開關(guān)電源等技術(shù)在 當(dāng)今社會(huì)的電力電子應(yīng)用和多樣化的電源系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著高頻開關(guān) 電源 技術(shù)的進(jìn)步，它不僅改善了傳統(tǒng)電路的外觀和結(jié)構(gòu)，而且大大增加了部分電源的回收 效率。節(jié)省材料，降低成本。逆變器技術(shù)研究對(duì)于工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和人民生活條件的改善極為重要。

逆變器是電力電子技術(shù)發(fā)展中早期使用的一種 DC /AC （直流/交流）轉(zhuǎn)換裝置。逆變器是一種將直流電轉(zhuǎn)換為交流電同時(shí)還提供控制邏輯的裝置。 逆變器 通常用于家庭電器中。逆變器的外形和安裝方式順應(yīng)市場發(fā)展趨勢(shì)，正在向小型化、智能化、模塊化方向發(fā)展。

Ⅰ.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

220V工頻電壓最初輸入到本文小型逆變系統(tǒng)的終端，然后由降壓變壓器輸出24V交流 電壓 。單相橋式整流電路、兩個(gè)穩(wěn)壓電路和其他幾個(gè)電路都有助于輸出 24V 交流電壓。經(jīng)過二極管濾波后提供兩路穩(wěn)定的直流電壓（15V和5V），為單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片供電。同時(shí)， 將程序在線串行編程到單片機(jī)中后產(chǎn)生的PWM （脈寬調(diào)制）波促使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生兩相四通道 PWM 波，產(chǎn)生互補(bǔ)的高通和低通信號(hào)。驅(qū)動(dòng)適當(dāng)?shù)腗OS（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的縮寫）管后，構(gòu)成電壓型全橋逆變電路。最后，負(fù)載檢測(cè)生成的互補(bǔ)矩形波；輸出電壓為220V、50Hz交流電壓，最大輸出電流為2.5A，最大輸出功率不小于100W。 整個(gè)逆變器流程如上所述完成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示圖表。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

二.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)芯片IR2110

美國國際整流器公司生產(chǎn)IR2110驅(qū)動(dòng)芯片（現(xiàn)已被英飛凌公司收購 ）。它具有光耦隔離和電磁隔離特性。它以其體積小、速度快而成為大多數(shù)中小型功率轉(zhuǎn)換裝置中的驅(qū)動(dòng)裝置。

2.1.1 IR2110工作原理

驅(qū)動(dòng)芯片 IR2110的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu) 由三個(gè)主要部分組成：電平轉(zhuǎn)換、邏輯輸入和輸出保護(hù)。IR2110驅(qū)動(dòng)芯片的各種優(yōu)點(diǎn) 是系統(tǒng)電路構(gòu)建和設(shè)計(jì)元件可以避免許多問題的原因。例如，在高壓浮動(dòng)自舉 電源 電路的設(shè)計(jì)中，一組電源有效地控制高低端口，將額外的驅(qū)動(dòng)電源數(shù)量減少到最少。

圖2為IR2110驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)半橋電路 ，這是對(duì)高端側(cè)懸架驅(qū)動(dòng)電路自舉原理的簡單說明。C1和VD1分別是自舉電容和自舉二極管，C2是電源電壓Vcc的濾波電容，如圖所示。

首先，預(yù)計(jì)當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，自舉電容C1能夠承受 VC1 Vcc的電壓。VM1導(dǎo)通，VM2截止，在HIN為高電平時(shí)，在S1的柵極和源極-發(fā)射極之間施加VC1電壓。然后自舉電容 C1 通過 Rg1、VM1、柵極和源極形成回路進(jìn)行放電，使 VC1 等于電壓源并觸發(fā) S1 導(dǎo)通。另一方面，HIN 和 LIN 之間的信號(hào)被認(rèn)為是互補(bǔ)輸入。當(dāng) LIN 為低電平時(shí)，VM3 被禁用，VM4 被啟用。此時(shí)電荷通過S2柵極中的Rg2和源極內(nèi)部的芯片快速釋放到地。電是一種能源。此時(shí)死區(qū)時(shí)間對(duì)其產(chǎn)生影響，導(dǎo)致S2在S1開啟之前關(guān)閉。

