1、參賽題目：簡易逆變電源摘要本單相正弦波逆變電源的設(shè)計，以24V蓄電池作為輸入，輸出為36V、50Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波交流電。該電源采用推挽升壓和全橋逆變兩級變換，在控制電路上，前級推挽升壓電路采用SG3525芯片控制；逆變部分采用驅(qū)動芯片IR2110進行全橋逆變，采用stc89s52單片機編程完成SPWM的調(diào)制，后級輸出采用串聯(lián)電阻采樣，形成電壓反饋，增加了電源的穩(wěn)定性；在保護上，具有過熱保護、短路保護功能電路，增強了該電源的可靠性和安全性；輸出交流電壓通過AD637的真有效值轉(zhuǎn)換后，再由STC12c5412AD單片機的控制進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終將電壓值顯示到數(shù)碼管上。該電源基本上完成了大賽題目所要求

2、的各項指標(biāo)，輸入功率為220W，輸出功率為150W，輸出50Hz正弦波，效率不低于65%。關(guān)鍵詞：單相正弦波逆變 DC-DC DC-AC SPWM目錄一.系統(tǒng)設(shè)計41.1設(shè)計要求41.2總體設(shè)計方案4設(shè)計思路4方案論證與比較4系統(tǒng)組成5二.主要單元硬件電路設(shè)計62.1 DC-DC變換器控制電路的設(shè)計 62.2 DC-AC電路的設(shè)計6 2.3 SPWM波的實現(xiàn) 62.4 保護電路的設(shè)計7 過流保護電路的設(shè)計 7 空載檢測電路的設(shè)計72.5 輔助電源的設(shè)計72.6 高頻變壓器的繞制8三.軟件設(shè)計9 3.1 AD轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計93.2數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計 9 四.系統(tǒng)測試104.1測試使用的儀器10

3、4.2輸出正弦波的測試104.3輸出效率的測試104.4結(jié)果分析10五.結(jié)論11參考文獻11附錄1 使用說明12附錄2 主要元器件清單12附錄3 電路原理圖及程序清單13一系統(tǒng)設(shè)計1.1設(shè)計要求 制作單相正弦波逆變電源，輸入單路24V直流，輸出36V/50Hz。滿載時輸出功率大于150W，效率不小于65%，具備過流保護和負載短路保護等功能。1.2總體設(shè)計方案 系統(tǒng)設(shè)計總框圖設(shè)計思路題目要求設(shè)計一個單相正弦波逆變電源，輸出電壓波形為正弦波。設(shè)計中主電路采用電氣隔離、DC-DC-AC的技術(shù)，控制部分采用SPWM（正弦脈寬調(diào)制）技術(shù)，利用對逆變原件電力MOSFET的驅(qū)動脈沖控制，使輸出獲得交流正弦波

4、的穩(wěn)壓電源。方案論證與比較 DC-DC變換器的方案論證與選擇方案一：推挽式DC-DC變換器。推挽電路是兩不同極性晶體管輸出電路無輸出變壓器（有OTL、OCL等）。是兩個參數(shù)相同的功率BJT 管或MOSFET管，以推挽方式存在于電路中，各負責(zé)正負半周的波形放大任務(wù)。電路工作時，兩只對稱的功率開關(guān)管每次只有一個導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小效率高。推挽輸出既可以向負載灌電流，也可以從負載抽取電流。推挽式拓撲結(jié)構(gòu)原理圖如圖所示。方案二：Boost升壓式DC-DC變換器。通過改變PWM控制信號的占空比可以相應(yīng)實現(xiàn)輸出電壓的變化。該電路采取直接直流升壓，電路結(jié)構(gòu)較為簡單，損耗較小，效率較高。方案比較：兩方案都適用

5、于升壓電路，推挽式DC-DC變換器可由高頻變壓器將電壓升至任何值。Boost升壓式DC-DC變換器不使用高頻變壓器，升壓時 PWM信號的占空比較低，會使Boost升壓式DC-DC變化器的損耗比較大。所以采用方案一。（2）DC-AC變換器的方案選擇全橋DC-AC變換器。全橋電路中互為對角的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，而同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導(dǎo)通，將直流電壓成幅值為的交流電壓，加在變壓器一次側(cè)。改變開關(guān)的占空比，也就改變了輸出電壓。全橋式電路如圖所示。（3）輔助電源的方案論證與選擇方案一：采用線性穩(wěn)壓器7805。方案二：采用Buck降壓式DC-DC變換器。方案比較：方案一的優(yōu)點在于可以使用很少的元器件構(gòu)成

