毕业设计(论文)-12V220V车载逆变电源的设计

陕西航空职业技术学院毕业设计（论文）论文题目：12V/220V车载逆变电源制作所属系部：电子工程学院指导老师：崔保记职称：讲师学生姓名：高宝强班级、学号: ******* 专业：航空电子设备维修2015 年 5 月16 日陕西航空职业技术学院毕业设计（论文）任务书题目：任务与要求：时间： 2014 年 10 月 20 日至 2015 年 5 月 20 日所属系部：学生姓名：学号：专业：指导单位或教研室：电子技术教研室指导教师：职称：高级讲师2014年 10 月 20 日针对传统车载逆变电源存在的缺点, 提出基于ATmega16单片机的数字式车载逆变电源的系统设计方案。

该方案以单片机作为正弦脉冲宽度调制（SPWM）的控制器，采用了占空比可调的正弦波脉宽调制波(SPWM) 技术控制定电力MOSFET 的导通与关断，并通过输出电压反馈的闭环软件控制结构,来提供稳压、欠压保护等功能，把汽车蓄电池的12V 直流电转变成220V 纯正弦交流电。

本系统硬件电路设计主要由推挽拓扑结构的的DC/DC 升压模块，DC/AC 逆变模块,以及主控制电路和外围接口电路模块组成。

控制系统软件则重点阐述逆变器数字控制系统主要环节的设计，给出了软件的总体结构、SPWM波形的实现及软闭环软件控制结构，实现了对逆变器的保护、监测等逻辑控制功能。

最后对主电路及控制电路进行了仿真调试，结果表明，所设计的电路及控制策略能够较好地改善输出波形质量，电源直流升压环节波动小, 输出波形畸变率低, 具有较好性能。

关键词ATmega16 PI控制推挽逆变器一、系统设计方案 (2)1、设计要求 (2)2、方案论证与选取 (3)2.1 SPWM波生成原理及方案选取 (2)2.2 DC-DC升压电路的分析与选取 (4)3、系统设计方案 (5)二、系统硬件设计 (5)1、系统硬件结构 (5)2、主电路设计 (5)2.1 前级升压电路 (5)2.2 后极逆变电路 (7)3、控制电路设计 (8)3.1 前级控制电路 (8)3.2 后极控制电路 (9)4、驱动电路设计 (10)5、保护电路设计 (11)5.1 输入过压保护电路 (11)5.2 输入欠压保护电路 (11)5.3 系统过热保护电路 (12)5.4 输出过压保护电路 (13)5.5 输出过流保护电路 (13)三、系统软件设计 (14)1、主程序设计 (14)2、SPWM控制信号的产生 (15)四、结果分析 (16)1、主电路仿真 (16)2、仿真结果与分析 (16)五、结论 (17)参考文献 (15)12V/220V车载逆变电源制作引言车载电源又叫电源逆变器，能够将蓄电池12V直流电转换为和市电相同的220V交流电，供一般电器使用，由于常用于汽车而得名。

车载电源一般使用汽车电瓶或者点烟器供电，先将这样的低压直流电转换为320V左右的直流电，再将高压的直流电转变为220V、50Hz的交流电。

有了车载电源，就可以把家里所有的小家电搬到车上使用，如手机、笔记本电脑、数码相机、车用冰箱、摄像机、DVD等，从而使人在车里有一种置身家中的感觉。

自它面世以后，那些在车里使用电器的诸多局限将不复存在，可以使人真正享受“与家同行，与世界相通”的感觉。

文中采用成本低廉的单片机，用软件方法生成SPWM脉宽控制波，使得逆变器输出波形谐波畸变率减小，整机稳定性提高，并且还可实现智能控制。

下面介绍一台输入12V 直流，输出220V，50Hz交流，100W 单片机控制的DC/AC正弦波逆变电源。

一、系统设计方案1、设计要求车载逆变器是一种能够将 DC/12V 直流电转换为和市电相同的 AC/220V 交流电，供一般电器使用，是一种方便的车用电源转换器。

通常设备工作空间狭小，环境恶劣，干扰大,因此对电源的设计要求也很高，除了应具有良好的电气性能外，还必须具备体积小，重量轻，成本低，可靠性高，抗干扰强等特点。

逆变电源质量的好坏极大地影响着电子设备的可靠性，其转换效率的高低和带负载能力的强弱直接关系着它的应用范围，因而本设计要求输出电压波形为正弦波，以克服方波逆变器不能带感性负载的特点。

本设计对逆变电源的要求有：1、输出为正弦波。

2、具备输出过压、过流保护功能，当输出电压或电流过高时电源停止工作。

3、具备过热保护功能，防止电源温度过高。

4、具备输入过压、欠压保护功能，当直流电池输入电压过高或过低时逆变器均能自动停止工作。

2、方案论证与选取2.1 SPWM波生成原理及方案选取对于蓄电池或太阳能电池等直流电源供电的高频链逆变器而言，SPWM波的特点是输入为恒定不变的直流电压，通过SPWM技术在逆变电路中同时实现调压和调频，且可简化主回路和控制回路结构、提高系统响应速度。

目前生成SPWM控制波形的方法主要有两类：一是采用模拟电路，二是采用微处理器由程序生成。

1)利用模拟电路生成SPWM脉冲利用模拟电路生成SPWM控制脉冲首先由模拟元件构成的三角波和正弦波产生电路分别产生三角载波信号Ut和正弦波参考信号Ur，然后送入电压比较器，从而产生SPWM 序列，这种利用模拟电路调制方式的优点是完成Ut与Ur信号的比较和确定脉冲所用的时间短，几乎是瞬间完成的。

