一种低功率宽电压输入逆变器

文/李兴 龙杨帆 陈文光 饶益花 黄畅

逆变技术是将直流电转换为交流电的一种技术，而目前国内主要实现的是输入恒定的逆变电源，对于输入可变的逆变电源还有所欠缺。但对于一些发电设备而言，输入功率往往是变化的而非恒定的，这时对于如何设计一种宽电压输入逆变输出可调的逆变器成为需求。现需设计一个直流输入为10～32V，输出为频率50～100Hz步长为1Hz可调的15～20Vrms正弦波逆变器。本文为此提供了一种宽电压输入、输出电压频率可调的低功率逆变器设计思路。

1 硬件部分

1.1 系统结构

考虑到输入为宽输入的直流电，输出为幅值频率在一定范围内可调的逆变交流电。因此想到先利用DC-DC斩波电路，将直流电变换为母线电压恒定的直流电，再将电压幅值恒定的直流电输入到单相桥式逆变电路以达到DC-AC的变换。

图1：系统框图

如图1所示，为提高电路效率，系统由同步Buck-Boost串联和全桥构成升降压逆变主电路，采用STM32F407作为控制器，通过信号采集电路，实现对系统进行电压闭环控制和FFT电参数分析和稳压变频，电路保护和参数显示。

1.2 DC-DC主拓扑

对于常见的升降压电路有：Sepic、Cuk、Zeta变换器、反激性变换器等，其输入与输出之间的关系式均满足：

Sepic、Cuk、Zeta变换器均为两级变换器，其效率为前级与后级之积和单级变换器相比其效率明显降低。反激性电路虽然为单级变换器，但其有电能到磁能再到电能的能量变换，在能量的变换过程中必有能量的损耗。因此利用Buck-Boost相串联，以提高斩波变换效率。

表1：50Hz实验结果表

表2：75Hz实验结果表

图2：DC-DC主拓扑电路

Buck-Boost的主拓扑如图2所示，通过对传统升降压转换器结构的改进，可看成是 Buck与 Boost 串联而成，给Q4常闭信号，Q1、Q2按照降压型变换器的工作方式工作，该电路能实现降压功能；工作在升压状态时则要求Q2始终截止，Q1始终导通，利用同步整流提高变换效率，用可控MΟSFET代替传统二极管，即可实现升降压功能，且效率较高。

对应在Buck模式下输入与输出电压关系为：

Boost模式下输入与输出电压关系为：

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Buck-Boost模式下输入与输出电压关系为：

当输入为10～32V时，为使最终输出正弦电压能够达到有效值为15Vrms，三端稳压，保证DC-DC斩波部分恒定输出为26V。

对于同步升降压电感L的计算，同步BΟΟST依旧可在普通BΟΟST基础上计算电感。逆变输出电压有效值为Vrms，输出最大电流有效值为irms，可得最大升压,最大输出电流输入电压10～32V，选取开关频率f=20kHz，占空比D=(Vmax-Vin)/Vmax。取电流纹波率r=0.4，由公式同时为保证余量，本设计选择L=1200uH，可用铁硅铝磁芯绕制电感。

1.3 全桥逆变电路

对于逆变电路采用单相全桥逆变电路，桥管全部采用MΟSFET，以达到全控和提高效率的作用。利用SPWM波和LCL滤波电路，最终得到正弦波逆变器，再采用电压环使输出始终维持在15Vrms。

如图3所示，SPWM生成采用规则采样法，由经采样的正弦波与三角波相交，由交点得出脉冲的宽度。这种方法只在三角波顶点位置或底点位置对正弦波采样而形成阶梯波。控制器中通过改变定时器周期改变载波频率实现调频,改变定时器输出的PWM占空比，得到成正弦规律变化的SPWM波。再经过LC滤波即可得到波形较好的正弦交流电。

对于全桥滤波电感电容的计算，设滤波器的截止频率为F。滤波电感L取得过大将引起过大的基波输出电压降，取得太小，流过滤波器电感的最大谐波电流也就越大，可取滤波电感L2。由此可计算滤波电容C=1/(4π2*F2*L2)，为达到更好的滤波效果，电容类型可使用CBB电容。

2 软件部分

系统程序由两部分构成：主函数循环、SPWM中断服务函数。主函数负责人机交互，显示和电路状态响应，并对系统进行FFT分析和数字PΙD闭环调节。SPWM中断服务函数通过正弦表查询实现系统逆变。主函数流程图如图4所示。

图3：全桥逆变示意图

图4：主函数流程图

图5：降压工作示意图

图6：降压时序示意图

图7：升压工作示意图

而对于DC-DC的控制程序可分为降压控制、升压控制以及升降压控制。

（1）降压工作原理：Q3常闭，Q4常开，Q1、Q2交替开通就构成了一个同步降压电路拓扑，与典型降压电路的计算公式一样满足 Vout=D×Vin。降压工作示意与时序如图5、6所示。

（2）升压工作原理：其中Q1常通，Q2常闭，Q3、Q4交替开通关断，构成了一个同步升压电路拓扑，与典型升压电路的计算公式一样满足Vout=Vin/(1-D)。升压工作示意与时序如图7、8所示。

（3）升降压工作原理：设Buck占空比为D1，Boost占空比为D2，则升降压电路满足Vout=D1×Vin/(1-D2)，设D1占空比恒为80%，D2占空比从0.05到0.45可调，则输出电压与输入比值范围从0.85到1.45。升降压工作时序如图9所示。

3 实验结果

当输出为15V、50Hz、2A时，其结果如表1和图10所示。

电压调整率和负载调整率分别为0.018636%、0.027333%。

当输出为15V、75Hz、2A时，其结果如表2和图11所示。

电压调整率和负载调整率分别为0.010000%、0.014667%。

4 结论

本文提供了一种宽电压输入、输出电压幅值频率可调的低功率逆变器设计思路，DC-DC部分采用Buck与Boost串联，提高了逆变器效率。利用PΙD调节通过降压、升压与升降压三种模式保证了直流母线电压恒定。使用规则采样法的SPWM生成成正弦规律变化的SPWM波，再经过LCL滤波得到波形较好的正弦波，输出频率在一定范围可调高效，低THD的逆变器。

图8：升压工作时序图

图9：升降压工作时序图

图10：50Hz效率曲线

图11：75Hz效率曲线