6、輔助電源，但是效率較低。方案二的優(yōu)點在于效率高達90%，缺點是需要的元器件多，且成本較高。由于輔助電源一會影響到整個系統(tǒng)的效率，所以采用方案二。 (4)單片機的比較與選擇 方案一:采用MCS-51系列單片機。傳統(tǒng)的51 單片機具有價格低廉,使用簡單等特點，但其運算速度低，功能單一，RAM、ROM空間小等缺點 方案二：STC12C5412AD工作頻率高，程序儲存空間大，具有片內(nèi)PWM、A/D、D/A等功能。 鑒于STC12C5412AD的以上優(yōu)點，采用方案二。 系統(tǒng)組成系統(tǒng)方框圖如圖所示，先采用DC-DC變換器把24V蓄電池的電壓升至50V，保證輸出真有效值為36V的正弦波不出現(xiàn)截止失真和飽和失

7、真。輸出電壓反饋采用調(diào)節(jié)SPWM信號脈寬的方式。該系統(tǒng)采用兩組相互隔離的輔助電源供電，一組供給SPWM信號控制器使用，另外一組供給輸出電壓、電流測量電路使用，這樣避免了交流輸出的浮地和蓄電池的地不能共地問題。因為SPWM控制器輸出的SPWM信號不含死區(qū)時間，所以增加了死區(qū)時間控制電路和逆變橋驅(qū)動電路。空載檢測電路使得當(dāng)沒有負載接入時，讓系統(tǒng)進入待機模式，當(dāng)有負載接入時，才進行逆變工作模式。同時，空載檢測電路也作為過流保護的采樣點。輸出電流檢測使用電流互感器和真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637實現(xiàn)。輸出電壓也使用AD637進行轉(zhuǎn)換后，由ADC采樣后分析，在數(shù)碼管上顯示。二. 主要單元硬件電路設(shè)計2.1

8、DC-DC變換器控制電路的設(shè)計DC-DC變換器控制電路如圖所示。SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。2.2 DC-AC電路的設(shè)計 全橋逆變電路圖如圖所示。電路采用兩個半橋驅(qū)動芯片IR2110分別驅(qū)動全橋的兩邊場效應(yīng)管IRF840按驅(qū)動信號SPWM波交替導(dǎo)通，輸出功率放大的SPWM波。2.3 SPWM波的實現(xiàn)（1）SPWM波的原理 在進行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當(dāng)正弦值為最大值時，脈

9、沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當(dāng)正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)制。與正弦波等效的矩形脈沖序列波形如圖圖所示。（2）實現(xiàn)方法具體程序見附錄2.4保護電路的設(shè)計過流保護電路的設(shè)計過流保護電路如圖所示。此電路是過流保護電路，其中100k電阻用來限流，通過比較器LM311對電流互感器采樣轉(zhuǎn)化的電壓進行比較，LM311的3腳接一10k電位器來調(diào)比較基準(zhǔn)電壓，輸出后接一100的電阻限流它與后面的220µF的電容形成保護時間控制。當(dāng)電流過流時比較器輸出是高電平產(chǎn)生保護，使SPWM不輸出，控

10、制場效應(yīng)管關(guān)閉，等故障消除，比較器輸出低電平，逆變器又自動恢復(fù)工作。空載檢測電路的設(shè)計 空載檢測電路圖如圖所示。使用電流互感器檢測電流輸出，當(dāng)沒有電流輸出時，使三極管9014截止 ，從而使RS_CK為高電平，停止輸出SPWM波。8s后，再輸出一組SPWM，若仍為空載，則繼續(xù)上述過程。若有電流輸出，使9014導(dǎo)通，從而使RS_CK為低電平，連續(xù)輸出SPWM波形，逆變器正常工作。2.5輔助電源的設(shè)計 （1）輔助電源一的設(shè)計 下圖是輔助電源一的電路圖，由前級24V蓄電池直接供電，采用Back電路拓撲結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源，使用的是MAX1776電源管理芯片，它是集成PWM產(chǎn)生電路和場效應(yīng)管于一體的電源芯片，

