該全數字式正弦波逆變電源的設計方案分為前后兩級，前級采用推挽升壓電路將輸入的直流電升壓到350V左右的母線(xiàn)電壓，后級采用全橋逆變電路，逆變橋輸出經(jīng)濾波器濾波后，用隔離變壓器進(jìn)行電壓采樣，電流互感器進(jìn)行電流采樣，以形成反饋環(huán)節，增加電源輸出的穩定性。升壓級PWM驅動(dòng)及逆變級SPWM驅動(dòng)均由STM32單片機產(chǎn)生，減小了硬件開(kāi)支?；谏鲜龇桨冈囍频?00W樣機，具有輸出短路保護、過(guò)流保護及輸入過(guò)壓保護、欠壓保護功能，50Hz輸出時(shí)頻率偏差小于0.05Hz，滿(mǎn)載(400W)效率高于87%，電壓精度為220V±1%，THD小于1.5%。

逆變電源應用廣泛，特別是精密儀器對逆變電源的性能要求更高。高性能逆變電源不僅要求工作穩定、逆變效率高、輸出波形特性好、保護功能齊全，還要求逆變電源小型化、智能化、并且具備可擴展性。文中提出一種基于STM32系列單片機STM32F103VE的純數字式正弦逆變電源，該電源的全部功能由單片機控制實(shí)現，具有輸出電壓、頻率穩定，效率高，保護功能齊全的特點(diǎn)。

系統設計

系統的整體框架如圖1所示。系統采用高頻逆變方案，即前級升壓加后級逆變的結構，這樣可以避免使用笨重的工頻變壓器，有效的降低了電源的體積、重量及成本，提升電源的效率。電路的工作原理是，12V的直流輸入電壓經(jīng)過(guò)濾波后由推挽升壓和全橋整流升壓到350V的直流母線(xiàn)電壓，再經(jīng)過(guò)全橋逆變電路轉變?yōu)?20V/50Hz的工頻交流電，采樣電路對相應點(diǎn)進(jìn)行采樣，以實(shí)現閉環(huán)控制及保護功能。
由于大電流條件下，功率管驅動(dòng)信號占空比過(guò)小會(huì )導致發(fā)熱嚴重，效率降低，故逆變電源的前級采用準開(kāi)環(huán)的控制方式，即輸入電壓在一定范圍內時(shí)，驅動(dòng)信號占空比開(kāi)到最大并保持不變，輸入電壓過(guò)高時(shí)，減小占空比，維持母線(xiàn)電壓在一定范圍內。這樣做的好處是，可以使前級升壓獲得較高的效率。
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系統硬件設計

逆變電源硬件結構如圖2所示。主要包括直流推挽升壓電路、正弦逆變電路、輸出濾波電路、驅動(dòng)電路、采樣電路、主控制器和點(diǎn)陣液晶構成。其中，直流升壓部分將輸入電壓升高至輸出正弦交流電的峰值以上的母線(xiàn)直流電壓，正弦逆變部分將母線(xiàn)直流電壓逆變后經(jīng)輸出濾波電路得到正弦式交流電，采樣電路則對母線(xiàn)電壓、母線(xiàn)電流、輸出電壓、輸出電流、輸入電壓進(jìn)行采樣，以實(shí)現短路保護、過(guò)壓欠壓保護、過(guò)流保護、閉環(huán)穩壓等功能。驅動(dòng)電路的功能是將驅動(dòng)信號的邏輯電平進(jìn)行匹配放大，以滿(mǎn)足驅動(dòng)功率管的要求?？刂齐娐返墓δ苁钱a(chǎn)生驅動(dòng)信號，并對采樣信號進(jìn)行處理，以實(shí)現復雜的系統功能。點(diǎn)陣液晶的功能是顯示系統工作信息，如果輸出電壓、電流以及保護信息等。
1)主控制器

主控制器選用STM32F103VE增強型單片機，STM32系列單片機是意法半導體公司專(zhuān)門(mén)為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的產(chǎn)品。此單片機采用哈佛結構，使處理器可以同時(shí)進(jìn)行取址和數據讀寫(xiě)操作，處理器的性能高達1.25MIPS/MHz。支持單周期硬件乘除法，最高時(shí)鐘頻率72M，最大可達512kB片上Flash及64kB片上RAM。同時(shí)具有多達30路PWM及3個(gè)12位精度的ADC等眾多適合做逆變及電機驅動(dòng)的外設。在本系統中用于產(chǎn)生PWM、SPWM驅動(dòng)信號，并對采樣信號進(jìn)行處理，以完成穩壓反饋及保護功能，并驅動(dòng)點(diǎn)陣液晶顯示系統信息?？紤]實(shí)際的功率管及驅動(dòng)芯片的速度，升壓PWM波的頻率為20kHz，逆變SPWM波的頻率為18kHz。根據調制方法的不同，SPWM驅動(dòng)信號形式可以分為：雙極性、單極性和單極性倍頻。由于雙極性調制失真度小，故本設計中SPWM采用雙極性驅動(dòng)方式。

2)點(diǎn)陣液晶

選用LPH7366型點(diǎn)陣液晶，具有超低功耗的特點(diǎn)。用于顯示系統當前的工作狀態(tài)，如輸出電壓、輸出電流、輸入電壓等信息。同時(shí)指示系統是否處于保護以及處于何種保護狀態(tài)。

