包廣清，任士康

(蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，甘肅蘭州730050)

車載逆變電源設計

包廣清，任士康

(蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，甘肅蘭州730050)

介紹了一種基于宏晶系列單片機的車載逆變電源設計方法。該電源以單片機STC12C5A60S2為主控芯片，以12 V蓄電池電壓為輸入，通過升壓與逆變兩個功率變換環(huán)節(jié)得到220 V、50 Hz的正弦交流電。在升壓環(huán)節(jié)，采用推挽拓撲結構利用高頻變壓器進行隔離升壓，結合直流母線電壓負反饋電路，避免了直流母線電壓的過壓出現(xiàn)；在逆變環(huán)節(jié)，采用正弦脈寬調制技術，根據(jù)輸出電壓實時更新占空比，確保輸出電壓處在設定范圍之內(nèi)。并且還對電池電壓檢測電路、輸出電壓檢測電路、輸出電流檢測電路、橋臂短路保護電路進行了設計，并研制了實驗樣機。實驗結果表明，該逆變電源運行穩(wěn)定可靠，也進一步驗證了系統(tǒng)控制策略的正確性。

單片機；升壓；推挽拓撲；正弦脈寬調制；逆變電源

伴隨著時代的發(fā)展，人們對汽車電子產(chǎn)品的需求越來越多：除了常見的車載DVD音響系統(tǒng)外，游戲機、車載電視、車載冰箱、筆記本電腦等電子產(chǎn)品也成為人們的需求。這些電子產(chǎn)品大部分都需要220 V、50 Hz的交流電供電，而一般私家轎車的車載蓄電池只能提供12 V的直流電壓，逆變電源能將12 V的直流電壓轉換成220 V、50 Hz的交流電供常見電子產(chǎn)品使用，因此車載逆變電源已成為車載系統(tǒng)必不可少的設備。傳統(tǒng)的車載逆變電源采用全橋逆變加工頻變壓器升壓方案，其缺點是效率低、體積大、噪聲大，無法滿足人們的要求[1]。本系統(tǒng)采用國產(chǎn)宏晶 (STC)系列的工業(yè)用單片機STC12C5A60S2為主控芯片，該芯片體積小，功耗低，抗干擾強，片內(nèi)自帶PWM產(chǎn)生模塊、AD轉換器，節(jié)省了外圍電路的設計，大大降低了系統(tǒng)的設計成本。該逆變電源具有體積小、散熱好、噪聲小的優(yōu)點，既便于安裝也適合產(chǎn)品化生產(chǎn)，不僅適用于車載系統(tǒng)，還可以應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)。

圖1 逆變電源拓撲結構圖

1 車載逆變電源拓撲結構

車載逆變電源主要由升壓和逆變兩個功率變換環(huán)節(jié)組成，目前主要有兩種拓撲結構：一種是經(jīng)全橋逆變后加工頻變壓器隔離升壓輸出，如圖1(a)所示，該電路存在笨重的工頻變壓器，增加了系統(tǒng)的體積、質量以及成本，并且還伴有嚴重的噪聲污染；另一種是采用兩級式級聯(lián)拓撲結構，輸入直流電壓經(jīng)過DC/DC升壓變換再進行逆變輸出，如圖1(b)所示，由于省去了工頻變壓器，大大減小了系統(tǒng)的體積，并且電路的效率比較高，現(xiàn)在被廣泛采用[2-3]。

2 硬件設計與控制策略

圖2所示系統(tǒng)采用兩級式級聯(lián)拓撲結構，前級升壓電路以TL494為主控芯片利用高頻變壓器對12 V直流電壓進行隔離升壓，因前級與后級之間的非共地問題，利用TL431與PC817結合次級繞組輔助電源組成直流母線電壓負反饋電路來確保直流母線電壓處在設定范圍內(nèi)；后級逆變電路以單片機STC12C5A60S2為主控芯片對單相逆變?nèi)珮蜻M行觸發(fā)控制，同時輸出電壓、輸出電流、電池電壓實時采樣信號也被送入單片機處理來保證系統(tǒng)的正常運行。交流輸出電壓經(jīng)過隔離分壓電路，AD采樣后與單片機內(nèi)部220 V交流電壓所對應的數(shù)字值*進行比較，其中SPWM脈沖波占空比的調整系數(shù)設置為/216，軟啟動程序執(zhí)行完畢后，的初始值為216。按照國家電能質量的要求[4]，將輸出電壓允許范圍設置為220 V (±5%)，其中最小設定電壓210 V與最大設定電壓230 V分別對應的數(shù)字值為*-4與*+4。當發(fā)現(xiàn)輸出電壓的AD采樣值不在上述范圍內(nèi)時：若<(*-4)，則執(zhí)行=+2，增大脈沖占空比，使輸出電壓升高；若>(*+4)，則執(zhí)行=-2，減小脈沖占空比，使輸出電壓降低，如此循環(huán)，直到輸出電壓調整到上述設定范圍內(nèi)。