11、電路中調(diào)節(jié)電位器可調(diào)節(jié)反饋，從而控制輸出。它的效率達到95%符合節(jié)能的要求，最高工作頻率是200kHz。其中輸出電壓的計算公式為： 輸出電感的計算公式為： 式中，為導(dǎo)通周期，單位為s。為輸出電流，單位為A。（2）輔助電源二的設(shè)計輔助電源二的硬件電路圖如圖所示，采用兩節(jié)9V電池串聯(lián)后，中間抽頭作為地，經(jīng)兩個電容濾波后可獲得±9V電壓輸出，給AD637供電，+9V電壓處再添加一個7805穩(wěn)壓電路，可獲得+5V電壓輸出，給單片機ADC供電。2.6高頻變壓器的繞制根據(jù)設(shè)計要求，依次根據(jù)公式計算參數(shù)。計算峰值磁通。 其中為磁芯有效截面積，的單位為mT，的單位為，的單位為。為了避免偏磁的現(xiàn)象發(fā)生

12、，設(shè)計時取值為0.15mT，較低于額定值。為148，經(jīng)計算，的值為22.2。計算每伏最佳匝數(shù)。 其中為導(dǎo)通時間，D為占空比，為頻率。=11.16。 計算原邊繞組匝數(shù)。 取為20V，經(jīng)計算，的值為10.06取10匝。計算副邊繞組。 V=1.08×(1.1 為要求輸出電壓，為二極管和副邊繞組壓降。此處=50V，=1.2V，得為60.696V。計算副邊匝數(shù)。 取=60.696V，所以的值為30.53匝，此處取30匝。選擇導(dǎo)線尺寸和線圈布局。初級采用1mm直徑的漆包線8線并繞10匝，次級采用0.8mm直徑的漆包線2線并繞30匝。三. 軟件設(shè)計3.1 ADC0832的控制程序的設(shè)計ADC083

13、2是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。它體積小，兼容性強，性價比高。ADC0832工作時序圖及應(yīng)用原理圖如下所示. ADC0832的應(yīng)用原理圖如圖所示。ADC0832的接線圖比較簡單，將D0和DI短接，CLK，和D0分別與STC89C52 單片機的端口連接。CH0和CH1分別為電壓輸入通道0和通道1，此處用到通道0來測量逆變電源輸出的電壓。3.2 數(shù)碼管顯示驅(qū)動的設(shè)計開發(fā)仿真軟件使用Keil uVision2，C語言編程。該部分利用STC89C52單片機來控制數(shù)碼管顯示輸出電壓。程序流程圖如圖3.2.1所示。數(shù)碼管顯示電壓值圖 程序流程圖四.系統(tǒng)測試4.1輸出正弦波

14、的測試 將示波器表筆接到輸出端，可以觀察到50Hz的正弦波波形，無明顯失真。4.2輸出效率的測試效率測試結(jié)果電壓（V）電流(A)功率(W)輸入249.33220輸出503150由上表可計算得 4.3 過流保護的測試（1） 定義：當(dāng)輸出電流大于設(shè)定保護值時，系統(tǒng)自動關(guān)閉輸出，形成過流保護。當(dāng)輸出 電流低于設(shè)定保護值時，系統(tǒng)自行恢復(fù)正常工作狀態(tài)。（2）測試方法：測試方法如圖所示。在輸出端接入3個串聯(lián)的10的電阻作為負載。在系統(tǒng)正常工作之后，短路其中一個或兩個電阻來模擬過流狀況的發(fā)生。觀察系統(tǒng)是否進行過流保護。圖 過流保護測試框圖4.4結(jié)果分析經(jīng)過測試后，題目的基本要求都已完成，各項指標(biāo)都基本完成。

15、在輸出功率為150W的情況下，效率達到了70%。同時該電源還具有短路保護，過流保護的功能。在所測試的項目中，電流顯示功能沒有成功，原因是AD637部分輸出與輸入不成線性比例關(guān)系，而電流互感器輸出是正確的。而電壓顯示部分，因為AD637的輸入信號較大（V級），所以輸入輸出基本成線性比例關(guān)系。在重載輸出的時候，輸出波形失真較嚴(yán)重，原因是前級DC-DC的輸出功率不足，又因為在效率測試的時候，效率較高，功率器件均無發(fā)熱的現(xiàn)象，所以判斷是變壓器的匝比低了。只要提高變壓器的匝比就可以解決。5. 結(jié)論 該單相正弦波逆變電源的輸入為24VDC，輸出為36V/50Hz交流電。該設(shè)計基本完成了各項要求，輸出功率大

