輸出頻率可調(diào)單相升壓逆變器的設(shè)計(jì)

董招輝，歐俊希，賓 斌，陳文光

（1.南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001；2.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院郴州分院湖南 郴州 423000）

輸出頻率可調(diào)單相升壓逆變器的設(shè)計(jì)

董招輝1，歐俊希2，賓 斌1，陳文光1

（1.南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001；2.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院郴州分院湖南 郴州 423000）

采用同步boost升壓和全橋逆變技術(shù)設(shè)計(jì)了單相正弦波逆變電源電路，將24 V直流轉(zhuǎn)換為36 V交流電壓，以TM4C123GH6PM微控制器為主控芯片，加上輸入電壓前饋控制、輸出電壓-電流雙閉環(huán)PID控制、FFT處理，具有高效（效率為95%）、低THD（0.5%左右）、低瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間（在100 ms以內(nèi)）、輸出頻率20～100 Hz可調(diào)、頻率準(zhǔn)確的特點(diǎn)；在輸入欠過(guò)壓、輸出過(guò)流等情況下，能進(jìn)行自我保護(hù)，故障排除后自恢復(fù)輸出功能；可顯示輸出功率、功率因數(shù)、THD、頻率和電路運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定可靠。

升壓逆變；同步boost；全橋；雙閉環(huán)控制；FFT

Abstract:A single-phase sine-wave inverter power supply is designed.It can convert the 24V DC to 36V AC.It adopts synchronous boost converter and full bridge inverter technology，and TM4C123GH6PM micro-controller as the control chip.The input voltage feed-forward control，the output-voltage-current double closed-loop PID control methods and FFT process are applied.The experimental results show that its convert efficiency high to 95%，THD low to 0.5%，and transient response time within 100ms.The output frequency can adjust from 20 Hz to 100 Hz and with high accuracy；in the cases of input undervoltage，over-voltage and output over current，the inverter can protect and self-recovery under failure recovery； It can display the output power、power factor， THD， frequency and operation status.The system has the features of a compress circuit structure，low cost， running stably and reliably.

Key words:step-up inverter； synchronous boost； full bridge； double closed-loop control； FFT

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，逆變電源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)逆變系統(tǒng)的效率和輸出電壓波形特性也提出了越來(lái)越高的要求。大多升壓逆變電源采用先逆變后變壓器升壓或先隔離升壓再逆變的方式，需要用到隔離變壓器，使得變換器效率低、體積大[1-3]。也有些采用單級(jí)逆變升壓的方式，輸入電壓經(jīng)過(guò)兩個(gè)對(duì)稱的同步boost電路按正弦波實(shí)現(xiàn)升壓交流輸出，整個(gè)拓?fù)湫实?，波形失真大，控制方法?fù)雜[4-5]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的直流24 V轉(zhuǎn)換為36 V交流單相正弦波逆變電源，從提高效率考慮采用同步boost升壓和全橋逆變的主電路拓?fù)洌粡臏p小瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間考慮采用輸入電壓前饋控制[6-8]；從減小輸出波形的諧波考慮采用SPWM控制[9-11]、輸出電壓-電流數(shù)字雙環(huán)PID控制[12-15]、內(nèi)部進(jìn)行FFT處理。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。由同步boost升壓和全橋逆變構(gòu)成系統(tǒng)的主電路。采用TM4C123GH6PM作為控制器，產(chǎn)生SPWM波、保護(hù)信號(hào)及顯示等功能。信號(hào)采集電路一方面采集輸出交流電壓、電流，進(jìn)行系統(tǒng)的雙閉環(huán)PID控制和FFT電參數(shù)分析，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓變頻輸出、過(guò)流及短路保護(hù)；另一方面采集輸入電源電壓進(jìn)行電壓前饋控制，減小瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入電壓的欠壓及過(guò)壓保護(hù)。LCD實(shí)現(xiàn)輸出功率、功率因數(shù)、THD、頻率和電路工作狀態(tài)的顯示。按鍵實(shí)現(xiàn)輸出頻率的設(shè)定。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 同步BOOST與全橋逆變電路

1）電路結(jié)構(gòu)

