本文提出一種高性能全數字式正弦波逆變電源的設計方案。該方案分為前後兩級
，前級采用推挽升壓電路將輸入的直流電升壓到350V左右的母線電壓，後級采用全橋逆變電路，逆變橋輸出經濾波器濾波後，用隔離變壓器進行電壓采樣
，電流互感器進行電流采樣
，以形成反饋環節
，增加電源輸出的穩定性。升壓級PWM驅動及逆變級SPWM驅動均由STM32單片機產生，減小了硬件開支。基於上述方案試製的400W樣機，具有輸出短路保護
、過流保護及輸入過壓保護、欠壓保護功能
，50Hz輸出時頻率偏差小於0.05Hz，滿載（400W）效率高於87%，電壓精度為220V±1%

，THD小於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、並且具備可擴展性。下文提出了一種基於STM32係列單片機STM32F103VE的純數字式正弦逆變電源。

 

 

係統的整體框架如圖1所示。係統采用高頻逆變方案，即前級升壓加後級逆變的結構，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，12 V的直流輸入電壓經過濾波後由推挽升壓和全橋整流升壓到350 V的直流母線電壓，再經過全橋逆變電路轉變為220 V/50 Hz的工頻交流電，采樣電路對相應點進行采樣，以實現閉環控製及保護功能。

 

 

圖1：係統的整體框架

 

youyudadianliutiaojianxia，gonglvguanqudongxinhaozhankongbiguoxiaohuidaozhifareyanzhong，xiaolvjiangdi
，gunibiandianyuandeqianjicaiyongzhunkaihuandekongzhifangshi，jishurudianyazaiyidingfanweineishi
，qudongxinhaozhankongbikaidaozuidabingbaochibubian，shurudianyaguogaoshi，jianxiaozhankongbi，weichimuxiandianyazaiyidingfanweinei。zheyangzuodehaochushi，keyishiqianjishengyahuodejiaogaodexiaolv。

 

 

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
、驅動電路
、采樣電路
、主(zhu)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)點(dian)陣(zhen)液(ye)晶(jing)構(gou)成(cheng)。其(qi)中(zhong)，直(zhi)流(liu)升(sheng)壓(ya)部(bu)分(fen)將(jiang)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)升(sheng)高(gao)至(zhi)輸(shu)出(chu)正(zheng)弦(xian)交(jiao)流(liu)電(dian)的(de)峰(feng)值(zhi)以(yi)上(shang)的(de)母(mu)線(xian)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)
，正(zheng)弦(xian)逆(ni)變(bian)部(bu)分(fen)將(jiang)母(mu)線(xian)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)逆(ni)變(bian)後(hou)經(jing)輸(shu)出(chu)濾(lv)波(bo)電(dian)路(lu)得(de)到(dao)正(zheng)弦(xian)式(shi)交(jiao)流(liu)電(dian)，采(cai)樣(yang)電(dian)路(lu)則(ze)對(dui)母(mu)線(xian)電(dian)壓(ya)
、母線電流、輸出電壓
、輸出電流、輸入電壓進行采樣

，以實現短路保護
、過壓欠壓保護、過流保護、閉bi環huan穩wen壓ya等deng功gong能neng。驅qu動dong電dian路lu的de功gong能neng是shi將jiang驅qu動dong信xin號hao的de邏luo輯ji電dian平ping進jin行xing匹pi配pei放fang大da
，以yi滿man足zu驅qu動dong功gong率lv管guan的de要yao求qiu。控kong製zhi電dian路lu的de功gong能neng是shi產chan生sheng驅qu動dong信xin號hao
，並bing對dui采cai樣yang信xin號hao進jin行xing處chu理li
，以yi實shi現xian複fu雜za的de係xi統tong功gong能neng。點dian陣zhen液ye晶jing的de功gong能neng是shi顯xian示shi係xi統tong工gong作zuo信xin息xi，如ru果guo輸shu出chu電dian壓ya、電流以及保護信息等。