圖2 系統(tǒng)的硬件結構框圖

2.1 推挽拓撲控制電路設計

圖3 推挽拓撲控制電路

如圖3所示推挽拓撲控制電路以TL494為主控芯片，該芯片包含了脈寬調制型開關電源的所有控制部分：5 V直流電壓參考電源、兩個誤差放大器、輸出控制電路、脈寬調制比較器、死區(qū)時間比較器和一個振蕩器。更改外圍的定時電阻與定時電容就可以實現(xiàn)某一固定頻率的PWM輸出，切換電源供給器的供給電壓可選擇單端式或推挽輸出的模式[5]。將TL494的輸出控制引腳即13腳接+5 V，設置為推挽輸出模式；直流母線電壓分壓隔離后的信號電壓經(jīng)U2B(PC817)反饋到TL494的誤差放大器引腳，經(jīng)電壓跟隨后反饋到死區(qū)控制引腳即3腳，來保證母線電壓處在設定范圍內(nèi)。電源啟動時，三極管Q7開通，前級升壓電路以最大占空比觸發(fā)脈沖開環(huán)啟動，待母線電壓穩(wěn)定后，Q7關斷，轉入閉環(huán)模式。為了增強驅動能力保證開關管的可靠導通與關斷，設計了推挽電路即Q1、Q5和Q2、Q6。

2.2 過壓保護電路設計

因輸入端蓄電池電壓范圍較寬，經(jīng)高頻變壓器升壓后導致直流母線電壓的浮動范圍較大，母線電壓過高就會擊穿開關管，所以必須對母線電壓的過壓保護電路進行設計。采用可編程精密穩(wěn)壓源TL431和線性光耦PC817組成反饋電路成功解決了因TL494與母線電壓非共地母線電壓信號無法直接反饋到TL494的脈寬控制引腳的問題。過壓保護電路如圖4所示，15 V為高頻變壓器次級繞組輔助穩(wěn)壓電源，HV為母線電壓。當TL431基準端電壓即1腳電壓從8 V到10 V變化時，此時輸出端即3腳電壓將在0 V到1 V間線性變化，利用PC817的線性區(qū)域即將前向導通電流調整在2.5 mA左右時的變化范圍很寬[6]，組成負反饋電路。當母線電壓處在311 V到400 V時，TL494的脈寬控制引腳即3腳電壓幾乎為零，觸發(fā)脈沖占空比保持恒值48%不變；當母線電壓高于400 V時，3腳電壓將隨母線電壓的升高而升高，此時輸出觸發(fā)脈沖的占空比下降，母線電壓也隨之下降，當3腳電壓高于3.5 V時將會關閉輸出。該電路確保母線電壓處在允許范圍的同時還起到了過壓保護的作用。

圖4 過壓保護電路

2.3 驅動電路設計

以左側橋臂為例如圖5所示，驅動電路以HCPL3120為主控芯片，該芯片的輸出電流能力高達2 A，最大絕緣耐壓630 V，工作電壓范圍較寬 (15～30 V)，普遍應用于IGBT及MOSFET的驅動電路中。在HCPL3120的輸出端設置了限流電阻R16、R17，利用電阻R52、R53對開關管的柵源極寄生電容充電，從而使觸發(fā)脈沖有良好的前沿陡度[7]。并且在柵源極間并聯(lián)了穩(wěn)壓二極管D55、D51、D56、D52，可靠地防止了柵極驅動電壓及開關管關斷產(chǎn)生的高壓尖峰[8]。為了保證開關管的可靠關斷增加了負偏壓電路即穩(wěn)壓管U5、U6及泄放電路D20、D22。在開關管需要關斷時，U5、U6用來提供-5 V的反相關斷電壓，D20、D22及時把開關管柵源極寄生電容上的電荷泄放掉，從而大大提高了開關管的關斷穩(wěn)定性。

圖5 驅動電路

3 軟件設計

如圖6所示系統(tǒng)的軟件設計主要包括初始化程序、軟啟動程序、電池電壓和輸出電流檢測程序、橋臂短路保護程序、SPWM波形產(chǎn)生程序、輸出電壓調整程序及串口通信程序。根據(jù)正弦脈寬調制的基本原理[9]，結合單片機可編程計數(shù)器陣列(PCA)模塊脈寬調制輸出的方式[10]，制作了占空比呈正弦變化的數(shù)值表，將其保存在單片機的程序存儲器內(nèi)。單片機上電后先執(zhí)行定時器初始化、PCA初始化、AD初始化、串口初始化程序，然后執(zhí)行軟啟動程序，隨后執(zhí)行電池電壓檢測程序、輸出電流檢測程序及橋臂短路保護程序，若電池電壓處在設置值10 V到15 V之間，輸出電流不大于設置值3 A且橋臂無短路的情況下，執(zhí)行查表程序產(chǎn)生SPWM觸發(fā)波對單相逆變?nèi)珮蜻M行觸發(fā)控制。同時執(zhí)行輸出電壓檢測程序，當發(fā)現(xiàn)輸出電壓低于設定值210 V或高于設定值230 V時，對SPWM脈沖波的占空比進行實時調整，來保證輸出電壓處在設定范圍之內(nèi)。當發(fā)現(xiàn)輸出電流異常，電池電壓異常或者橋臂有短路現(xiàn)象發(fā)生時則立即關閉輸出。另外添加了串口通信程序，可以通過串口調試助手人機界面實時觀測逆變電源的輸入輸出狀態(tài)。

