根据STM32高性能全数字式正弦波逆变电源的设计方案

摘要

本文提出一种高功用全数字式正弦波逆变电源的规划计划。该计划分为前后两级，前级选用推挽升压电路将输入的直流电升压到350V左右的母线电压，后级选用全桥逆变电路，逆变桥输出经滤波器滤波后，用阻隔变压器进行电压采样，电流互感器进行电流采样，以构成反应环节，添加电源输出的安稳性。

升压级PWM驱动及逆变级SPWM驱动均由STM32单片机发生，减小了硬件开支。依据上述计划试制的400W样机，具有输出短路维护、过流维护及输入过压维护、欠压维护功用，50Hz输出时频率误差小于0.05Hz，满载(400W)功率高于87%，电压精度为220V±1%，THD小于1.5%.

逆变电源运用广泛，特别是精密仪器对逆变电源的功用要求更高。高功用逆变电源不只要求作业安稳、逆变功率高、输出波形特性好、维护功用完全，还要求逆变电源小型化、智能化、而且具有可扩展性。文中提出一种依据STM32系列单片机STM32F103VE的纯数字式正弦逆变电源，该电源的悉数功用由单片机操控完结，具有输出电压、频率安稳，功率高，维护功用完全的特色。

体系规划

体系的全体结构如图1所示。体系选用高频逆变计划，即前级升压加后级逆变的结构，这样可以防止运用粗笨的工频变压器，有用的下降了电源的体积、分量及本钱，进步电源的功率。电路的作业原理是，12 V的直流输入电压通过滤波后由推挽升压和全桥整流升压到350 V的直流母线电压，再通过全桥逆变电路转变为220 V/50 Hz的工频沟通电，采样电路对相应点进行采样，以完结闭环操控及维护功用。

图1

因为大电流条件下，功率管驱动信号占空比过小会导致发热严峻，功率下降，故逆变电源的前级选用准开环的操控办法，即输入电压在必定范围内时，驱动信号占空比开到最大并坚持不变，输入电压过高时，减小占空比，保持母线电压在必定范围内。这样做的优点是，可以使前级升压取得较高的功率。

体系硬件规划

逆变电源硬件结构如图2所示。首要包含直流推挽升压电路、正弦逆变电路、输出滤波电路、驱动电路、采样电路、主操控器和点阵液晶构成。其间，直流升压部分将输入电压升高至输出正弦沟通电的峰值以上的母线直流电压，正弦逆变部分将母线直流电压逆变后经输出滤波电路得到正弦式沟通电，采样电路则对母线电压、母线电流、输出电压、输出电流、输入电压进行采样，以完结短路维护、过压欠压维护、过流维护、闭环稳压等功用。驱动电路的功用是将驱动信号的逻辑电平进行匹配扩大，以满意驱动功率管的要求。操控电路的功用是发生驱动信号，并对采样信号进行处理，以完结杂乱的体系功用。点阵液晶的功用是显现体系作业信息，假如输出电压、电流以及维护信息等。

图2

1)主操控器

主操控器选用STM32F103VE增强型单片机，STM32系列单片机是意法半导体公司专门为高功用、低本钱、低功耗的嵌入式运用规划的产品。此单片机选用哈佛结构，使处理器可以一起进行取址和数据读写操作，处理器的功用高达1.25 MIPS/MHz.支撑单周期硬件乘除法，最高时钟频率72 M，最大可达512 kB片上Flash及64 kB片上RAM.一起具有多达30路PWM及3个12位精度的ADC等很多适合做逆变及电机驱动的外设。在本体系中用于发生PWM、SPWM驱动信号，并对采样信号进行处理，以完结稳压反应及维护功用，并驱动点阵液晶显现体系信息。考虑实践的功率管及驱动芯片的速度，升压PWM波的频率为20 kHz，逆变SPWM波的频率为18 kHz.依据调制办法的不同，SPWM驱动信号办法可以分为：双极性、单极性和单极性倍频。因为双极性调制失真度小，故本规划中SPWM选用双极性驱动办法。

2)点阵液晶

选用LPH7366型点阵液晶，具有超低功耗的特色。用于显现体系当时的作业状况，如输出电压、输出电流、输入电压等信息。一起指示体系是否处于维护以及处于何种维护状况。