圖2 IR2110內(nèi)部工作原理圖

當(dāng)HIN為低電平時(shí)，VM1關(guān)閉，VM2開啟。此時(shí)，S1柵極中的電荷將通過Rg1和VM2快速放電，導(dǎo)致S1關(guān)斷。經(jīng)過短暫的死區(qū)時(shí)間（td）后，LIN上升到高電平，導(dǎo)致S2導(dǎo)通，電源電壓 Vcc 通過S2和VD1對(duì)自舉電容C1充電，導(dǎo)致自舉功率快速增加電容器C1。重復(fù)這個(gè)循環(huán)。

2.1.2 IR2110逆變電路

圖 3 是IR2110逆變器的示意圖 。IR2110驅(qū)動(dòng)芯片U3和U4就是其中的兩個(gè)。Q1、Q2、Q3、Q4使用四個(gè)MOS晶體管。PIC16F716 微控制器向驅(qū)動(dòng)器的 輸出為 Ua、Ub、Va 和 Vb。一相PWM波的上下臂 為 Ua 和 Ub，Va 和 Vb 為另一相PWM波 的上下臂 ，如圖所示為兩相四路 PWM 波芯片引腳。驅(qū)動(dòng)芯片的輸出由 PIC16F716 微控制器觸發(fā)。由于部分 PWM 波無法驅(qū)動(dòng)大功率MOS管，因此二極管D9和D15（利用 肖特基 管的快恢復(fù)功能）必須依靠IR2110中的電容自舉功能來增加電容充電。對(duì)自舉電容C11、C12、C16、C17充電，以提高驅(qū)動(dòng)MOS管的信號(hào)端電壓，使其具有升壓信號(hào)端輸出的功能，從而提高M(jìn)OS管的信號(hào)端電壓Q1、Q2、Q3 和 Q4 可以使用PWM波不斷地打開和關(guān)閉 。進(jìn)一步地，逆變電路中同相上下臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)的。

圖3 IR2110逆變器原理圖

由圖3可知，當(dāng)Ua為高電平時(shí)，輸出端HO1同樣為高電平，從而使IR2110芯片的電容自舉功能能夠調(diào)節(jié)MOS管Q1的開路。同時(shí)，由于輸出端LO1為低電平，MOS管Q4處于截止?fàn)顟B(tài)，無法驅(qū)動(dòng)。同時(shí)Vb也輸入高電平，表示輸出端LO2處于高電平狀態(tài)，之后MOS管Q3導(dǎo)通，Q2截止。結(jié)果，通過 HO1 Q1 P2 Q3 GND 構(gòu)建了一條路徑。當(dāng)Ua、Vb為低電平狀態(tài)，Ub、Va為高電平狀態(tài)時(shí)，電流流過HO2 Q2 P2 Q4 GND的路徑，開關(guān)器件（4個(gè)MOS管）導(dǎo)通和截止依次交替，從而在P2（負(fù)載端）位置形成交流電。由于芯片上下臂同時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生的短路在實(shí)際應(yīng)用中很常見，因此在軟件設(shè)計(jì)過程中增加了額外的死區(qū)時(shí)間，以防止短路，保護(hù)整個(gè)電路的正常工作。

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)

Microchip的 PIC 系列微控制器具有集成多個(gè)外圍模塊、性能穩(wěn)定、硬件系統(tǒng)架構(gòu)簡單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。因此， 本研究選擇PIC16F716單片機(jī)作為逆變器的主控制器。這些特性大大降低了電路構(gòu)建成本，因?yàn)?PIC16F716 微控制器不需要額外的A/D（模擬/數(shù)字）轉(zhuǎn)換芯片，并且包含四個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換通道。

同時(shí)， PIC16F716 單片機(jī)還包括內(nèi)置上電延遲定時(shí)器（DWRT）、雙閾值欠壓復(fù)位電路、可編程代碼保護(hù)、上電復(fù)位電路（POR）、看門狗定時(shí)器（ WDT）、振蕩器啟動(dòng)定時(shí)器（OST）、片上 RC 振蕩器、 在線串行編程 （ICSP）等。這些功能品質(zhì)可以降低單片機(jī)上電路器件的成本和外部器件的數(shù)量，從而使整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備尺寸更小，在實(shí)際應(yīng)用中具有顯著的成本效益。在該系統(tǒng)架構(gòu)中， PIC16F716微控制器采用具有增強(qiáng)型PWM模式 的半橋輸出拓?fù)?（即微控制器可以提供從P1A到P1D的四個(gè)輸出）。大多數(shù)情況下，只需兩個(gè)引腳即可實(shí)現(xiàn)半橋輸出模式。