而且Ut与Ur的交点精确，是两列比较波的自然交点，未做过任何近似处理，比较器输出经死区形成电路即可生成带死区的SPWM波。

然而，这种方法的缺点是所需硬件较多，且难以实现三角波与正弦波的同步，而且模拟元件尤其是运算放大器存在温度漂移等不稳定因素，使得系统调试麻烦，并且不易稳定。

2)利用软件编程方法生成SPWM脉冲在逆变器控制方法设计中，利用软件编程实现SPWM波的算法很多，通常使用较多的有规则采样法。

采用三角波作为载波的规则采样法示意图如图1-1：图1-1 三角波作为载波的规则采样法按自然采样法求得的Ut和Ur的交点为A，和B’，每个脉冲的中点并不和三角波中点重合，对应的SPWM脉宽为t2’，为了简化计算，采用近似的方法求Ut和Ur的交点。

规则采样法使脉冲中点和三角波中点重合，通过两个三角波峰之间中线与Ur的交点M 做水平线与三角波分别交于A和B点，由交点A和B确定的SPWM脉宽为t2，t2和t2’的数值相近，两个脉冲之间相差了一个很小的△t 时间。

规则采样法就是利用Ut 和Ur 的近似交点A 和B 代替实际的交点A ’和B ’，用以确定SPWM 脉冲信号。

这种方法虽然有一定的误差，但此误差工程实践证明是可以忽略的。

因此，SPWM 控制脉冲的实现算法就变为求解简单的三角方程，大大减小了计算量。

))/2sin(1()2/(2t T T t s t **+*=πα （2.2.1）tm rm U U /=α （2.2.2）))/2sin(1()4/(2/)(12131t T T t T t t s **+*=-==πα （2.2.3）由公式2.2.1和2.2.3，可以很容易求得t1和t2值，从而确定相应的脉冲宽度。

在生成SPWM 波形时，通常有查表和实时计算两种方法，实际使用时往往是两种方法的结合，即先离线进行必要的计算存入内存，运行时再进行较为简单的在线计算，这样既可保证快速性，又不会占用大量的内存。

规则采样法通常事先存入正弦函数表，运行时根据要求频率即可算出开关器件的导通时间。

这种方法的计算量很小且波形的幅值和频率都是可以连续变化的。

由规则采样法的原理可知它是用近似的阶梯波来代替正弦波与三角波进行比较，因此它与自然法生成SPWM 相比精度有所降低，但由于其计算公式简单，计算量较小，可大大提高CPU 运行速度，提高程序效率，因此本文在用AVR 单片机对逆变电源进行数字化控制时就是用规则采样法来产生SPWM 波。

2.2 DC-DC 升压电路的分析与选取1)DC-DC 直接升压市场上很多逆变电源采用一次逆变，即12V 的直流电经过一次逆变直接由变压器升压输出220V/50HZ 的交流电。

但是这种方式的输出电压稳定性不高，不能直接使用，且输出调整很不方便，而且变压器体积较大。

2）DC-AC-DC 推挽式升压由于高频开关变换技术的成熟和廉价话，现在逆变器的主要电路形式已经转变成为直流-交流-直流-交流功率变换形式。

即先将直流电转化为高频交流电，一方面有利于减小变压器的体积和电源的重量，另一方面方便调整，可以通过调整交流（PWM ）占空比，来稳定输出电压。

由于要求输出是50HZ 的交流电，所以通常的办法是将高频交流电整流成直流电，再利用50HZ 逆变技术将直流电转化成所需要的50HZ 正弦交流电。

所以本次设计采用二次逆变技术，即先通过高频的开关管将12V 直流转化为高频交流，再通过变压器将高频低压电转换为320V 的高频交流电，然后通过整流滤波将320V 高压交流电转化。

3、系统设计方案综上所述：本次设计采用二次逆变技术，先通过高频变压器将12V直流电变为320V 左右的直流电，然后采用单极性正弦脉宽调制方式，用软件编程方法来产生正弦脉冲调宽波（SPWM）来驱动功率管全桥电路，最终通过LC工频滤波完成12V直流到220V工频准正弦波的转换。

二、系统硬件设计1、系统硬件结构车载逆变电源的主电路设计采用中间直流环节的高频变压器式逆变电系统结构, 由高频逆变、高频变压器隔离升压、整流滤波、高频SPWM 逆变和高频滤波输出组成, 实现DC/12 V输入, AC/220V/50Hz输出。

系统的控制核心采用ATmel公司推出的ATmega16单片机。

逆变器输出电压经过分压采样后反馈到单片机的AD口，单片机对反馈信号与给定信号进行PI调节后输出相应的控制信号。

同时在系统中还要对蓄电池电压, 输出电流和系统温度进行采样, 监控欠压、过压、过流和过温情况。

系统硬件结构图如图3-1所示。

图3-1 系统硬件结构图2 主电路设计2.1 前级升压电路前级升压主电路由推挽变换器、高频变压器T、整流滤波电路构成。

如图3-2所示图3-2 前级升压电路2.1.1 推挽逆变电路（1）工作原理系统前级高频逆变电路采用推挽变换电路，以适应低压大电流输入情况。

Q1和Q2的基极分别接TL494的两个内置晶体管的发射极。

中心器件变压器变压器T1，实现电压由12V脉冲电压转变为320V脉冲电压。

此脉冲电压经过整流滤波电路变成320V高压直流电压。

变压器T1的工作频率选为50KHz左右。

电路正常时， TL494的两个内置晶体管交替导通，导致图中晶体管Q1、Q2的基极也因此而交替导通，Q3和Q4 也交替导通，这样使变压器工作在推挽状态，Q3和Q4以频率为50KHz交替导通，使变压器的初级输入端有50KHz的交流电。

当Q1导通时，场效应管Q3因为栅极无正偏压而截止，而此时Q2截止，导致场效应管Q4栅极有正偏压而导通。