同步boost與全橋逆變電路如圖2所示。前級(jí)由同步BOOST對(duì)輸入直流進(jìn)行升壓，同步BOOST電路采用3個(gè)470 μF/35 V的電容C1～C3并聯(lián)進(jìn)行穩(wěn)壓濾波，減小ESR，提高電路效率。升壓時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q2為主功率元件，決定電路（升壓）變比，Q1實(shí)現(xiàn)同步整流，替代二極管，減小導(dǎo)通損耗，此時(shí)，電路電流由低壓側(cè)流向高壓側(cè)。后級(jí)由全橋和濾波電路實(shí)現(xiàn)逆變，全橋由四個(gè)開(kāi)關(guān)管組成，互為對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通受雙極性SPWM波控制，兩個(gè)橋臂中點(diǎn)間即可得到雙極性的SPWM波，經(jīng)LCL濾波后可還原出相應(yīng)正弦信號(hào)。逆變的輸出取自4.7 μF的MKP濾波電容兩端。

2）參數(shù)計(jì)算

1）同步BOOST電感計(jì)算

逆變輸出電壓有效值為VO2=36 V，輸出最大電流有效值為IO2=1.7 A，可得最大升壓最大輸出電流，輸入電壓VIN=24 V，選取開(kāi)關(guān)頻率 f=20 kHz， 占空比 D=（VO1-VIN）/VO1=0.53。 取電流紋波率 r=0.4，由公式：mH，為保證余量，本設(shè)計(jì)選擇L=1.5 mH，用相對(duì)導(dǎo)磁率為125的鐵硅鋁磁芯繞制電感。

2）全橋?yàn)V波電感電容計(jì)算

采用LC無(wú)源濾波電路，考慮到電容耐壓值與電容值之間的矛盾，選取電容值4.7 μF無(wú)極性耐壓250 V的MKP電容。為減小電感體積，又保證濾波效果良好，濾波器截止頻率只需為載波頻率的左右。由，得L=1.4 mH，為滿足更好的濾波效果，取L=2 mH，采用雙電感LCL結(jié)構(gòu)。

圖2 同步boost和全橋電路結(jié)構(gòu)

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

開(kāi)關(guān)管的理想驅(qū)動(dòng)波形應(yīng)有合理的脈沖上升沿和下降沿以及足夠大的驅(qū)動(dòng)能力，合適的驅(qū)動(dòng)正向電壓和反偏電壓。光耦驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)速度較快，對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖的前后沿產(chǎn)生較小延時(shí)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力較強(qiáng)。將單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦TLP250隔離功率放大，直接驅(qū)動(dòng)功率管，驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。 其中R3、R7為柵極電阻，R4、R8為下拉電阻，確保上電復(fù)位瞬間開(kāi)關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)，避免開(kāi)關(guān)管直通。圖2中的Q1、Q3、Q5驅(qū)動(dòng)時(shí)需要供電，本設(shè)計(jì)使用自舉供電方式，D1與C8完成此功能，其驅(qū)動(dòng)電路如圖 3（a）所示。 Q2、Q4、Q6 的驅(qū)動(dòng)電路如圖 3（b）所示。

2.3 信號(hào)采集電路

輸入直流電壓直接經(jīng)電阻分壓后采集。輸出交流電壓經(jīng)差分縮小再經(jīng)精密差分運(yùn)放OPA2350電位提升作為單極性正電壓采集信號(hào)。輸出交流電流由穿心式電流互感器再經(jīng)OPA2350電位提升得到單極性電壓采集信號(hào)。電路設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量保證此兩路信號(hào)的延時(shí)一致，確保它們不會(huì)造成相位檢測(cè)的畸變。輸出交流電壓和輸出交流電流采集電路分別如圖4和圖5所示。

圖3 光耦驅(qū)動(dòng)電路

圖4 輸出電壓采樣電路

圖5 輸出電流采樣電路

3 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序由兩部分構(gòu)成：主函數(shù)循環(huán)、SPWM中斷服務(wù)函數(shù)。主函數(shù)負(fù)責(zé)人機(jī)交互，顯示和電路狀態(tài)響應(yīng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行FFT分析和數(shù)字PID閉環(huán)調(diào)節(jié)。SPWM中斷服務(wù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)逆變。程序流程圖如圖6所示?？紤]到逆變器的電壓穩(wěn)定性及負(fù)載效應(yīng)，使用電壓-電流雙閉環(huán)控制技術(shù)，PID參數(shù)通過(guò)離線計(jì)算得到。

圖6 程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試所用儀器：數(shù)字存儲(chǔ)示波器—Tektronix/MDO3034； 萬(wàn) 用 表 —VICTOR/VC890D、LNI-T UT151F；直流穩(wěn)壓電源—STP3010；滑動(dòng)變阻器—BX7-14。測(cè)試波形如圖7所示。

