一种高效率逆变器的设计与实现

收稿日期 : 2004 - 09 - 12作者简介 : 陈耀军 (1977～ ) , 男 , 湖北人 , 硕士 , 助教 .文章编号 : 100124217( 2005) 04200502 05一种高效率逆变器的设计与实现陈耀军 , 钟炎平(空军雷达学院 , 湖北 武汉 430019)摘 要 : 针对太阳能逆变器高效率的要求 , 提出单相三阶半周 SPWM 技术 , 并以 PIC16F876单片机为控制核心 , 电路简单可靠 , 在一个正弦周期内开关损耗比常规 SPWM 技术降低一半 , 整机效率最大达到 91 %.关键词 : 单相三阶半周 SPWM; 单片机 ; 逆变器中图分类号 : TM 464 文献标识码 : A0 引 言能源问题将成为 21 世纪的突出问题 , 太阳能 、风能 、地热能等清洁能源逐渐受到人类的重视 . 在我国广大农村 , 特别是在大西北 、 内蒙古 、 西藏等远离电网的地区 , 积极推广太阳能供电可谓是一项有意义的工作 . 家用太阳能供电系统 , 一般是将太阳能电池所发的电通过充电控制器存在蓄电池中 (额定电压通常为 12 V) , 再通过逆变器逆变成220V/ 50 Hz 的正弦电压 . 对逆变器的要求是可靠 、高效 、输出电压谐波含量低 . 针对这一要求 , 本文提出新颖的单相三阶半周 SPWM 技术 , 在一个正弦周期内 , 开关损耗比常规 SPWM 技术降低一半 , 且控制电路以 PIC16F876单片机为核心 , 该芯片内置 8 kflash存储器 、 368 字节 RAM、 256 字节 EEROM、 5 路 10 位 AD 、二路 PWM 发生器 [1 ] , 功耗低 , 抗干扰能力强 . 它使得电路设计大为简化 , 降低了功耗 , 提高了系统的可靠性 .1 系统基本结构及工作流程系统框图如图 1 所示 . PIC16F876单片机完成单相三阶半周 SPWM 波形的产生 、输入输出电压检测 、 温度测量 、 故障判断及稳压等功能 . 单片机产生的两路单相三阶半周SPWM 波经 H 桥驱动芯片 HIP4081产生两队互补的 SPWM 波去控制开关管的通断 , 在桥中点便得到等幅不等宽的调制波 , 经滤波变压网络 , 便可得到 50 Hz 正弦电压 . 图中V T1～ VT4组成全桥 , 它们是由 8 片低导通电阻 MOSFET两两并联组成 . HIP4081 为专用2005 年 11 月Nov. 2005汕头大学学报 ( 自然科学版 )Journal of Shantou University ( Natural Science)第 20 卷 第 4 期Vol120 No14MOSFET全桥驱动芯片 , 最大输出电流 215 A , 采用充电泵技术将上管驱动电源电压升至高于桥中点电压 12 V 以驱动上管 .图 1 系统框图2 单相三阶半周 SPWM 技术原理及其实现211 单相三阶半周 SPWM 技术原理单相 SPWM 的产生方法一般是将两相位相差 180° 的正弦波与三角波比较 , 所得的波形去控制全桥开关管的通断 , 根据三角波的极性 , 可以在桥中点得到二阶 ( + E 和 - E 两种电平 )SPWM 和三阶 ( + E、 0、 - E 三种电平 ) SPWM[2 ] , 在 一 个 正 弦 周 期 内 ,四个开关管都在进行开关工作 , 损耗大 .在分析单相全桥逆变器工作特点的基础上 , 我们对传统的三阶 SPWM技术进行改进 , 提出了单相三阶半周SPWM 技术 , 该技术兼有三阶 SPWM谐波幅值小的优点 , 又大大降低了损耗 .单相三阶半周 SPWM 实现原理如图 2 所示 , 它是将两相位相差 180° 的半波正弦 (另半周为零 ) 分别与单极性三角波比较 , 得到单相三阶半周 SP2WM 波作为单相全桥逆变器的控制信号 . 