基于LM3S?811單相逆變器設(shè)計

王文濤+魯金鈿+彭瑞

摘 要： 在此實現(xiàn)了基于LM3S?811的高頻逆變器，整個系統(tǒng)包括輔助電源、推挽升壓、全橋逆變、SPWM產(chǎn)生、過流保護(hù)以及低通濾波等模塊。DC 12 V低壓直流經(jīng)過挽推升壓轉(zhuǎn)換為高頻方波，再經(jīng)過變壓器升壓和整流、濾波轉(zhuǎn)化為DC 300 V。推挽模塊用SG3525驅(qū)動MOSFET得到高壓直流電，再經(jīng)過LM3S?811產(chǎn)生SPWM波驅(qū)動全橋逆模塊并結(jié)合低通濾波、輸出過流保護(hù)得到工頻AC 220 V，輸出功率可達(dá)240 W。該系統(tǒng)具有體積小、輸出穩(wěn)定等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞： 逆變器； LM3S?811； SPWM； 挽推升壓； 全橋逆變； 過流保護(hù)

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0110?03

Design of uniphase inverter based on LM3S?811

WANG Wen?tao， LU Jin?dian， PENG Rui

（College of Computer Science， South?Central University for Nationalities， Wuhan 430074， China）

Abstract： The high frequency inverter based on LM3S?811 was realized with the design. The whole system is composed of auxiliary power supply， push?pull booster， full?bridge inverter， SPWM wave generator， over?current protection module， low pass filtering module， etc. 12 V DC is converted into a high frequency square wave by push?pull booster， and then is converted into 300 V DC by transformer boosting， rectification， filtering. SG3525 is used in the push?pull module to drive MOSFET for getting high voltage DC. LM3S?811 is used to produce SPWM wave for driving the full?bridge inversion module， and is combined with low pass filtering and output over?current protection to get 220 V AC power frequency. Its output power is up to 240 W. This system has the advantages of small volume and stable output.

Keywords： inverter； LM3S?811； SPWM ； push?pull boosting； full bridge inversion； over?current protection

逆變器出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，隨著社會、計算機技術(shù)和各種新型功率器件的飛速發(fā)展，逆變器得到廣泛的應(yīng)用，逆變裝置也將向著體積更小、效率更高、性能指標(biāo)更優(yōu)越的方向發(fā)展。艦船以及飛行器，在太陽能及風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域，逆變器有著不可替代的作用。功率器件的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了電力晶體管（GTR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）等等，這些可關(guān)斷器件在逆變器中的應(yīng)用大大提高了逆變電源的性能。本文采用電壓脈寬型PWM控制芯片SG3525，以及高壓懸浮驅(qū)動器IR2110，用功率開關(guān)器件MOSFET方案實現(xiàn)高頻逆變電源。另外，直接利用LM3S?811內(nèi)部帶死區(qū)可調(diào)PWM模塊，相對單片機來說，編程更加簡單，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，并實現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)字智能化。

1 設(shè)計方案

1.1 總方案

系統(tǒng)主要包括推挽升壓電路、全橋逆變電路、SPWM波產(chǎn)生電路、保護(hù)電路和輔助電源。DC 12 V經(jīng)過推挽和高頻整流得到高壓直流電，在經(jīng)全橋DC?AC逆變和低通濾波輸出工頻AC 220 V?？驁D如圖1所示。

圖1 總方案流程

1.2 DC?DC方案

對于半橋轉(zhuǎn)換器，可以選擇耐低壓MOSFET，但是必須能承受較大的電流值，如此容易燒壞管子；而推挽轉(zhuǎn)換器，則需要選擇較高電壓值，截止時候需承受2倍供電電源壓值也就24 V，一般MOSFET都可以滿足需求。本系統(tǒng)輸入DC 12 V，但是電流高達(dá)25 A，所以選擇推挽式轉(zhuǎn)換器。

1.3 變壓器后級整流方案

變壓器后級整流常用的有全波和全橋整流兩種方案。全波整流方案，二極管關(guān)斷時承受的反壓比電壓幅值高出一倍，對管子耐壓值要求很高，且變壓器二次繞組有中心抽頭，制作工藝比較復(fù)雜。全橋整流方案，二極管斷開時承受的反壓為交流幅值，且變壓器繞組結(jié)構(gòu)簡單。因為逆變后電壓較高，對管子耐壓要求較高。為了減少工藝制作復(fù)雜度，選擇全橋整流方案。