圖6 程序流程圖

4 實驗結果分析

4.1 推挽升壓電路的調試及實驗結果

根據(jù)選定的高頻變壓器磁芯規(guī)格及該逆變電源的容量要求，將觸發(fā)脈沖的頻率設定為30 kHz，將TL494的定時電阻取為1.9 kΩ，定時電容取為0.01 μF。此時輸出觸發(fā)脈沖的幅值為10 V，如圖7(a)所示，觸發(fā)脈沖G1、G2的死區(qū)時間約為1.5 μs；高頻變壓器輸出脈沖電壓的幅值約為340 V，頻率為30 kHz，如圖7(b)所示，整流濾波后的直流母線電壓約為332 V。

圖7 推挽升壓電路的實驗波形

4.2 SPWM波形產(chǎn)生電路的調試及實驗結果

通過對單片機可編程計數(shù)器陣列(PCA)模塊的比較/捕獲寄存器(CCAPMn)進行設置，讓其工作在8位PWM、無中斷的輸出模式。根據(jù)公式制作占空比成正弦變化脈沖所對應的數(shù)值表并將其保存在單片機的程序存儲器內(nèi)，其中為每周期采樣點數(shù)，為逆變器期望輸出電壓所對應的數(shù)值。通過查表程序實時更新內(nèi)部寄存器(CCAPnL/CCAPnH)的值來產(chǎn)生占空比從1到0呈正弦變化的脈沖波，經(jīng)過反相電路之后變?yōu)檎伎毡葟?到1呈正弦變化的脈沖波，然后經(jīng)過死區(qū)處理電路加在驅動芯片HCPL3120上。單片機產(chǎn)生的SPWM觸發(fā)波形如圖8所示。

圖8 單片機產(chǎn)生的SPWM觸發(fā)波形

4.3 全橋逆變電路的調試及實驗結果

如圖9所示，在直流母線電壓為332 V時，對全橋逆變電路的輸出波形進行了測試，此時輸出電壓的有效值為224 V，周期為20 ms，THD約為3.7%。

圖9 逆變電路的輸出波形

5 總結

本文利用STC系列高性能的工業(yè)用單片機STC12-C5A60S2設計了一款車載逆變電源，詳細介紹了相關硬件電路的設計原理及參數(shù)設置，并對系統(tǒng)的控制策略和軟件設計做了簡要的論述。硬件電路采用兩級式級聯(lián)拓撲結構而不是工頻逆變拓撲結構，用高頻變壓器取代了傳統(tǒng)的工頻變壓器，該設計方案大大減小了系統(tǒng)電路的體積及噪聲污染；使用單片機做主控芯片，易對SPWM觸發(fā)波占空比進行控制，從而更好地對輸出電壓做出調整。由于高頻變壓器初級繞組銅面積偏少的問題，系統(tǒng)的輸出功率還未滿足設計要求；系統(tǒng)的效率也有待進一步提高。經(jīng)實驗驗證，該系統(tǒng)的控制方案穩(wěn)定、可靠，具有良好的應用價值。

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Design for automotive inverter power supply

A design idea of automotive inverter power supply based on single-chip microcomputer(SCM)of STC was introduced.The system was controlled by a SCM called STC12C5A60S2,the input voltage was 12 V DC of battery, through boost converter and invertion,the sinusoidal alternating voltage of 220 V,50 Hz was achieved.In the boost converter part, high-frequency transformer was used in push-pull circuit,then the isolation high voltage was achieved,and DC bus voltage negative feedback circuit was designed to avoid the overvoltage;in the invertion part, SPWM technology was used,in order to ensure the output voltage within the setting range the idea that changing duty cycle based on output voltage was used.In addition,the battery voltage detection circuit,the output voltage detection circuit,the output current detection circuit,the bridge arm short protection circuit were designed,and the hardware prototype was developed.The experimental results show that the inverter power supply operates steadily,and further verify the control strategies of the system are rationable.

single-chip microcomputer;boost converter;push-pull converter;SPWM;inverter power supply

TM 464

A

1002-087 X(2015)10-2250-04

2015-03-05

國家自然科學基金項目(51267011)；甘肅省杰出青年基金項目(1111RJDA007)；甘肅省財政廳科研業(yè)務費項目(110385B120)

包廣清(1972—)，女，甘肅省人，教授，博士生導師，主要研究方向為可再生能源發(fā)電與電能轉換、電磁場數(shù)值計算與分析、現(xiàn)代電力傳動系統(tǒng)設計。