单相正弦波变频电源

单相正弦波变频电源（D题）

摘要：本单相正弦波变频电源装置，由直流电源输入24v，直流电源分为两路：一路再次经过Buck电路成为辅助电源模块，另一路通过同步Boost电路升压至一定值供逆变器使用。后级逆变采用单相全桥拓扑，使用TI公司的单片机MSP430G2553产生所需要的SPWM驱动波形，实现单极性全桥逆变。装置包含输入输出电压电流采样电路，拥有过压欠压保护、过流短路保护，对输出的电能进行实时监测并保证装置安全。同时，可通过独立按键调整频率参数，可以任意变化频率。经测试，本装置稳定可靠，并完成了所有题目要求的指标。

关键词：变频电源；全桥逆变；SPWM

1、系统方案论证

根据题目要求，设计系统总体方案如图1所示。系统主要由boost升压变换模块、DC-AC变换模块、采样反馈模块、辅助电源模块与核心控制模块组成。系统框图如图1所示。

图1 系统总体框图

1.2 升压方案选择

方案一：采用变压器升压，快捷方便，但是高功率变压器体积庞大笨重适合升220V交流时采用。

方案二：采用boost升压，需要搭载boost升压电路以及驱动较为麻烦，但是可控性强。

综合考虑题目的要求，选择方案二。

1.2 DC-AC逆变方案选择

方案一：采用硬件产生SPWM信号驱动全桥电路进行逆变。此方案电路设计复杂，增加整体系统复杂性和不可靠度，且硬件调节频率，无法做到精确快速调节。

方案二：采用软件编程，由单片机产生SPWM信号驱动全桥电路进行逆变。此方案虽然一定程度增加了单片机工作量，但操作简单，易于实现，具有可调节，精度高的特点。

综合考虑题目的要求，选择方案二。

1.3 辅助电源选择与设计

方案一：双电源供电：由于AD637芯片是需要正负双电源供电，所以辅助电源必须要有一个负电源，所以可以采用buck电路来得到正电源，由buck-boost 反极性拓扑电路得到负电源，但是buck-boost会造成系统电路的不稳定，很有可能会损坏芯片。

方案二：单电源供电：单电源电路设计简单，主要采用buck降压电路将输入电源电压降到12V供电。但是这就需要重新设计AD637电路，要使AD637能单电源供电，这样检测部分的电路就会比较复杂。

为了确保设计能稳定有效的进行，选择方案二。

1.4 检测与控制电路方案选择与设计

1.4.1 主控选择

方案一：采用TI公司的MSP430G2553作为主控器，其最主要的特点是功耗较低，可以提高整体系统的效率.。

方案二：采用TI公司TMS320F28335的DSP作为主控器，其主要特点是浮点运算快，适合用于控制逆变并实现瞬时控制。但功耗较大，且软件较为复杂。

综合上面的方案，本次设计的主控器采用MSP430G2553。

1.4.3检测模块选择

方案一：采用AD637芯片，由于只有正电源供电，于是可以将AD637电位整体抬高，用3个电位形成双电源0V、3.3V、12V。这里由于是采集半路的分压电压值，所以输入永远在0v以上可以保证不会截至。然后将抬高了3.3V的有效值输出通过一个差放大器将电位减去3.3V。得到有效值送入单片机。

方案二：采用半路电阻分压后，直接将交流信号送入单片机，由单片机进行采点分析有效值，这样的缺点是会大大拖慢程序运行速度，而且精度不高且得出的有效值也不稳。

通过比较，最终选择方案一。

2、理论计算与电路设计

2.1 boost 参数计算

该部分采用同步整流升压电路，由于MSP430G2553的两个定时器中只有一个

定时器能输出双路互补PWM ，已经被逆变的SPWM 占用的了一个资源，所以我们只能采用能单路变双路输出的IR2104作为驱动管。由于IR2104驱动能力不足，所以驱动较慢，同时为了满足单片机控制需要，这里的同步整流采用的10KHz 的频率，因为较低的开关频率，我们需要更大的电感，我们这采用了1mH 的电感。 以及470+100uF 的电容。

用于需要过压以及欠压保护，输入我们采用的两个分压电阻，用单片机来采集输入电压值。

图3 boost 升压电路

2.2 DC-AC

逆变参数计算

该模块电路采用全桥逆变拓扑，MOS 管采用低导通损耗的IRF4310。该开关管最大漏源电压100V ，导通阻抗低至5.6mΩ，符合要求且性能优良。综合考虑输出滤波器尺寸和开关损耗，取SPWM 开关频率为6kHz ，则按照经验，取LC 滤波器截止频率为500Hz 即可。即截止频率

Hz LC

f m 50021==

π (2-1)

此处取滤波电容47uF ，则电感为2.1mH 。

全桥逆变电路原理图如图3所示。

图3 全桥逆变电路

2.3 电压电流采样电路设计

使用单路电阻分压和电流互感器对电压电流进行采样，电流互感器搭配一个放大器可以将电流值转化为电压值。由公式

f

OUT IR V = (2-2)

取合适的电压值，可以算出Rf 为1.6K 。

使用AD637有效值转化电路，将交流转化为直流信号，因为AD637的供电是抬高3.3V 供电，所以AD637输出为：

V U U AV OUT AD 3.3637+= (2-3)

所以利用差分放大电路构成减法电路,将输出降低3.3V ，即检测部分输出：

AV OUT AD U V U Uo =-=3.3637 (2-4)

电压电流采样原理图如图4所示。

图4 AD637有效值转化电路电路

2.4 辅助电源设计

估算系统辅助电源功耗小于2W，但直接从直流母线取电使用三端稳压器稳压，将会使其发热严重，效率很低，故采用开关电源.

图5 辅助电源电路