基于單片機(jī)的車載逆變電源設(shè)計

郭志成 任曉芳 朱東山

（蘭州工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

隨著私家汽車的普及和現(xiàn)代科技的進(jìn)步，大量電子產(chǎn)品，例如車載音響、電視、冰箱、平板電腦、醫(yī)療急救電器等的投入使用，使人們出行更加舒適和方便。但這些電子產(chǎn)品均需交流供電，而汽車上大多為直流12V電源，因此需要車載逆變電源，要將直流12V轉(zhuǎn)換為220V、50Hz的正弦交流電，以便在車內(nèi)可以使用一些通用電器。傳統(tǒng)的逆變電源采用全橋逆變+工頻變壓器的方案輸出所需交流電，工頻變壓器較為笨重，使電源的體積、成本增加，且噪聲較大，不能很好的滿足人們的需求[1-2]。針對上述問題，本文采用具有中間直流環(huán)節(jié)的高頻鏈逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有效減小逆變電源體積，系統(tǒng)具有輸出電壓穩(wěn)定、成本低、轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

逆變電源主電路采用兩級變換，即前級DC/DC升壓變換和后級DC/AC變換，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，前級的推挽電路采用2組對稱的推挽電路作為主拓?fù)鋄3-4]，高頻變壓器采用雙變壓器形式，它們的一次側(cè)繞組并聯(lián)分別接一組推挽電路，并采用相同的時序控制方式，兩個變壓器的二次側(cè)繞組與單變壓器電路相比，繞組匝數(shù)減少一半，相互串聯(lián)。采用這種結(jié)構(gòu)后與常用推挽電路相比，輸入電流減小一半，則變壓器一次側(cè)銅損耗和開關(guān)損耗減小為原來的1/4，提高了轉(zhuǎn)換效率，降低了變壓器設(shè)計難度。前級DC/DC電路以SG3525為主控核心，推挽電路開關(guān)管Q1和Q3為1組，Q2和Q4為1組，兩組開關(guān)管在SG3525輸出的PWM驅(qū)動下交替導(dǎo)通，高頻變壓器輸出高頻方波采用全橋整流，經(jīng)LC濾波后得到直流310V，為確保直流母線電壓在設(shè)定范圍內(nèi)，還需采集母線上的電壓，反饋至SG3525，以此調(diào)節(jié)SG3525的脈寬輸出。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

后級DC/AC變換采用全橋逆變電路，以PIC單片機(jī)為控制核心，完成后級全橋逆變電路的SPWM控制任務(wù)，得到正弦交流輸出，同時電池電壓、輸出電壓、輸出電流、變壓器溫度實時采樣信號也被送入單片機(jī)處理，實現(xiàn)對蓄電池電壓檢測及系統(tǒng)的過流、過欠壓、過載和過熱等故障監(jiān)控。

1.1 SG3525控制電路

SG3525是由美國硅通用半導(dǎo)體公司推出的一款性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片[5]，它具有雙通道輸出，可產(chǎn)生兩路反向方波來控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉，適用于推挽式電路，可以大大簡化PWM控制電路，完全滿足DC/DC升壓變換電路的設(shè)計需求。其內(nèi)部原理框圖如圖2所示，SG3525內(nèi)部集成了誤差放大器、PWM比較器、同步功能的振蕩器、5.1V精密基準(zhǔn)電源、同步觸發(fā)器等電路，輸出驅(qū)動為推挽形式，增加了驅(qū)動能力，最大驅(qū)動電流為500mA，可以直接驅(qū)動開關(guān)管。

為穩(wěn)定直流母線電壓，采用基準(zhǔn)源TL431和光耦PC817組成電壓反饋電路，其電路原理如圖3所示，通過電阻分壓獲得母線電壓采樣值，TL431內(nèi)部有2.5V基準(zhǔn)源與其比較，當(dāng)母線電壓波動時，會在TL431的陰極產(chǎn)生誤差電壓，導(dǎo)致光耦PC817中發(fā)光二極管電流變化，經(jīng)過光電隔離將電壓取樣反饋電阻反饋給SG3525的引腳1，送入SG3525中誤差放大器，控制脈沖調(diào)制器的輸出占空比，以調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖3 電壓反饋電路

1.2 逆變驅(qū)動控制電路

逆變驅(qū)動控制電路是以PIC16F877A為核心，輸出SPWM信號作為全橋逆變器的四個功率管的控制信號，功率管是由芯片IR2110驅(qū)動的，它具有欠電壓鎖定功能，可有效防止橋臂的直通，很適合橋式電路。為保證在負(fù)載波動的情況下，輸出電壓依然要保持穩(wěn)定，實時監(jiān)控負(fù)載電壓電流，對欠壓、過流等異?，F(xiàn)象進(jìn)行處理，發(fā)生故障可封鎖SPWM信號使輸出電壓下降為零，保護(hù)逆變電源。

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件編程是在PIC單片機(jī)綜合開發(fā)環(huán)境MPLAB下進(jìn)行，采用模塊化的方式，包括主程序和各個子程序，子程序包括括初始化程序、過熱檢測程序、電池電壓和輸出電流檢測程序、SPWM波形產(chǎn)生程序等，主程序調(diào)用子程序流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后先進(jìn)行初始化，主要完成中斷屏蔽寄存器設(shè)置、通用串口設(shè)置、I/O口的分配與設(shè)置等， 然后檢測電池電壓是否正常、過流、過熱等情況，當(dāng)出現(xiàn)異常封鎖SPWM信號關(guān)閉輸出，當(dāng)輸出電壓低于或高于設(shè)定值時，實時調(diào)節(jié)脈沖波形占空比，來維持輸出電壓恒定。

圖4 主程序流程圖

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種車載逆變電源，以PWM芯片SG3525和單片機(jī)PIC16F877A為控制核心，采用兩級變換結(jié)構(gòu)，先利用推挽電路控制升壓，再通過全橋逆變得到需要的交流。設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，能夠克服傳統(tǒng)車載逆變電源存在的問題，提高了電源的適用性。