1.4 SPWM產(chǎn)生方案

SPWM產(chǎn)生可以通過硬件法和軟件法?？上攵?，硬件法設(shè)計既復(fù)雜又不方便測試，所以選擇軟件法，利用LM3S?811內(nèi)部帶死區(qū)可調(diào)的PWM模塊直接生成SPWM波。因頻率較高，故將50 MHz設(shè)置為 LM3S?811內(nèi)部鎖相環(huán)模塊系統(tǒng)時鐘，利用定時中斷按時到按正弦規(guī)律變化的表中查詢改變輸出脈寬。

圖2 SPWM產(chǎn)生流程

2 理論設(shè)計

2.1 變壓器設(shè)計

變壓器是利用磁感應(yīng)的原理來工作的，它的分類很多，有電壓型、電流型、阻抗型等。但基本組成基本一致：初級線圈、次級線圈和磁芯，線圈匝數(shù)計算如下：

初級繞組匝數(shù)：

[N1=（Vi×104）（4fs?Bm?Ae）=1.41≈2]

次級繞組匝數(shù)：

[N2=（N1?Vo）Vi=50]

根據(jù)需要，求出磁芯窗口面積[Aw]與磁芯有效截面積[Ae]的乘積[Ap，]根據(jù)[Ap]值，選擇磁芯。輸出240 W，效率為80%時逆變器輸入端[Pi=]300 W，則輸出功率[Po=]1.06×300=318 W（變壓器功率預(yù)留0.06的裕度）。在變壓器用于推挽變換電路當(dāng)中，由：

[Ap=（po?δ）（ηKBmJfs）×104]

以上公式中[J=]400 A/cm4，[K=]0.4，[Bm=]0.2，[η=]0.8，[δ=]0.8，頻率[fs=]60 kHz，得[Ap=]1.869 cm4，故磁芯選擇ER35（[Ap=AeAw=]2.332 6>1.869），材質(zhì)選擇PC40。

2.2 LC低通濾波設(shè)計

在逆變器的輸出端加了LC濾波器得到正弦交流信號，濾波器的截止頻率[f]定為1.2 kHz，由：

[f=1（2πLC）]

計算得電容應(yīng)選擇[C=3.3] μF，電感[L=]4.7 mH。

3 電路與程序設(shè)計

3.1 挽推升壓電路設(shè)計

本模塊由SG3525產(chǎn)生兩路互補帶死區(qū)的PWM波驅(qū)動IRF3205，為了消除輸出的尖峰電壓，所以在SG352513腳處加一個小電容104。兩個開關(guān)管經(jīng)過變壓器中心端交替導(dǎo)通。電路中整流二極管也是輪流導(dǎo)通的，濾波電感[L]為負(fù)載提供電流同時給電容[C4]充電。電路如圖3所示。

3.2 全橋逆變

用LM3S?811產(chǎn)生的SPWM波通過IRF2110驅(qū)動IRF640，IRF2110驅(qū)動功率器件工作。這個電路不像以往需要多個獨立電源供電來驅(qū)動4個管子只需要一個供電電源即可。由于CMOS管導(dǎo)通時間小于其截止時間，IRF640交替導(dǎo)通的瞬間，在橋路中發(fā)生短路現(xiàn)象，所以在4個MOS管的驅(qū)動端都并聯(lián)上二極管IN4148以加快對電流的吸收從而達(dá)到加速截止的效果。為了避免交替導(dǎo)通瞬間尖峰電壓擊穿開關(guān)管。所以在電路中添加了有緩沖作用的二極管（IN4007）、電容（104）。逆變電路如圖4所示。

3.3 輔助電源

本模塊從P4輸入市電，然后經(jīng)過二極管整流、電容濾波和穩(wěn)壓管LM7805，LM7912得到系統(tǒng)所需的低壓值，輔助電源電路如圖5所示。電路中，P1，P3為輸出，P2與輸入共地。

4 測試結(jié)果分析

（1） 通過對LM3S?811編程，設(shè)置其輸出端PB0和PB2為兩路帶死區(qū)互補SPWM波的輸出端并把SPWM波輸入IR2110逆變電路，測試IR2110輸出端波形，結(jié)果如圖6所示。

（2） 系統(tǒng)通電后，在前級輸入端加表1中輸入（用KPS3030DA穩(wěn)壓電源輸入），在輸出端用4位半數(shù)字萬用表 （MY65）測試，然后計算效率，結(jié)果見表1。

