成震荡电路，取CT=5.1 nF，RT=1.5 kΩ，RD=220 Ω。根据芯片手册提供的公式f=1/[CT(0.7RT+3RD)]，可计算出振荡器输出频率约114.4 kHz。则PWM输出频率约为57.2 kHz。在芯片8脚接入10 μF 的电容，以实现变换器的软启动。系统中的基准比较调节电路则由基准引脚Uref，同相输入端及外围电阻构成。2 脚的电压固定值为5.1 V。SG3525的1，2，9脚及其外围电路构成了PI 调节器，进而实现了高压直流电压的稳压控制。

2.2 后级电路设计

后级采用6R190E6做H 桥逆变，基于SPWM调制后的高频交流输出，逆变桥的开关频率为10 kHz。后级的逆变桥电路如图2所示。考虑到较高的du/dt产生的米勒效应，为避免MOSFET误导通，门极电阻反并联了快恢复二极管，同时，在MOSFET的门极并联了0.01 uF的电容防止MOSFET受到误触发。

图2 后级逆变桥电路

输出的斩波电压并非期望的正弦波，故还需进行滤波。采用2 mH电感和4.7 uF 电容组成截止频率为1.64 kHz的滤波器，滤除其中高频分量，进而获得50 Hz的正弦波电压输出，再经EMI 滤波器滤除共模干扰。滤波电路如图3所示。

2.3 单极倍频调制

为获得正弦输出电压，需要对逆变桥进行正弦脉宽调制。常规的脉宽调制算法有单极性正弦波脉宽调制、双极性正弦波脉宽调制以及单极倍频正弦波脉宽调制。双极性正弦波脉宽调制数字实现简单，但输出谐波较大；单极性正弦波脉宽调制开关损耗较低，输出谐波较小，但其数字实现稍微复杂一些；而单极倍频正弦波脉宽调制以其优点成为设计首选：

图3 后级滤波电路

1) 采用相同载波频率时，由于每个载波周期输出脉冲数加倍(倍频)，高次谐波频率加倍，故而谐波含量减少。

2) 高次谐波频率相同时，即输出脉冲个数相同时，开关损耗减半。其实现的调制波与载波如图4所示。

图4 单极倍频脉宽调制

3 实验分析

研究搭建了一套实验样机以验证设计的有效性。图5所示为前级MOSFET的门极驱动信号及流过其中一路MOSFET的电流波形，由实验波形可知，MOSFET工作频率达到了预定的57.2 kHz，与理论相吻合。

图6所示为逆变器以台式机电脑作为负载时的波形。由于台式机电源采用不控整流输入，为非线性负载，更能考验逆变器工作的稳定性。由图6波形可知，输出交流电压正弦度较好，电压稳定在220 V左右，未受到负载非线性的影响。

电气设备的电磁兼容要求需要得到满足。图7所示为逆变器进行EMI测试的测试结果。测试采用EN55011标准。由测试结果可知，该设备满足标准要求，反映设计中采用的EMI滤波设计达到了目的。

图5 前级驱动信号及MOSFET电流波形

图6 输出交流电压与负载电流波形

图7 EMI测试结果

4 结论

逆变器采用低成本的SG3525芯片以及PIC16716 芯片进行控制，实现了高性能的正弦波输出，通过实验分析和设备实验运行，其性能良好，不但满足了实际应用要求而且其前景可观。