純正弦波逆變器電路圖（一）

基于高性能全數字式正弦波逆變電源的設計方案

逆變電源硬件結構如圖2所示。主要包括直流推挽升壓電路、正弦逆變電路、輸出濾波電路、驅動電路、采樣電路、主控制器和點陣液晶構成。其中，直流升壓部分將輸入電壓升高至輸出正弦交流電的峰值以上的母線直流電壓，正弦逆變部分將母線直流電壓逆變后經輸出濾波電路得到正弦式交流電，采樣電路則對母線電壓、母線電流、輸出電壓、輸出電流、輸入電壓進行采樣，以實現短路保護、過壓欠壓保護、過流保護、閉環穩壓等功能。驅動電路的功能是將驅動信號的邏輯電平進行匹配放大，以滿足驅動功率管的要求。控制電路的功能是產生驅動信號，并對采樣信號進行處理，以實現復雜的系統功能。點陣液晶的功能是顯示系統工作信息，如果輸出電壓、電流以及保護信息等。

圖2

1）主控制器

主控制器選用STM32F103VE增強型單片機，STM32系列單片機是意法半導體公司專門為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的產品。此單片機采用哈佛結構，使處理器可以同時進行取址和數據讀寫操作，處理器的性能高達1.25 MIPS/MHz.支持單周期硬件乘除法，最高時鐘頻率72 M，最大可達512 kB片上Flash及64 kB片上RAM.同時具有多達30路PWM及3個12位精度的ADC等眾多適合做逆變及電機驅動的外設。在本系統中用于產生PWM、SPWM驅動信號，并對采樣信號進行處理，以完成穩壓反饋及保護功能，并驅動點陣液晶顯示系統信息。考慮實際的功率管及驅動芯片的速度，升壓PWM波的頻率為20 kHz，逆變SPWM波的頻率為18 kHz.根據調制方法的不同，SPWM驅動信號形式可以分為：雙極性、單極性和單極性倍頻。由于雙極性調制失真度小，故本設計中SPWM采用雙極性驅動方式。

2）點陣液晶

選用LPH7366型點陣液晶，具有超低功耗的特點。用于顯示系統當前的工作狀態，如輸出電壓、輸出電流、輸入電壓等信息。同時指示系統是否處于保護以及處于何種保護狀態。

3）輔助電源

為系統不同部分提供不同的電壓電需求，由直流輸入電壓經LM2596—5 V降壓到5.0 V后一部分為采樣電路供電，另一部分經LDO穩壓器LM117—3.3 V穩壓到3.3 V供處理器及點陣液晶使用。同時，由推挽變壓器的一個輔助繞組得到20 V左右的電壓，經整流濾波及LM2596-ADJ穩壓到15 V后供驅動電路使用。

4）驅動電路

選用東芝半導體公司生產的高速光耦隔離型IGBT/MOSFET驅動芯片TLP250.TLP250具有隔離電壓高、驅動能力強、開關速度快等特點。驅動電路的原理圖如圖3所示。

圖3 驅動電路原理圖

在推挽升壓驅動（U1、U2）中，TLP250負責驅動信號幅值與電流的匹配，而對于全橋逆變驅動（U3、U4、U5、U6），不但要考慮驅動電平和驅動能力，還要考慮好上下管驅動信號的隔離問題。為簡化設計，全橋逆變的上管驅動（U3、U5）采用了自舉供電的方式，減少隔離電源的使用數目。

對逆變橋的驅動電路，為避免上下管直通，設計中需要考慮死區問題。STM32單片機的PWM模塊具有死區功能，本設計采取了軟件死區方法。這樣做的另一個好處是，對不同的功率管只需改變軟件設計即可獲得最佳的死區參數。

5）采樣電路

輸出電壓采樣用于反饋穩壓，輸出電流采樣用于過載保護，母線電流采樣用于短路保護，母線電壓采樣用于限制母線電壓虛高，輸入電壓采樣用于輸入過壓/欠壓保護。輸出采樣中使用了電流互感器與電壓互感器，大大減小了系統干擾，提高了系統的可靠性。取樣電路的原理圖如圖4所示。