輸出用于驅(qū)動(dòng)推挽負(fù)載。圖4為PIC16F716單片機(jī)小型系統(tǒng)的外圍電路引腳圖 ，其中半橋臂通常由RB1和RB2控制（通常使用可編程死區(qū)來達(dá)到延遲目的，以避免射擊）通過半橋輸出模式下大功率器件的現(xiàn)象），RB5/P1B引腳為 PWM 波輸出信號(hào)，RB3/CCP1/P1A引腳為互補(bǔ) PWM 波。此外，IR2110芯片驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)。

圖4 PIC16F716外圍電路圖

2.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

本研究逆變電源設(shè)計(jì)中包含了保護(hù)電路，如圖5所示。當(dāng)逆變輸出電流達(dá)到2.5A時(shí)，過流電流ACK超過4.5V，SPWM芯片檢測(cè)到ACK超過2.5V 。 V、逆變器保護(hù)動(dòng)作，LED P燈閃爍。除此之外，LED L 燈閃爍。LC電路由輸出濾波電路選擇，其設(shè)計(jì)參數(shù)如下：L=1mH，C=3uF，截止頻率為2.5kHz。

三．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PWM波的實(shí)現(xiàn)原理

在本研究中，我們展示了PIC16F716單片機(jī)的增強(qiáng)型捕獲/比較/PWM模塊（因此稱為ECCP模塊）如何快速實(shí)現(xiàn)兩路輸出互補(bǔ)對(duì)稱PWM波。只要正確設(shè)置ECCP模塊工作模式下的寄存器CCP1CON、周期寄存器PR2和脈寬寄存器CCPR1L三段的值，就可以產(chǎn)生所需的PWM波。該模塊有全橋、半橋等多種工作模式可供選擇。本軟件設(shè)計(jì)中信號(hào)極性設(shè)置為高電平有效，采用半橋模式。半橋輸出模式下，兩個(gè)引腳用作輸出驅(qū)動(dòng)推挽負(fù)載：RB3 引腳發(fā)送 PWM 輸出信號(hào)，RB5 引腳輸出互補(bǔ)的 PWM 直通輸出信號(hào)。此外，在半橋輸出模式的情況下，可編程死區(qū)時(shí)間延遲可以避免半橋電路中的現(xiàn)象。

圖5 逆變器保護(hù)電路

3.2 參數(shù)計(jì)算與配置

為了生成PWM波，必須確定兩個(gè)參數(shù)：PWM波的周期T和PWM波的脈沖寬度Twidth。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，PWM 波的頻率必須為 50 Hz，占空比為 30%。周期T=1/F=1/50=20ms；脈沖寬度 Twidth = 20 ms X 30% = 6 ms；然后，根據(jù)相應(yīng)的公式，可以計(jì)算出周期寄存器PR2的初始值和脈寬寄存器CCPR1L的初始值。

關(guān)鍵程序代碼如下：

// 設(shè)置工作模式為PWM模式 CCP1CON = 0B10001100;

// 死區(qū)時(shí)間控制設(shè)置 PWM1CON = 0X01;

//設(shè)置TMR2工作模式 T2CON = 0X00;

// 設(shè)置對(duì)稱脈沖周期參數(shù) PR2 = g_Period;

// 設(shè)置脈寬值 CCPR1L = g_DutyWidth;

// 禁用 T2 中斷 TMR2IE = 0;

// 啟動(dòng) T2 定時(shí)器 TMR2ON = 1;

3.3 程序?qū)嶒?yàn)結(jié)果

將軟件上傳到單片機(jī)后，打開測(cè)試，使用雙跡示波器測(cè)量RB3和RB5的輸出波形，如圖6所示。信號(hào)的大小和方向隨時(shí)間頻繁變化，如圖，滿足逆變器。考慮到標(biāo)準(zhǔn)交流信號(hào)的特性后，結(jié)果符合逆變電路的要求。

圖6 輸出波形

四．結(jié)論

本文將逆變電路理論與單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)了一種基于SPWM技術(shù)的獨(dú)立逆變 電源 的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明，通過軟件編程，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制芯片PIC16F716的PWM模塊的輸出功能，實(shí)現(xiàn)SPWM波序列的輸出。

本工作中的逆變電路設(shè)計(jì)為全橋電路。采用Microchip PIC16F716芯片完成全橋逆變過程中SPWM專用芯片的設(shè)計(jì)，不僅簡化了系統(tǒng)電路，而且提高了電路效率，實(shí)現(xiàn)了電路高頻化和結(jié)構(gòu)小型化。整流逆變器實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 整流逆變器