【導讀】本文將介紹一款逆變器設計方案，該方案具有高精度、小體積、全數字等特點，當出現過流、過壓或者過載情況時，能夠迅速封鎖PWM脈沖和關斷MOSFET，并及時將故障信息顯示出來，實現了逆變器的智能化。
系統總體方案
1、總體設計框圖
如圖1所示，逆變器系統由升壓電路、逆變電路、控制電路和反饋電路組成。低壓直流電源DC12V經過升壓電路升壓、整流和濾波后得到約DC170V高壓直流電，然后經全橋逆變電路DC/AC轉換和LC濾波器濾波后得到AC110V的正弦交流電。
逆變器以ARM控制器為控制核心，輸出電壓和電流的反饋信號經反饋電路處理后進入ARM處理器的片內AD，經AD轉換和數字PI運算后，生成相應的SPWM脈沖信號，改變SPWM的調制比就能改變輸出電壓的大小，從而完成整個逆變器的閉環控制。
2、SPWM方案選擇
2.1、PWM電源芯片方案
采用普通的PWM電源控制芯片，如SG3525、TL494、KA7500等，此類芯片的優點是能夠直接的產生脈寬調制信號，但是它缺點是波形線性不好，而且振蕩發生器是依賴充放電電路而產生波形，當要PWM芯片產生SPWM信號需要附加額外很多電路。
2.2、CPU軟件方案
采用CPU產生SPWM脈沖，如單片機、ARM或DSP等，此種方法的優點是脈寬可以通過軟件的方式來調節，不僅精度較高，而且外圍電路也很簡單便宜。
終上所述，選擇STM32F107(ARM)完成SPWM脈沖的產生和整個逆變器的控制。
[page]
3.系統硬件電路設計
3.1CPU控制器
CPU是整個逆變器的核心部分，主要負責反饋信號的采集、數字PI閉環計算、PWM波輸出、參數設置和外部通信。CPU采用的是ST公司最新推出的STM32F107系列ARM芯片。該系列芯片采用ARM公司32位的CortexM3為核心，最高主頻為72MHz,Cortex核心內部具有單周期的硬件乘法和除法單元，所以適合用于高速數據的處理。芯片具有三個獨立的轉換周期，最低為1μs的高速模數轉換器，三個獨立的數模轉換器帶有各自獨立的采樣保持電路，所以特別適合三相電機控制、數字電源和網絡應用。芯片還帶有豐富的通訊單元，包括1個以太網接口、5個異步串行接口、1個USB從器件、1個CAN器件、I2C和SPI等模塊。
3.2驅動和逆變電路
逆變主電路如圖2所示采用基于H橋的單相全橋逆變電路。單相全橋逆變電路主要由Q1、Q2、Q3、Q4四個MOSFET構成。在AC于OUT之間如果加入負載就構成了逆變回路。控制Q1、Q2、Q3、Q4按一定的順序導通、截止就能夠得到所要的正弦波形。
對于本設計，開關管的選擇主要以它的額定電壓和額定電流為依據。這里選擇額定電壓為500V,額定電流為20A的IRFP460N溝道增強型MOS管為開關管。可滿足設計的要求。為了限制MOSFET門極的驅動電流，需要在門極串聯限流電阻，防止由過流導致的器件損壞。
[page]
2.3濾波電路
經過兩路SPWM信號的驅動在負載電阻上產生的電壓波形是按正弦規律變化的方波。它是一個雙極性的SPWM波形。實際需要的是頻率為50Hz的正弦波，因此需要將SPWM波進行濾波。一般的PWM逆變器采用LC低通濾波器。對于LC濾波器的設計，首先考慮濾波器的截止頻率，LC濾波器的截止頻率見式(1)。
綜合考慮濾波器輸出電壓諧波失真度、系統的動態響應以及體積、重量等因素，選取截止頻率，選取。
2.4推挽升壓電路
推挽升壓電路采用兩個參數相同的MOSFET管和升壓變壓器組成，推挽變壓器的特點是效率高，損耗低，適用于低輸入高輸出。推挽升壓電路如圖3所示，采用兩個MOS管分別開通的結構，選取IPRF250場效應管，額定電流為30A，額定電壓為250V，在可以滿足要求的同時內阻較小，是最為合理的選擇。
3.系統軟件設計
CPU主要功能是完成閉環PI控制算法、發送SPWM脈沖、故障保護、數據顯示和遠程通信。系統軟件主要是對STM32芯片的編程，開發環境采用德國Keil公司KeiluVision4軟件，編程語言采用C語言。
[page]
程序由主程序和若干子程序：通信程序、采樣子程序、PWM中斷程序、顯示程序等組成。進入PWM中斷后，首先對各路反饋信號進行采集和處理，該流程圖如圖4所示，然后經數字PI調節器運算后產生PWM脈沖輸出，經驅動電路隔離放大后驅動MOSFET，實現整個逆變電源系統的閉環控制。
逆變器采用全數字控制，所有參數均能通過顯示面板進行設置，數碼管夠實時顯示逆變器系統的輸入電壓、輸入電流、輸出電流、輸出電壓、運行狀態、故障信息等，當發生故障時，CPU將所有PWM脈沖全部封鎖，然后將過壓、過流、過載等故障信息顯示出來，并且蜂鳴器發聲報警。
實驗結果
其中圖5(a)是CPU發出的兩路互補對稱的SPWM脈沖波形，死區時間是3us；圖5(b)是全橋逆變電路其中一個橋臂上下MOSFET的驅動波形；圖5(c)是逆變器輸出交流正弦電壓波形；圖5(d)是逆變器電流輸出波形。從圖中我們可看出逆變器輸出電壓波形幾乎不失真，輸出電流THD控制在5%以內，達到了很好的控制效果。
總結
本文提出的一種ARM控制的逆變器設計方案，是基于ARM(STM32F107)的全數字控制的逆變器，其具有高精度、小體積、全數字等特點，所有電源參數直接通過人機界面設定并存儲，并具備與上位機遠程通信的功能。實驗表明，該方案中做設計的逆變器能夠實現軟啟動功能，當出現過流、過壓、過載情況時，能夠迅速封鎖PWM脈沖和關斷MOSFET，并及時將故障信息顯示出來，實現了逆變器的智能化。
相關閱讀：
推薦：IPM電路設計及在單相逆變器中的應用
http://m.sg1668.com/power-art/80021693
成本5元！超簡單實用的逆變器DIY
http://m.sg1668.com/power-art/80021706
一種新型全橋光伏并網逆變器設計
http://m.sg1668.com/opto-art/80021618