图 2(a) 所示为 ug2 (/ ug1) 的波形 ,图 2 单相三阶 SPM 原理及采样示意图15第 4 期 陈耀军等 : 一种高效率逆变器的设计与实现图 2 (b) 所示为 ug4 (/ ug3) 的波形 ( ug1～ ug4分别为开关管 VT1～ VT4的驱动信号 , / ug1和 / ug3为ug1和 ug3的反向波形 , 主电路拓扑见图 1 虚框内所示 ) , 虚线为基波分量 . 它们只有半个周期的正弦调制波 , 另半周期为低电平 , 在相位上相差 180° . 图 2 (c) 所示为桥中点间电压 U ab的波形 , 它是一个完整的正弦脉宽调制波形 .仔细研究波形可以发现 , 在一个正弦周期内 , VT2 、 V T4分别在半周期内截止 , V T1 、V T3分别在半周期内是全导通的 , 没有进行开关操作 . 因此 , 相比较传统的 SPWM 技术 ,单相半周调制 SPWM 技术使开关管的开关次数减少了 50 %.212 单相三阶半周 SPWM 的实现方法单相三阶半周 SPWM 实现的核心是如何计算半周正弦调制时的脉宽值 . 为了计算方便 , 采用单极性规则采样法来产生 SPWM 波 . 图 3 所示为单极性规则采样示意图 . 正弦波与三角波同极性 , tb 、 td 为采样时刻 , t 1～ t4 为时间间隔 。根据三角形相似原理可得 : masin(ω t b)t3/ 2 =1Tc/ 2 , 即 :t3 = ma Tc sin(ω t b)= ma Tc sin[2π × ( nTc + Tc/ 2) / Ts]= ma Tc sin[π × (2 n + 1) / N ] = ma Xn , 图 3 单极性规则采样示意图式中 Tc 为三角波周期 , Ts 为正弦波周期 , N 为载波比 , ma 为幅度调制比 , ω 为调制波角频率 , Xn = Tcsin[π (2 n + 1) / N ] , 当前采样时刻 n = 0～ N - 1.为方便编程 , 可将 ta～ te 看成一个开关周期 . 当 N 很大时 , 此开关周期内的关断时间为 t2 + t4≈ t2 + t1 = Tc - t 3.PIC16F876单片机内置两路 10 位 PWM 发生器 , 当用 20 MHz 晶振时分辨率为 50 ns ,编程时 , 只需设置好周期寄存器 PR2( 载波周期 ) 和工作循环周期寄存器 CCPR1L 或CCPR2L (脉宽值 ) , 单片机通过定时器 T2 定时便可自动产生 PWM 信号 , 实时修改CCPR1L 或 CCPR2L 的值 , 便可得到可变脉宽的 PWM 信号 . 在产生单相三阶半周 SPWM时 , 编程前 , 先将 X n 的值算好存在单片机的 FlashROM内 , 定时器溢出中断时 , 读出Xn , 乘以 ma , 所得的值放入单片机的工作循环周期寄存器 CCPR1L 中 (若左半桥处于正弦调制阶段 )即可 , 而 CCPR2L 赋 0 值 .3 硬件电路设计311 功率检测电路设计功率检测电路也是本电源的特色之一 , 本文没有采用传统的电流取样法 , 而取的是直流母线上的纹波 . 实验发现 , 逆变器工作时 , 直流母线上叠加频率为 50 Hz 的纹波 , 该25 汕头大学学报 (自然科学版 ) 第 20 卷纹波峰值与输出功率成正比 . 因此只需检测直流母线上的纹波峰值便可以算出输出功率的大小 , 也可以估算出输入输出电流的大小 . 检测电路如图 4所示 , 直流母线上的纹波经 C18隔直 ,放大器放大后 , 叠加在 215 V 的直流电压上送往单片机的 ADC3, 单片机经 AD采样 , 检测出电压峰值 , 乘以适当的系数 , 便可计算出输出功率 .312 滤波变压网络设计滤波变压网络如图 5 所示 , 滤波电感 L 和滤波电容 C 分别置于变压器的初次级 , 其输入阻抗 :Zi = jω ′ L + 1/ (jω ′ n2 C) ,式中 ω ′ 为信号角频率 , 也就是说次级的电容 C 等效为在初级并了一个 n2 C的电容 , 电容的滤波效果提高了 n2倍 . 