16、于150W，效率達到了70%。同時該電源具有輸出短路保護，過熱保護，過載保護的功能，增強了電源的安全性和穩(wěn)定性,設(shè)計中還具有過壓保護和欠壓保護報警等功能。參考文獻1 胡宴如.模擬電子技術(shù)M.北京：高等教育出版社，20042 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分M.北京:高等教育出版社,2006.3 徐德宏.開關(guān)電源設(shè)計指南M.北京：機械工業(yè)出版社，2004.4 劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實用技術(shù)M.5 王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，2008.6 郭天祥，51單片機C語言教程M. 北京:電子工業(yè)出版社,2009.7 黃亞平，高頻電子技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，2008.附錄1，使用

17、說明（1）輸入端接入24V的蓄電池后，蜂鳴器短鳴一聲，若電源未接入負載，則系統(tǒng)會自動進入待機狀態(tài)，此時紅色工作指示燈閃爍。若接入了負載，系統(tǒng)進入逆變工作狀態(tài)，紅色指示燈長亮。（2）負載不可低于10。附錄2.主要元器件清單附錄2表1 主要元器件清單序號名稱型號數(shù)量1單片機STC89S5222模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC083223真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD63724電源管理芯片SG352515與門74HC0816非門74HC1417比較器LM31118場效應(yīng)管驅(qū)動芯片IR211029整流橋DB107G210數(shù)碼管WLGD5011A211場效應(yīng)管IRF840412場效應(yīng)管IRF3205213三極管9014114三極

18、管8050115二極管1N4007216二極管1N4148117二極管HER107318電解電容47uF/100V1019CBB電容0.1µF2220電解電容10µF221CBB電容0.01µF422瓷片電容33pF423晶振11.05926MHz124發(fā)光二極管紅色125發(fā)光二極管籃色126電流互感器TA10162227電感2.3H228電感10µH129電感90µH130蜂鳴器/131精密電位器20 k132精密電位器10 k1附錄3 圖 推挽式拓撲結(jié)構(gòu)圖圖 全橋式電路圖 系統(tǒng)方框圖圖 DC-DC變換器控制電路圖圖 DC-AC電路圖圖 與正

19、弦波等效的矩形脈沖序列波形圖 過流保護電路圖圖 空載檢測電路圖輔助電源一電路圖輔助電源二電路圖 ADC0832工作時序圖 ADC0832應(yīng)用原理圖DC-DC及DC-AC電路原理圖圖1 DC-DC電路原理圖DC-AC電路原理圖圖4 DC-AC電路原理圖SPWM波的實現(xiàn)調(diào)試部分程序org0000HLJMPMAINorg0030hmain:movr6,#0f0hpwm1:movr0,#10hsetbp1.0djnzr0,$movr1,#90hclrp1.0djnzr1,$mova,#02hadda,#10hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#90hsubba,02hmovr1,

20、aclrp1.0djnzr1,$mova,#02hadda,#12hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#88hsubba,02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$mova,#02hadda,#14hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#86hsubba,02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$mova,#02hadda,#16hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#84hsubba,02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$mova,#02hadda,#18hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$

21、mova,#82hsubba,02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$mova,#02hadda,#20hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#80hsubba,02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$mova,#02hadda,#22hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#78hsubba,02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$mova,#02hadda,#24hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#76hsubba,02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$mova,#02hadda,#26

22、hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#74hsubba,02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$mova,#28hsubba,#02hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#72hadda,#02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$mova,#26hsubba,#02hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#74hadda,#02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$mova,#24hsubba,#02hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#76hadda,#02hmovr1,aclrp1

23、.0djnzr1,$mova,#22hsubba,#02hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#78hadda,#02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$mova,#20hsubba,#02hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#80hadda,#02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$mova,#18hsubba,#02hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#82hadda,#02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$mova,#16hsubba,#02hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mo

24、va,#84hadda,#02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$mova,#14hsubba,#02hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#86hadda,#02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$mova,#12hsubba,#02hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#88hadda,#02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$pwm2:mova,#10hsubba,#02hmovr0,asetbp1.0djnzr0,$mova,#90hadda,#02hmovr1,aclrp1.0djnzr1,$djnzr6,$mov

25、r6,#0f0hmovr0,#10hsetbp1.1djnzr0,$movr1,#90hclrp1.1djnzr1,$mova,#02hadda,#10hmovr0,asetbp1.1djnzr0,$mova,#90hsubba,02hmovr1,aclrp1.1djnzr1,$mova,#02hadda,#12hmovr0,asetbp1.1djnzr0,$mova,#88hsubba,02hmovr1,aclrp1.1djnzr1,$mova,#02hadda,#14hmovr0,asetbp1.1djnzr0,$mova,#86hsubba,02hmovr1,aclrp1.1djnzr1

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