圖7 測(cè)試波形

經(jīng)測(cè)試，逆變器效率為95.04%、THD=0.587%、頻率在20～100 Hz可調(diào)；輸入電壓在21.5～26.5 V變化時(shí)，輸出電壓調(diào)整率為0.05%；調(diào)節(jié)輸入電壓在20±0.5 V范圍，輸出欠壓保護(hù)；調(diào)節(jié)輸入電壓在28±0.5 V范圍，輸出過(guò)壓保護(hù)；調(diào)節(jié)輸出電流至1.7±0.1 A，電路過(guò)流保護(hù)；具有輸出短路保護(hù)自恢復(fù)，功率因數(shù)和THD及工作狀態(tài)顯示功能。

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)以TM4C123GH6PM控制器為核心，采用輸入電壓前饋加數(shù)字電壓PID控制方式實(shí)現(xiàn)高精度的恒壓控制和快速的響應(yīng)速度，電路含F(xiàn)FT進(jìn)行參數(shù)分析。系統(tǒng)效率達(dá)到95%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間僅100 ms，各種保護(hù)及顯示功能完善，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

[1]劉國(guó)海，金科，等.光伏發(fā)電系統(tǒng)中高升壓比DCDC變換器[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)[J].2012，44（1）：25-31.

[2]包廣清，任士康.基于STC系列單片機(jī)的車載逆變電源[J].機(jī)電工程，2014，31（2）：239-243.

[3]付瑤，譚智力，于珊.基于SG3525控制的車載逆變電源設(shè)計(jì)[J].中國(guó)測(cè)試，2015，41（1）：77-80.

[4]閆朝陽(yáng)，李建霞，賈民立，等.雙Boost逆變及用于高頻鏈矩陣式逆變器[J].電力電子技術(shù)，2010，44（5）：23-25.

[5]楊奇，黃文新，等.新型單級(jí)可升壓逆變器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（4）：122-127.

[6]程新，劉眾鑫，沈昂，等.基于電壓前饋的DC/DC變換器雙閉環(huán)控制策略 [J].電力電子技術(shù)，2016，50（7）：18-20.

[7]潘鋼，徐浩，黃治清.基于反激變換器恒流控制的電壓前饋補(bǔ)償策略 [J].電力學(xué)報(bào)，2014，29（5）：400-403.

[8]Huang P C，Wu W Q，Ho H H，et al.Hybrid Buck-Boostfeedforward and reduced average inductor current techniques in fast line transient and high-efficiency Buck-Boost converter[J].IEEE Transaction on Power Electronics，2010，25 （3）：719-730.

[9]Frickson R W，Maksimovic D.Fundamentals of power electronics[M].Norwell:MA.Kluwer，2011.

[10]王紀(jì)元，紀(jì)延超，趙般多.一種新型的單相逆變電源及其調(diào)制方式的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（7）：62-66.

[11]張先進(jìn)，龔春英.一種SPWM控制雙Buck半橋逆變器研究[J].電氣傳動(dòng)，2009，39（2）：48-51.

[12]Restrepo C，Calvente J，Romero A，et al.Currentmode control of a coupled-inductor Buck-Boost dc-dc switching converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（5）：2536-2549.

[13]付好名，馬皓.基于DSP和增量式PI電壓環(huán)控制的逆變器研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2004，7（12）：715-718.

[14]孟淵，王衛(wèi)國(guó).新型開(kāi)關(guān)電源控制方法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（6）：143-146.

[15]李東旭，黃燦水，湯寧平，等.基于DSP雙閉環(huán)控制的單相逆變電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].2011（3）:21-23.

Design of a frequency adjustable and single-phase output boost type inverter

DONG Zhao-hui1，OU Jun-xi2，BIN Bin1，CHEN Wen-guang1
（1.School of Electrical Engineering， University of South China， Hengyang421001，China； 2.Hunan Special Equipment Inspection and Research Institute Chenzhou Branch， Chenzhou423000，China）

TN7

A

1674-6236（2017）19-0110-04

2016-09-20稿件編號(hào)201609177

衡陽(yáng)市科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2015KG50）；2016年南華大學(xué)校級(jí)教研課題資助項(xiàng)目（2016XJG-ZZ01）

董招輝（1980—），女，湖南衡陽(yáng)人，碩士，講師。研究方向：電力電子技術(shù)及電源技術(shù)。