 

 

圖2：逆變電源硬件結構

 

1）主控製器

 

主控製器選用STM32F103VE增強型單片機，STM32係列單片機是意法半導體公司專門為高性能、低成本
、低功耗的嵌入式應用設計的產品。此單片機采用哈佛結構，使處理器可以同時進行取址和數據讀寫操作，處理器的性能高達1.25 MIPS/MHz.支持單周期硬件乘除法，最高時鍾頻率72 M
，最大可達512 kB片上Flash及64 kB片上RAM.同時具有多達30路PWM及3個12位精度的ADC等眾多適合做逆變及電機驅動的外設。在本係統中用於產生PWM
、SPWM驅(qu)動(dong)信(xin)號(hao)，並(bing)對(dui)采(cai)樣(yang)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)，以(yi)完(wan)成(cheng)穩(wen)壓(ya)反(fan)饋(kui)及(ji)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)
，並(bing)驅(qu)動(dong)點(dian)陣(zhen)液(ye)晶(jing)顯(xian)示(shi)係(xi)統(tong)信(xin)息(xi)。考(kao)慮(lv)實(shi)際(ji)的(de)功(gong)率(lv)管(guan)及(ji)驅(qu)動(dong)芯(xin)片(pian)的(de)速(su)度(du)，升(sheng)壓(ya)PWM波的頻率為20 kHz，逆變SPWM波的頻率為18 kHz.根據調製方法的不同，SPWM驅動信號形式可以分為：雙極性、單極性和單極性倍頻。由於雙極性調製失真度小，故本設計中SPWM采用雙極性驅動方式。

 

2）點陣液晶

 

選用LPH7366型點陣液晶
，具有超低功耗的特點。用於顯示係統當前的工作狀態

，如輸出電壓、輸出電流、輸入電壓等信息。同時指示係統是否處於保護以及處於何種保護狀態。

 

3）輔助電源

 

為係統不同部分提供不同的電壓電需求，由直流輸入電壓經LM2596—5 V降壓到5.0 V後一部分為采樣電路供電，另一部分經LDO穩壓器LM117—3.3 V穩壓到3.3 V供處理器及點陣液晶使用。同時，由推挽變壓器的一個輔助繞組得到20 V左右的電壓
，經整流濾波及LM2596-ADJ穩壓到15 V後供驅動電路使用。

 

4）驅動電路

 

選用東芝半導體公司生產的高速光耦隔離型IGBT/MOSFET驅動芯片TLP250.TLP250具有隔離電壓高、驅動能力強
、開關速度快等特點。驅動電路的原理圖如圖3所示。

 

 

圖3：驅動電路原理圖

 

在推挽升壓驅動（U1

、U2）中，TLP250負責驅動信號幅值與電流的匹配，而對於全橋逆變驅動（U3、U4
、U5、U6）
，不但要考慮驅動電平和驅動能力，還要考慮好上下管驅動信號的隔離問題。為簡化設計，全橋逆變的上管驅動（U3、U5）采用了自舉供電的方式，減少隔離電源的使用數目。

 

對逆變橋的驅動電路

，為避免上下管直通，設計中需要考慮死區問題。STM32單片機的PWM模(mo)塊(kuai)具(ju)有(you)死(si)區(qu)功(gong)能(neng)，本(ben)設(she)計(ji)采(cai)取(qu)了(le)軟(ruan)件(jian)死(si)區(qu)方(fang)法(fa)。這(zhe)樣(yang)做(zuo)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)好(hao)處(chu)是(shi)，對(dui)不(bu)同(tong)的(de)功(gong)率(lv)管(guan)隻(zhi)需(xu)改(gai)變(bian)軟(ruan)件(jian)設(she)計(ji)即(ji)可(ke)獲(huo)得(de)最(zui)佳(jia)的(de)死(si)區(qu)參(can)數(shu)。

 

5）采樣電路

 