3)辅佐电源

为体系不同部分供给不同的电压电需求，由直流输入电压经LM2596—5 V降压到5.0 V后一部分为采样电路供电，另一部分经LDO稳压器LM117—3.3 V稳压到3.3 V供处理器及点阵液晶运用。一起，由推挽变压器的一个辅佐绕组得到20 V左右的电压，经整流滤触及LM2596-ADJ稳压到15 V后供驱动电路运用。

4)驱动电路

选用东芝半导体公司出产的高速光耦阻隔型IGBT/MOSFET驱动芯片TLP250.TLP250具有阻隔电压高、驱动才能强、开关速度快等特色。驱动电路的原理图如图3所示。

图3 驱动电路原理图

在推挽升压驱动(U1、U2)中，TLP250担任驱动信号幅值与电流的匹配，而关于全桥逆变驱动(U3、U4、U5、U6)，不但要考虑驱动电平缓驱动才能，还要考虑好上下管驱动信号的阻隔问题。为简化规划，全桥逆变的上管驱动(U3、U5)选用了自举供电的办法，削减阻隔电源的运用数目。

对逆变桥的驱动电路，为防止上下管直通，规划中需求考虑死区问题。STM32单片机的PWM模块具有死区功用，本规划采取了软件死区办法。这样做的另一个优点是，对不同的功率管只需改动软件规划即可取得最佳的死区参数。

5)采样电路

输出电压采样用于反应稳压，输出电流采样用于过载维护，母线电流采样用于短路维护，母线电压采样用于约束母线电压虚高，输入电压采样用于输入过压/欠压维护。输出采样中运用了电流互感器与电压互感器，大大减小了体系搅扰，进步了体系的可靠性。取样电路的原理图如图4所示。

图4 取样电路原理图

关于输出电流取样，本规划中运用了5 A/5 mA电流互感器。因为电流互感器的输出为毫伏级的沟通信号，为了可以被单片机内部AD模块收集到，有必要将其整流成直流信号并加以扩大。而一般二极管整流电路对毫伏级电压是无效的，因而，此处选用了由运算扩大器(U11，LM3 58)构成的小电压整流电路。实践测验标明，该电路有用处理了毫伏级信号的采样问题。

体系软件规划

为了进步体系的可读性以及代码功率，软件选用状况机思维规划，图5所示为体系的状况转换图。体系上电复位后进入SAMPLE采样状况，若检测到采样完结标志FINISH则进入JUDGE状况进行判别，假如FAULT不为0即有毛病信号(过压/欠压、过载、短路)，则进入PROTECT状况封闭输出，并跳转到WAIT状况等候毛病信号消除。当毛病信号消除后，体系软重启，开端新的采样及检测。JUDGE状况后假如未检测到毛病信号，则进入NORMAL正常状况，进行电压调整。

图5

体系上电后，首要完结各个外设的初始化，首要包含体系时钟、定时器、GPIO口、ADC、DMA、中止及SPI的初始化。在此，定时器和中止一旦初始化完结，PWM及SPWM波就会生成。考虑到过流、短路维护及反应稳压的实时性要求较高，故在中止内完结。欠压、过压对实时性要求低，放在主程序内。为进步体系的功用，ADC采样运用DMA办法传输数据，传输完结后，宣布中止请求，对收集到的数据进行简略滤波处理，其他功用函数调用此数据完结相应的维护及稳压功用。主程序的流程图如图6所示。

图6

调试与实验

依据以上思维试制一台400 W的样机，选用IRF3205作为推挽升压的功率管，HER307作为整流二极管，全桥逆变功率管则选用IRF840.前级升压的PWM波频率设置为20 kHz，后级SPWM波的频率设置为18 kHz，输出滤波电感L为1 mH，输出滤波电容C为4.7μF.实践测验正弦沟通输出电压精度为220 V±1%，频率精度为50 Hz±0.1%，THD小于1.5%，逆变功率大于87%，其满负载时的实验波形如图7所示(输出经20 kΩ/100 kΩ电阻分压测到)。

图7

结束语

文中完整地评论了以STM32单片机为主操控器的数控正弦波逆变电源的规划，并对其间触及关键问题进行了具体的评论。针对高端电子设备对逆变电源的更高要求，提出了一种有用的处理途径。运用该规划计划在简化逆变电源的硬件规划的一起，大大进步了电源的质量与功用，具有很高的推行价值。