一款基于ARM控制的逆變器電源電路設(shè)計(jì)方案

　　本文將介紹一款基于ARM控制的逆變器電源電路設(shè)計(jì)方案及其應(yīng)用。

　　系統(tǒng)總體方案

　　1、總體設(shè)計(jì)框圖

　　如圖1 所示， 逆變器系統(tǒng)由升壓電路、逆變電路、控制電路和反饋電路組成。低壓直流電源DC12V經(jīng)過升壓電路升壓、整流和濾波后得到約DC170V高壓直流電，然后經(jīng)全橋逆變電路DC/AC轉(zhuǎn)換和LC濾波器濾波后得到AC110V的正弦交流電。

　　逆變器以ARM控制器為控制核心，輸出電壓和電流的反饋信號經(jīng)反饋電路處理后進(jìn)入ARM處理器的片內(nèi)AD，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換和數(shù)字PI運(yùn)算后，生成相應(yīng)的SPWM脈沖信號，改變SPWM的調(diào)制比就能改變輸出電壓的大小，從而完成整個逆變器的閉環(huán)控制。

　　2、SPWM方案選擇

　　2.1、PWM電源芯片方案

　　采用普通的PWM電源控制芯片，如SG3525、TL494、KA7500等，此類芯片的優(yōu)點(diǎn)是能夠直接的產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，但是它缺點(diǎn)是波形線性不好，而且振蕩發(fā)生器是依賴充放電電路而產(chǎn)生波形，當(dāng)要PWM芯片產(chǎn)生SPWM信號需要附加額外很多電路。

　　2.2、CPU軟件方案

　　采用CPU產(chǎn)生SPWM脈沖，如單片機(jī)、ARM或DSP等，此種方法的優(yōu)點(diǎn)是脈寬可以通過軟件的方式來調(diào)節(jié)，不僅精度較高，而且外圍電路也很簡單便宜。

　　終上所述，選擇STM32F107（ARM）完成SPWM脈沖的產(chǎn)生和整個逆變器的控制。

　　3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　3.1 CPU控制器

　　CPU 是整個逆變器的核心部分，主要負(fù)責(zé)反饋信號的采集、數(shù)字PI閉環(huán)計(jì)算、PWM波輸出、參數(shù)設(shè)置和外部通信。CPU采用的是ST公司最新推出的 STM32F107系列ARM芯片。該系列芯片采用ARM公司32位的Cortex M3為核心，最高主頻為72MHz，Cortex核心內(nèi)部具有單周期的硬件乘法和除法單元，所以適合用于高速數(shù)據(jù)的處理。芯片具有三個獨(dú)立的轉(zhuǎn)換周期，最低為1μs的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，三個獨(dú)立的數(shù)模轉(zhuǎn)換器帶有各自獨(dú)立的采樣保持電路，所以特別適合三相電機(jī)控制、數(shù)字電源和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。芯片還帶有豐富的通訊單元，包括1個以太網(wǎng)接口、5個異步串行接口、1個USB從器件、1個CAN器件、I2C和SPI等模塊。

　　3.2 驅(qū)動和逆變電路

　　逆變主電路如圖2所示采用基于H橋的單相全橋逆變電路。單相全橋逆變電路主要由Q1、Q2、Q3、Q4四個MOSFET構(gòu)成。在AC于OUT之間如果加入負(fù)載就構(gòu)成了逆變回路?？刂芉1、Q2、Q3、Q4按一定的順序?qū)?、截止就能夠得到所要的正弦波形?/p>

　　對于本設(shè)計(jì)，開關(guān)管的選擇主要以它的額定電壓和額定電流為依據(jù)。這里選擇額定電壓為500V，額定電流為20A的IRFP460N溝道增強(qiáng)型MOS管為開關(guān)管?？蓾M足設(shè)計(jì)的要求。為了限制MOSFET門極的驅(qū)動電流，需要在門極串聯(lián)限流電阻，防止由過流導(dǎo)致的器件損壞。

　　3.3 濾波電路

　　經(jīng)過兩路SPWM信號的驅(qū)動在負(fù)載電阻上產(chǎn)生的電壓波形是按正弦規(guī)律變化的方波。它是一個雙極性的SPWM波形。實(shí)際需要的是頻率為50Hz的正弦波，因此需要將SPWM波進(jìn)行濾波。一般的PWM逆變器采用LC低通濾波器。對于LC濾波器的設(shè)計(jì)，首先考慮濾波器的截止頻率，LC濾波器的截止頻率見式 （1）。

　　綜合考慮濾波器輸出電壓諧波失真度、系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)以及體積、重量等因素，選取截止頻率，選取。

　　3.4 推挽升壓電路

　　推挽升壓電路采用兩個參數(shù)相同的MOSFET管和升壓變壓器組成，推挽變壓器的特點(diǎn)是效率高，損耗低，適用于低輸入高輸出。推挽升壓電路如圖3所示，采用兩個MOS管分別開通的結(jié)構(gòu)，選取IPRF250場效應(yīng)管，額定電流為30A，額定電壓為250V，在可以滿足要求的同時內(nèi)阻較小，是最為合理的選擇。