輸shu出chu電dian壓ya采cai樣yang用yong於yu反fan饋kui穩wen壓ya
，輸shu出chu電dian流liu采cai樣yang用yong於yu過guo載zai保bao護hu
，母mu線xian電dian流liu采cai樣yang用yong於yu短duan路lu保bao護hu
，母mu線xian電dian壓ya采cai樣yang用yong於yu限xian製zhi母mu線xian電dian壓ya虛xu高gao
，輸shu入ru電dian壓ya采cai樣yang用yong於yu輸shu入ru過guo壓ya/欠壓保護。輸出采樣中使用了電流互感器與電壓互感器
，大大減小了係統幹擾，提高了係統的可靠性。取樣電路的原理圖如圖4所示。

 

 

圖4：取樣電路原理圖

 

對於輸出電流取樣，本設計中使用了5 A/5 mA電流互感器。由於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並加以放大。而普通二極管整流電路對毫伏級電壓是無效的，因此
，此處采用了由運算放大器（U11

，LM3 58）構成的小電壓整流電路。實際測試表明，該電路有效解決了毫伏級信號的采樣問題。

 

 

為了提高係統的可讀性以及代碼效率
，軟件采用狀態機思想設計，圖5所示為係統的狀態轉換圖。係統上電複位後進入SAMPLE采樣狀態，若檢測到采樣完成標誌FINISH則進入JUDGE狀態進行判斷
，如果FAULT不為0即有故障信號（過壓/欠壓、過載、短路）
，則進入PROTECT狀態關閉輸出
，並跳轉到WAIT狀態等待故障信號消除。當故障信號消除後
，係統軟重啟
，開始新的采樣及檢測。JUDGE狀態後如果未檢測到故障信號
，則進入NORMAL正常狀態，進行電壓調整。

 

 

圖5：軟件采用狀態機思想設計

 

係統上電後，首先完成各個外設的初始化，主要包括係統時鍾、定時器、GPIO口
、ADC、DMA
、中斷及SPI的初始化。在此，定時器和中斷一旦初始化完成，PWM及SPWM波就會生成。考慮到過流
、短路保護及反饋穩壓的實時性要求較高
，故在中斷內完成。欠壓、過壓對實時性要求低，放在主程序內。為提升係統的性能，ADC采樣使用DMA方fang式shi傳chuan輸shu數shu據ju，傳chuan輸shu完wan成cheng後hou，發fa出chu中zhong斷duan申shen請qing，對dui采cai集ji到dao的de數shu據ju進jin行xing簡jian單dan濾lv波bo處chu理li

，其qi他ta功gong能neng函han數shu調tiao用yong此ci數shu據ju完wan成cheng相xiang應ying的de保bao護hu及ji穩wen壓ya功gong能neng。主zhu程cheng序xu的de流liu程cheng圖tu如ru圖tu6所示。

 

 

圖6：主程序的流程

 

 

根據以上思想試製一台400 W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20 kHz，後級SPWM波的頻率設置為18 kHz
，輸出濾波電感L為1 mH，輸出濾波電容C為4.7μF.實際測試正弦交流輸出電壓精度為220 V±1%，頻率精度為50 Hz±0.1%，THD小於1.5%
，逆變效率大於87%，其滿負載時的試驗波形如圖7所示（輸出經20 kΩ/100 kΩ電阻分壓測到）。

 

 

圖7：滿負載時的試驗波形

 

 

文中完整地討論了以STM32danpianjiweizhukongzhiqideshukongzhengxianbonibiandianyuandesheji
，bingduiqizhongshejiguanjianwentijinxinglexiangxidetaolun。zhenduigaoduandianzishebeiduinibiandianyuandegenggaoyaoqiu，tichuleyizhongyouxiaodejiejuetujing。shiyonggaishejifanganzaijianhuanibiandianyuandeyingjianshejidetongshi，dadatishengledianyuandepinzhiyuxingneng，juyouhengaodetuiguangjiazhi。