高性能全數(shù)字式正弦波逆變電源設(shè)計(jì)全解析

在推挽升壓驅(qū)動(dòng)(U1、U2)中，TLP250負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值與電流的匹配，而對(duì)于全橋逆變驅(qū)動(dòng)(U3、U4、U5、U6)，不但要考慮驅(qū)動(dòng)電平和驅(qū)動(dòng)能力，還要考慮好上下管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離問題。為簡化設(shè)計(jì)，全橋逆變的上管驅(qū)動(dòng)(U3、U5)采用了自舉供電的方式，減少隔離電源的使用數(shù)目。

對(duì)逆變橋的驅(qū)動(dòng)電路，為避免上下管直通，設(shè)計(jì)中需要考慮死區(qū)問題。STM32單片機(jī)的PWM模塊具有死區(qū)功能，本設(shè)計(jì)采取了軟件死區(qū)方法。這樣做的另一個(gè)好處是，對(duì)不同的功率管只需改變軟件設(shè)計(jì)即可獲得最佳的死區(qū)參數(shù)。

5)采樣電路

輸出電壓采樣用于反饋穩(wěn)壓，輸出電流采樣用于過載保護(hù)，母線電流采樣用于短路保護(hù)，母線電壓采樣用于限制母線電壓虛高，輸入電壓采樣用于輸入過壓/欠壓保護(hù)。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(tǒng)干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性。取樣電路的原理圖如圖4所示。

對(duì)于輸出電流取樣，本設(shè)計(jì)中使用了5 A/5 mA電流互感器。由于電流互感器的輸出為毫伏級(jí)的交流信號(hào)，為了能夠被單片機(jī)內(nèi)部AD模塊采集到，必須將其整流成直流信號(hào)并加以放大。而普通二極管整流電路對(duì)毫伏級(jí)電壓是無效的，因此，此處采用了由運(yùn)算放大器(U11，LM3 58)構(gòu)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(jí)信號(hào)的采樣問題。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)的可讀性以及代碼效率，軟件采用狀態(tài)機(jī)思想設(shè)計(jì)，圖5所示為系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。系統(tǒng)上電復(fù)位后進(jìn)入SAMPLE采樣狀態(tài)，若檢測到采樣完成標(biāo)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(hào) (過壓/欠壓、過載、短路)，則進(jìn)入PROTECT狀態(tài)關(guān)閉輸出，并跳轉(zhuǎn)到WAIT狀態(tài)等待故障信號(hào)消除。當(dāng)故障信號(hào)消除后，系統(tǒng)軟重啟，開始新的采樣及檢測。JUDGE狀態(tài)后如果未檢測到故障信號(hào)，則進(jìn)入NORMAL正常狀態(tài)，進(jìn)行電壓調(diào)整。

系統(tǒng)上電后，首先完成各個(gè)外設(shè)的初始化，主要包括系統(tǒng)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]到過流、短路保護(hù)及反饋穩(wěn)壓的實(shí)時(shí)性要求較高，故在中斷內(nèi)完成。欠壓、過壓對(duì)實(shí)時(shí)性要求低，放在主程序內(nèi)。為提升系統(tǒng)的性能，ADC采樣使用DMA方式傳輸數(shù)據(jù)，傳輸完成后，發(fā)出中斷申請(qǐng)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單濾波處理，其他功能函數(shù)調(diào)用此數(shù)據(jù)完成相應(yīng)的保護(hù)及穩(wěn)壓功能。主程序的流程圖如圖6所示。

調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上思想試制一臺(tái)400 W的樣機(jī)，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(jí)升壓的PWM波頻率設(shè)置為20kHz，后級(jí)SPWM波的頻率設(shè)置為18kHz，輸出濾波電感L為1 mH，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220 V±1%，頻率精度為50 Hz±0.1%，THD小于1.5%，逆變效率大于87%，其滿負(fù)載時(shí)的試驗(yàn)波形如圖7所示(輸出經(jīng)20 kΩ/100 kΩ電阻分壓測到)。

結(jié)束語

文中完整地討論了以STM32單片機(jī)為主控制器的數(shù)控正弦波逆變電源的設(shè)計(jì)，并對(duì)其中涉及關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)的討論。針對(duì)高端電子設(shè)備對(duì)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(shè)計(jì)方案在簡化逆變電源的硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，大大提升了電