利用SPWM技术的三相正弦交流电源设计与实现

朱学森 洪海慧 孟紫腾 牛建辉 高佳欢 王树伟

摘要：传统的电源采用振荡器产生三相正弦波，通过功率放大后输出。这种电源采用大量的分散器件和电路板，系统的可靠性下降;功耗很大，散热困难。本文采用D类功放可以减小转换过程中的发热问题，转换效率在88%以上。

关键词：正弦脉宽调制SPWM;MOS管逆变电路;D类功放

传统的电源采用振荡器产生三相正弦波，通过功率放大后输出。但这种电源采用大量的分散器件和电路板，系统的可靠性下降;功耗很大，散热困难，由此引起的元件参数变化的温度漂移问题存在使输出精度、稳定性很难保证

本课题研究的理论意义在于随着信息技术的发展，为中频逆变电源的发展提供新的设计思路;现实意义在于能够设计出一套可靠性高、稳定性好的逆变电源，为高精尖的电子设备提供工作电源。本设计应用STM32处理器为核心生成SPWM信号波，通过隔离驱动电路传输给逆变电路MOS管。

三相电源系统的设计结构

三相正弦电源由DC电源模块、逆变MOS管电路、stm32核心控制、信号隔离驱动电路、LC滤波电路，以及按键调频电路组成。

用STM32高级定时器TIM1产生正弦脉冲调制信号（SPWM），经过光耦隔离驱动电路提高SPWM波的驱动能力，6路SPWM信号发送给6个MOS管通过MOS管的开关作用将直流电转换成交流电。

电路设计系统

隔离驱动电路

隔离驱动电路主芯片使用IR公司IR2110，它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）并且上管驱动采样自举电容设计，可使驱动电源路数目比其他驱动芯片大大减小。可以减小电源供电成本

信号隔离电路

光耦隔离驱动芯片与STM32的干扰，可以提高系统的安全性，不会因为后级电路故障影响主控芯片的损坏。每路STM32输出的PWM波都要进行隔离，采用东芝的TLP715的6脚光耦具有响应速度快的优点

逆变电路

本次设计电源输出为36-80V正弦交流电，所以逆变电路的MOS管耐压值要大于113V，设计选用耐压200V的IRF640，导通电流33A，满足设计要求。逆变电路采用全桥逆变，输出功率高带负载能力强。

滤波电路

滤波波分采用LC组成的滤波网络，MOS管直接输出的时脉冲变化的脉冲波，需要滤除高频分量得到正弦信号。主要滤除的20KHZ的载波部分，留下400-1KHZ的正弦波。我采用扫频法多次测试得到较好的滤波参数L为200uh C为6.8uf。

主控芯片

主芯片选用ST公司的STM32F407 ST公司的芯片使用稳定后期更新维护也比较方便。F407更是采用M4内核主频为更高的168MHZ，方便后期正弦波的更新与升级。主控芯片同时也起到了SPWM波的产生功能，输出6路三相互补的SPWM脉冲波并且高级定时器具有死区控制功能方便设备的开发，亦适用于不同的MOS管，高级定时器同时有刹车引脚功能，当电源系统出现故障，过流或过压芯片立即中断SPWM波输出，以保护电路。

软件程序设计

系统初始化后延时50ms检测按键输出波形，当有频率设置按下时记录按下次数可以更改，频率调节步进值，按一下X10，按两下X100，再按时循环。

测试结果及讨论

本次系统设计采用数英电源， DSO-X 2012A示波器，WT233功率分析仪 0-100Ω可变功率电阻进行测试分析，测试结果如表1

结束语

针对传统逆变电源由于采用甲类功放原理，转换过程热损失很大，转换效率低，本文采用D类功放可以减小转换过程中的发热问题，使转换效率在88%以上。

参考文献

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作者简介：朱学森（1997-），男，汉族，河北人，北华航天工业学院，20级在读研究生，硕士学位，专业：电子信息工程 研究方向：从事嵌入式系统应用，FPAG应用技术研究.