表1 效率測試

[占空比 /%＼&[Vi ]/V＼&[Ii ]/A＼&[Vo ]/V＼&[Io ]/A＼&[η] /%＼&30＼&11.8＼&22.6＼&176＼&1.26＼&83＼&40＼&12.0＼&23.24＼&198＼&1.16＼&82＼&50＼&11.9＼&25.1＼&218＼&1.09＼&79＼&]

圖6 SPWM測試波形

經(jīng)過實際的測試發(fā)現(xiàn)，IR2110輸出端波形較為規(guī)則，受功率器件的影響較小。系統(tǒng)能很好地完成DC 12 V到AC 220 V/50 Hz的逆變且效率能達(dá)到79%以上。測試結(jié)果較理想。

5 結(jié) 語

結(jié)果表明，本設(shè)計總方案是可行的，驗證了理論計算的正確性。這個系統(tǒng)輸出功率在240 W左右（器件損耗會影響功率），通過測試發(fā)現(xiàn)其效率可達(dá)80%，并且體積較小。它制成商品后可用于車載電源、為小家電供電等。不過本系統(tǒng)也存在一些不足之處，比如：由于多次修改電路布局造成功率器件的損耗，理論計算所得的結(jié)果與實際測試結(jié)果存在一定的誤差，變壓器制作工藝比較粗糙。這些都是需要改進(jìn)的地方。

參考文獻(xiàn)

[1] 魏偉，胡瑋，王永清.嵌入式硬件系統(tǒng)接口電路設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2] 梁適安.開關(guān)電源理論與設(shè)計實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[3] 陳永真，孟麗囡.高效率開關(guān)電源設(shè)計與制作[M].北京：中國電力出版社，2008.

[4] 來清民，來俊鵬.ARM Cortex?m3嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和典型實例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[5] 劉鳳君.環(huán)保節(jié)能型H橋及SPWM直流電源式逆變器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[6] 杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[7] 黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[8] 忠炎平.電力電子電路設(shè)計[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

圖2 SPWM產(chǎn)生流程

2 理論設(shè)計

2.1 變壓器設(shè)計

變壓器是利用磁感應(yīng)的原理來工作的，它的分類很多，有電壓型、電流型、阻抗型等。但基本組成基本一致：初級線圈、次級線圈和磁芯，線圈匝數(shù)計算如下：

初級繞組匝數(shù)：

[N1=（Vi×104）（4fs?Bm?Ae）=1.41≈2]

次級繞組匝數(shù)：

[N2=（N1?Vo）Vi=50]

根據(jù)需要，求出磁芯窗口面積[Aw]與磁芯有效截面積[Ae]的乘積[Ap，]根據(jù)[Ap]值，選擇磁芯。輸出240 W，效率為80%時逆變器輸入端[Pi=]300 W，則輸出功率[Po=]1.06×300=318 W（變壓器功率預(yù)留0.06的裕度）。在變壓器用于推挽變換電路當(dāng)中，由：

[Ap=（po?δ）（ηKBmJfs）×104]

以上公式中[J=]400 A/cm4，[K=]0.4，[Bm=]0.2，[η=]0.8，[δ=]0.8，頻率[fs=]60 kHz，得[Ap=]1.869 cm4，故磁芯選擇ER35（[Ap=AeAw=]2.332 6>1.869），材質(zhì)選擇PC40。

2.2 LC低通濾波設(shè)計

在逆變器的輸出端加了LC濾波器得到正弦交流信號，濾波器的截止頻率[f]定為1.2 kHz，由：

[f=1（2πLC）]

計算得電容應(yīng)選擇[C=3.3] μF，電感[L=]4.7 mH。

3 電路與程序設(shè)計

3.1 挽推升壓電路設(shè)計

本模塊由SG3525產(chǎn)生兩路互補帶死區(qū)的PWM波驅(qū)動IRF3205，為了消除輸出的尖峰電壓，所以在SG352513腳處加一個小電容104。兩個開關(guān)管經(jīng)過變壓器中心端交替導(dǎo)通。電路中整流二極管也是輪流導(dǎo)通的，濾波電感[L]為負(fù)載提供電流同時給電容[C4]充電。電路如圖3所示。