3)輔助電源

為系統不同部分提供不同的電壓電需求，由直流輸入電壓經(jīng)LM2596—5V降壓到5.0V后一部分為采樣電路供電，另一部分經(jīng)LDO穩壓器LM117—3.3V穩壓到3.3V供處理器及點(diǎn)陣液晶使用。同時(shí)，由推挽變壓器的一個(gè)輔助繞組得到20V左右的電壓，經(jīng)整流濾波及LM2596-ADJ穩壓到15V后供驅動(dòng)電路使用。

4)驅動(dòng)電路
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選用東芝半導體公司生產(chǎn)的高速光耦隔離型IGBT/MOSFET驅動(dòng)芯片TLP250。TLP250具有隔離電壓高、驅動(dòng)能力強、開(kāi)關(guān)速度快等特點(diǎn)。驅動(dòng)電路的原理圖如圖3所示。
在推挽升壓驅動(dòng)(U1、U2)中，TLP250負責驅動(dòng)信號幅值與電流的匹配，而對于全橋逆變驅動(dòng)(U3、U4、U5、U6)，不但要考慮驅動(dòng)電平和驅動(dòng)能力，還要考慮好上下管驅動(dòng)信號的隔離問(wèn)題。為簡(jiǎn)化設計，全橋逆變的上管驅動(dòng)(U3、U5)采用了自舉供電的方式，減少隔離電源的使用數目。

對逆變橋的驅動(dòng)電路，為避免上下管直通，設計中需要考慮死區問(wèn)題。STM32單片機的PWM模塊具有死區功能，本設計采取了軟件死區方法。這樣做的另一個(gè)好處是，對不同的功率管只需改變軟件設計即可獲得最佳的死區參數。

5)采樣電路

輸出電壓采樣用于反饋穩壓，輸出電流采樣用于過(guò)載保護，母線(xiàn)電流采樣用于短路保護，母線(xiàn)電壓采樣用于限制母線(xiàn)電壓虛高，輸入電壓采樣用于輸入過(guò)壓/欠壓保護。輸出采樣中使用了電流互感器與電壓互感器，大大減小了系統干擾，提高了系統的可靠性。取樣電路的原理圖如圖4所示。
對于輸出電流取樣，本設計中使用了5A/5mA電流互感器。由于電流互感器的輸出為毫伏級的交流信號，為了能夠被單片機內部AD模塊采集到，必須將其整流成直流信號并加以放大。而普通二極管整流電路對毫伏級電壓是無(wú)效的，因此，此處采用了由運算放大器(U11，LM358)構成的小電壓整流電路。實(shí)際測試表明，該電路有效解決了毫伏級信號的采樣問(wèn)題。
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系統軟件設計

為了提高系統的可讀性以及代碼效率，軟件采用狀態(tài)機思想設計，圖5所示為系統的狀態(tài)轉換圖。系統上電復位后進(jìn)入SAMPLE采樣狀態(tài)，若檢測到采樣完成標志FINISH則進(jìn)入JUDGE狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果FAULT不為0即有故障信號(過(guò)壓/欠壓、過(guò)載、短路)，則進(jìn)入PROTECT狀態(tài)關(guān)閉輸出，并跳轉到WAIT狀態(tài)等待故障信號消除。當故障信號消除后，系統軟重啟，開(kāi)始新的采樣及檢測。JUDGE狀態(tài)后如果未檢測到故障信號，則進(jìn)入NORMAL正常狀態(tài)，進(jìn)行電壓調整。
系統上電后，首先完成各個(gè)外設的初始化，主要包括系統時(shí)鐘、定時(shí)器、GPIO口、ADC、DMA、中斷及SPI的初始化。在此，定時(shí)器和中斷一旦初始化完成，PWM及SPWM波就會(huì )生成?？紤]到過(guò)流、短路保護及反饋穩壓的實(shí)時(shí)性要求較高，故在中斷內完成。欠壓、過(guò)壓對實(shí)時(shí)性要求低，放在主程序內。為提升系統的性能，ADC采樣使用DMA方式傳輸數據，傳輸完成后，發(fā)出中斷申請，對采集到的數據進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波處理，其他功能函數調用此數據完成相應的保護及穩壓功能。主程序的流程圖如圖6所示。 [page]
調試與實(shí)驗

根據以上思想試制一臺400W的樣機，采用IRF3205作為推挽升壓的功率管，HER307作為整流二極管，全橋逆變功率管則采用IRF840。前級升壓的PWM波頻率設置為20kHz，后級SPWM波的頻率設置為18kHz，輸出濾波電感L為1mH，輸出濾波電容C為4.7μF。實(shí)際測試正弦交流輸出電壓精度為220V±1%，頻率精度為50Hz±0.1%，THD小于1.5%，逆變效率大于87%，其滿(mǎn)負載時(shí)的試驗波形如圖7所示(輸出經(jīng)20kΩ/100kΩ電阻分壓測到)。
結束語(yǔ)

文中完整地討論了以STM32單片機為主控制器的數控正弦波逆變電源的設計，并對其中涉及關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了詳細的討論。針對高端電子設備對逆變電源的更高要求，提出了一種有效的解決途徑。使用該設計方案在簡(jiǎn)化逆變電源的硬件設計的同時(shí)，大大提升了電源的品質(zhì)與性能，具有很高的推廣價(jià)值。

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