由于该逆变器中变压器的变比 n较大 , 所以 C 太大会在初级产生较大的无功电流 , L 太大则会增大损耗 ,实际设计中 L 取 10μ H , C取 1μ F , 开关频率为 20 kHz , 效果良好 .图 4 功率检测电路图 5 滤波变压网络4 系统软件设计软件是工作的核心 , 主要完成单相三阶半周 SPWM 的产生 、系统的闭环控制 、故障检测等功能 . 主程序框图如图 6 所示 . 程序初始化后开始检测是否有负载 (定时输出窄脉冲 , 判定是否有功率输出 ) , 若输出接有 5 W 以上负载 , 则逆变器正常输出 . AD 采样包括输入输出电压采样 、功率检测 、温度测量 (采样温度传感器 LM 35 的输出电压 ) 等 . 故障判断包括过压 、欠压 、 过热 、过载 、短路判断 , 若系统正常便进入 PI 调节子程序 , 进行稳压处理 . SPWM 数据计算在 T2 定时器中 图 6 主程序断中完成 , 如图 7 所示 .35第 4 期 陈耀军等 : 一种高效率逆变器的设计与实现5 结 语根据上述方法我们设计了一台 400 W 的样机 ,实测在输出功率为 100W 时效率达到 91 % , 电压谐波含 量 小 于 5 % , 过 载 20 % , 延 时 2 min 保 护 ,50 %立即保护 , 操作简单 , 安全可靠 , 完全合民用 . 相信此电源有着良好的应用前景 .参考文献 :[1 ] 何信龙 , 李雪银 . PIC16F87X 快速上手 [ M] . 北京 :清华大学出版社 , 2002.[2 ] 刘凤君 . 正弦波逆变器 [M]. 北京 : 科学技术出版社 , 2002.图 7 波形产生子程序Design and Realization of Inverter with High EfficiencyCHEN Yao2jun , ZHONG Yan2ping(Air Force RadarAcademy, Wuhan 430019, Hubei , China)Abstract : Aiming at the high efficiencyof the solar inverter , a techniqueis proposedin this paperwith single2phasethree2stagehalf cycle SPWM , witch reducesthe lossof switch by a factor of 2. Byusing the PIC16F876single2chip microprocessor as the key control unit , the inverter circuit is sim2ple , reliable , and of high efficiency up to 91 %.Key words : single2phasethree2stagehalf cycle SPWM ; single2chip microprocessor ; inverter简 讯 : 近日 , 汕头大学海洋生物南澳试验站又一新品种 — — — 华贵栉孔扇贝在南澳海域育苗成功 , 育苗技术规程通过审查并颁布实施 .华贵栉孔扇贝 ( Chlamys nobilis) 属于暖水性贝类 , 其肉质鲜嫩 、营养丰富 ,其闭壳肌制成的“ 干贝”是名贵的海产品 . 扇贝养殖技术可操作性强 , 容易推广 , 采用延绳浮式笼养方式较于牡蛎养殖具有抗台风能力强等特点 , 可以减少台风等自然灾害所造成的损失 ; 其成品贝价格远高于牡蛎 , 有广泛的市场前景 . 海洋生物南澳试验站经过潜心研究和试验 , 攻克了华贵栉孔扇贝的人工育苗技术 , 成功育苗 100 多亩 , 并已完成了幼苗海区标粗 、养殖模式等试验工作 ; 同时 , 由科研人员将育苗技术编制成广东省地方农业标准 , 并由汕头市质量技术监督局颁布实施 , 通过向社会大力推广扇贝养殖技术 , 以期能调整海水养殖结构 , 提高经济效益 , 更好地推动地方经济发展 .45 汕头大学学报 (自然科学版 ) 第 20 卷