3.2 全橋逆變

用LM3S?811產(chǎn)生的SPWM波通過IRF2110驅(qū)動IRF640，IRF2110驅(qū)動功率器件工作。這個電路不像以往需要多個獨立電源供電來驅(qū)動4個管子只需要一個供電電源即可。由于CMOS管導(dǎo)通時間小于其截止時間，IRF640交替導(dǎo)通的瞬間，在橋路中發(fā)生短路現(xiàn)象，所以在4個MOS管的驅(qū)動端都并聯(lián)上二極管IN4148以加快對電流的吸收從而達(dá)到加速截止的效果。為了避免交替導(dǎo)通瞬間尖峰電壓擊穿開關(guān)管。所以在電路中添加了有緩沖作用的二極管（IN4007）、電容（104）。逆變電路如圖4所示。

3.3 輔助電源

本模塊從P4輸入市電，然后經(jīng)過二極管整流、電容濾波和穩(wěn)壓管LM7805，LM7912得到系統(tǒng)所需的低壓值，輔助電源電路如圖5所示。電路中，P1，P3為輸出，P2與輸入共地。

4 測試結(jié)果分析

（1） 通過對LM3S?811編程，設(shè)置其輸出端PB0和PB2為兩路帶死區(qū)互補SPWM波的輸出端并把SPWM波輸入IR2110逆變電路，測試IR2110輸出端波形，結(jié)果如圖6所示。

（2） 系統(tǒng)通電后，在前級輸入端加表1中輸入（用KPS3030DA穩(wěn)壓電源輸入），在輸出端用4位半數(shù)字萬用表 （MY65）測試，然后計算效率，結(jié)果見表1。

表1 效率測試

[占空比 /%＼&[Vi ]/V＼&[Ii ]/A＼&[Vo ]/V＼&[Io ]/A＼&[η] /%＼&30＼&11.8＼&22.6＼&176＼&1.26＼&83＼&40＼&12.0＼&23.24＼&198＼&1.16＼&82＼&50＼&11.9＼&25.1＼&218＼&1.09＼&79＼&]

圖6 SPWM測試波形

經(jīng)過實際的測試發(fā)現(xiàn)，IR2110輸出端波形較為規(guī)則，受功率器件的影響較小。系統(tǒng)能很好地完成DC 12 V到AC 220 V/50 Hz的逆變且效率能達(dá)到79%以上。測試結(jié)果較理想。

5 結(jié) 語

結(jié)果表明，本設(shè)計總方案是可行的，驗證了理論計算的正確性。這個系統(tǒng)輸出功率在240 W左右（器件損耗會影響功率），通過測試發(fā)現(xiàn)其效率可達(dá)80%，并且體積較小。它制成商品后可用于車載電源、為小家電供電等。不過本系統(tǒng)也存在一些不足之處，比如：由于多次修改電路布局造成功率器件的損耗，理論計算所得的結(jié)果與實際測試結(jié)果存在一定的誤差，變壓器制作工藝比較粗糙。這些都是需要改進(jìn)的地方。

參考文獻(xiàn)

[1] 魏偉，胡瑋，王永清.嵌入式硬件系統(tǒng)接口電路設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

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[5] 劉鳳君.環(huán)保節(jié)能型H橋及SPWM直流電源式逆變器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[6] 杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[7] 黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[8] 忠炎平.電力電子電路設(shè)計[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

圖2 SPWM產(chǎn)生流程

2 理論設(shè)計

2.1 變壓器設(shè)計

變壓器是利用磁感應(yīng)的原理來工作的，它的分類很多，有電壓型、電流型、阻抗型等。但基本組成基本一致：初級線圈、次級線圈和磁芯，線圈匝數(shù)計算如下：

初級繞組匝數(shù)：

[N1=（Vi×104）（4fs?Bm?Ae）=1.41≈2]

次級繞組匝數(shù)：

[N2=（N1?Vo）Vi=50]

根據(jù)需要，求出磁芯窗口面積[Aw]與磁芯有效截面積[Ae]的乘積[Ap，]根據(jù)[Ap]值，選擇磁芯。輸出240 W，效率為80%時逆變器輸入端[Pi=]300 W，則輸出功率[Po=]1.06×300=318 W（變壓器功率預(yù)留0.06的裕度）。在變壓器用于推挽變換電路當(dāng)中，由：

[Ap=（po?δ）（ηKBmJfs）×104]

以上公式中[J=]400 A/cm4，[K=]0.4，[Bm=]0.2，[η=]0.8，[δ=]0.8，頻率[fs=]60 kHz，得[Ap=]1.869 cm4，故磁芯選擇ER35（[Ap=AeAw=]2.332 6>1.869），材質(zhì)選擇PC40。