圖4 取樣電路原理圖

對于輸出電流取樣，本設計中使用了5 A/5 mA電流互感器。由于電流互感器的輸出為毫伏級的交流信號，為了能夠被單片機內部AD模塊采集到，必須將其整流成直流信號并加以放大。而普通二極管整流電路對毫伏級電壓是無效的，因此，此處采用了由運算放大器（U11，LM3 58）構成的小電壓整流電路。實際測試表明，該電路有效解決了毫伏級信號的采樣問題。

純正弦波逆變器電路圖（二）

下圖為前級電路圖，此電路采用了光藕隔離反饋，工作在準閉環模式。輕載或者空載時，由于變壓器漏感，輸出可能超壓，容易穿后級和電容。此時占空比減小輸出降低，當負載變大后，電路逐漸進入開環模式，以確保足夠的電壓和功率輸出。

純正弦波逆變器電路圖（三）

下圖為后級電路圖

本電路優點：

1.電路極簡單，可能為世界上最簡單的分立SPWM電路

2.單電源寬電壓供電（10V-30V）

3.輸出最大占空比高，仿真時最大占空比已經接近100%.這將導致母線電壓利用率高，母線電壓340V就足夠產生230V的工頻正弦交流電。

4.隔離輸出，受外圍電路干擾少。

如圖，LM7809將電池電壓降為穩定的9V，這使得電路可以在寬電源（10V-30V）情況下工作，左上角紅圈里的2N5551和2N5401等元件組成了虛擬雙電源，將正9V變成正負4.5V的雙電源。

NE555及周邊元件組成頻率約為20KHz的高線形度三角波振蕩器，如圖，在NE555的2和6腳可以得到在3V和6V之間運動的三角波。

IC1為LM324，IC1A及周邊元件組成50Hz工頻正弦振蕩器，產生幅度4.5V的正弦波（對于產生的虛地），圈一電位器將這個正弦波幅度分壓到3.5V.IC1B和IC1C及周邊元件組成精密整流電路，將正弦波變成3V幅值的饅頭波。這個饅頭波要去和NE555的三角波比較，三角波和饅頭波的幅值雖然向同，都是3V，但是這個饅頭波的最低電位比三角波的高1.5V.因此，IC1D及周邊元件組成減法電路，將饅頭波整體下調1.5V，這樣三角波和饅頭波就可以比較了.LM393B進行比較工作，產生同相位的SPWM波，此波與LM393A組成的正弦波-方波轉換器輸出的同步方波送入CD4081等組成的編碼電路進行編碼，產生最終驅動功率管的SPWM信號。兩個20K電阻和47P電容用于產生死區于高頻臂.SPWM1和SPWM2用于驅動高頻臂，50HZ1和50HZ2用于驅動工頻臂。

本電路設計巧妙的地方之一就是虛地和實地的轉換.LM393A之前電路是工作在虛地狀態的，而LM393之后的電路卻變成了實地。因為4.5V的交流（對于虛地）對于實地來說是個9V的脈沖.LM393B周邊電路也是類似原理。

純正弦波逆變器電路圖（四）

下圖就是全硬件純正弦波逆變器的H橋電路圖。

下臂的IRFP460采用光藕直接驅動，上臂的IRFP460采用自舉電容+光藕驅動。工作原理簡述：當下臂導通時，高頻橋的功率管的中點相當于接地，此時220uF的自舉電容通過FR107和下臂管充電，當下臂管關斷上臂導通時，220uF電容與地隔離，當TLP250內部三極管導通后，相當于給上臂管的GS之間施加一個電壓，因此上臂管可以在與之對應TLP250的控制下導通和關斷。

1mH電感和一個400V 1uF電容用來完成高頻濾波的任務，把高頻SPWM方波變成50Hz的正弦波。

純正弦波逆變器電路圖（五）

用單片機制作的純正弦波逆變電源電路