2.2 LC低通濾波設(shè)計

在逆變器的輸出端加了LC濾波器得到正弦交流信號，濾波器的截止頻率[f]定為1.2 kHz，由：

[f=1（2πLC）]

計算得電容應(yīng)選擇[C=3.3] μF，電感[L=]4.7 mH。

3 電路與程序設(shè)計

3.1 挽推升壓電路設(shè)計

本模塊由SG3525產(chǎn)生兩路互補帶死區(qū)的PWM波驅(qū)動IRF3205，為了消除輸出的尖峰電壓，所以在SG352513腳處加一個小電容104。兩個開關(guān)管經(jīng)過變壓器中心端交替導(dǎo)通。電路中整流二極管也是輪流導(dǎo)通的，濾波電感[L]為負(fù)載提供電流同時給電容[C4]充電。電路如圖3所示。

3.2 全橋逆變

用LM3S?811產(chǎn)生的SPWM波通過IRF2110驅(qū)動IRF640，IRF2110驅(qū)動功率器件工作。這個電路不像以往需要多個獨立電源供電來驅(qū)動4個管子只需要一個供電電源即可。由于CMOS管導(dǎo)通時間小于其截止時間，IRF640交替導(dǎo)通的瞬間，在橋路中發(fā)生短路現(xiàn)象，所以在4個MOS管的驅(qū)動端都并聯(lián)上二極管IN4148以加快對電流的吸收從而達(dá)到加速截止的效果。為了避免交替導(dǎo)通瞬間尖峰電壓擊穿開關(guān)管。所以在電路中添加了有緩沖作用的二極管（IN4007）、電容（104）。逆變電路如圖4所示。

3.3 輔助電源

本模塊從P4輸入市電，然后經(jīng)過二極管整流、電容濾波和穩(wěn)壓管LM7805，LM7912得到系統(tǒng)所需的低壓值，輔助電源電路如圖5所示。電路中，P1，P3為輸出，P2與輸入共地。

4 測試結(jié)果分析

（1） 通過對LM3S?811編程，設(shè)置其輸出端PB0和PB2為兩路帶死區(qū)互補SPWM波的輸出端并把SPWM波輸入IR2110逆變電路，測試IR2110輸出端波形，結(jié)果如圖6所示。

（2） 系統(tǒng)通電后，在前級輸入端加表1中輸入（用KPS3030DA穩(wěn)壓電源輸入），在輸出端用4位半數(shù)字萬用表 （MY65）測試，然后計算效率，結(jié)果見表1。

表1 效率測試

[占空比 /%＼&[Vi ]/V＼&[Ii ]/A＼&[Vo ]/V＼&[Io ]/A＼&[η] /%＼&30＼&11.8＼&22.6＼&176＼&1.26＼&83＼&40＼&12.0＼&23.24＼&198＼&1.16＼&82＼&50＼&11.9＼&25.1＼&218＼&1.09＼&79＼&]

圖6 SPWM測試波形

經(jīng)過實際的測試發(fā)現(xiàn)，IR2110輸出端波形較為規(guī)則，受功率器件的影響較小。系統(tǒng)能很好地完成DC 12 V到AC 220 V/50 Hz的逆變且效率能達(dá)到79%以上。測試結(jié)果較理想。

5 結(jié) 語

結(jié)果表明，本設(shè)計總方案是可行的，驗證了理論計算的正確性。這個系統(tǒng)輸出功率在240 W左右（器件損耗會影響功率），通過測試發(fā)現(xiàn)其效率可達(dá)80%，并且體積較小。它制成商品后可用于車載電源、為小家電供電等。不過本系統(tǒng)也存在一些不足之處，比如：由于多次修改電路布局造成功率器件的損耗，理論計算所得的結(jié)果與實際測試結(jié)果存在一定的誤差，變壓器制作工藝比較粗糙。這些都是需要改進(jìn)的地方。

參考文獻(xiàn)

[1] 魏偉，胡瑋，王永清.嵌入式硬件系統(tǒng)接口電路設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

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[3] 陳永真，孟麗囡.高效率開關(guān)電源設(shè)計與制作[M].北京：中國電力出版社，2008.

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[5] 劉鳳君.環(huán)保節(jié)能型H橋及SPWM直流電源式逆變器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[6] 杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[7] 黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[8] 忠炎平.電力電子電路設(shè)計[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.