專利名稱：低功耗小型車載逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于ARM的數(shù)字控制逆變電路，屬于電源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，數(shù)字控制逆變器已得到了巨大的發(fā)展，其基本運(yùn)用于大功率場合，如基于DSP的數(shù)字控制電源，風(fēng)力發(fā)電、并網(wǎng)逆變器等，對于中小功率數(shù)字電源的研究并不多見。如果對整個逆變系統(tǒng)采用合適的控制策略，將會使系統(tǒng)的功耗低、能夠長期穩(wěn)定的運(yùn)行，從而降低成本?，F(xiàn)今逆變器的設(shè)計主要是通過一對高頻臂和一對低頻臂實現(xiàn)SPWM變換，高頻臂持續(xù)保持高頻變換，低頻臂持續(xù)保持低頻變換，這種方式使得高頻臂開關(guān)管長期高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，容易損壞，影響電路的穩(wěn)定性和使用時間。因此，對逆變電路設(shè)計應(yīng)注意以下性能指標(biāo)I.諧波系數(shù)HF，即諧波分量有效值同基波分量有效值之比。2.總諧波系數(shù)THD，當(dāng)輸出波形為理想正弦波時，THD為零。3.逆變效率。4.單位重量(或單位體積)輸出功率，用來衡量逆變器輸出功率密度的指標(biāo)。5.電磁干擾EMI及電磁兼容性EMC。由此可見，為滿足以上性能指標(biāo)，一套比較好的設(shè)計策略至關(guān)重要?；谝陨峡紤]，本實用新型提出一種基于ARM控制的單極性正弦逆變器的設(shè)計。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有逆變器存在的問題，本實用新型設(shè)計出一種基于ARM Cortex-M3系列低功耗處理器控制與新型橋式逆變策略相結(jié)合的車載逆變器。利用ARM產(chǎn)生占空比按正弦規(guī)律變化的穩(wěn)定的觸發(fā)信號，通過光耦隔離，再將信號送給驅(qū)動芯片來驅(qū)動開關(guān)管，配合開關(guān)管的導(dǎo)通順序，實現(xiàn)SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)控制的單極性逆變。本實用新型采用的技術(shù)方案如下低功耗小型車載逆變器，包括ARM控制器、光耦隔離電路、驅(qū)動電路、全橋逆變電路、電源和負(fù)載；ARM控制器為主控制器，其產(chǎn)生符合控制策略的單極性的SPWM波形，經(jīng)過光耦隔離電路和驅(qū)動電路，控制全橋逆變電路中開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，實現(xiàn)全橋逆變電路的單極性正弦逆變，并根據(jù)全橋逆變電路的反饋信號適時的關(guān)閉輸出，保護(hù)電路。本實用新型的逆變電路采用新型全橋控制策略，相對于雙極性逆變，具有使系統(tǒng)穩(wěn)定、諧波小、輸出波形畸變少、能夠長時間可靠運(yùn)行、設(shè)計簡單等優(yōu)點(diǎn)。同時，本系統(tǒng)帶有死區(qū)補(bǔ)償和過流、短路保護(hù)等功能的設(shè)計，安全可靠。

圖I是本實用新型全橋逆變電路的(a)拓?fù)鋱D及其(b)等效電路圖；圖2是死區(qū)補(bǔ)償示意圖；圖3是本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4是本實用新型全橋驅(qū)動電路圖；[0014]圖5是光耦隔離電路圖；圖6是本實用新型軟件設(shè)計流程圖；圖7是實驗結(jié)果測試波形圖，圖(a)和(b)分別為上管和下管的驅(qū)動波形，圖(C)和(d)分別為上管和下管的輸出波形。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實例對本實用新型作進(jìn)一步說明。本實用新型電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，在正半周期時，MOSFET功率管T3持續(xù)關(guān)斷，MOSFET功率管T4持續(xù)導(dǎo)通，MOSFET功率管T1、M0SFET功率管T2交替導(dǎo)通與關(guān)斷，由MOSFET功率管Tl、M0SFET功率管T2、電感、負(fù)載構(gòu)成一個BUCK電路；在負(fù)半周期時，MOSFET功率管Tl持續(xù)關(guān)斷，MOSFET功率管T2持續(xù)導(dǎo)通，MOSFET功率管T3、MOSFET功率管T4交替導(dǎo)通與關(guān)斷，由MOSFET功率管T3、MOSFET功率管T4、電感、負(fù)載構(gòu)成一個BUCK電路，整 個電路類似于雙BUCK全橋逆變電路，等效電路如圖I (b)所示。由ARM控制器產(chǎn)生單極性的SPWM波，通過光耦隔離電路、驅(qū)動芯片來驅(qū)動開關(guān)管調(diào)制負(fù)載。這樣，輸出電壓就為正弦波。該全橋逆變電路在ARM控制器的控制下，實現(xiàn)了單極性逆變，損耗低、諧波小，降低了對濾波器的設(shè)計要求，減小了設(shè)備的體積，并且高頻臂和低頻臂同時在四個開關(guān)管中切換，使得每個管子得到了充分的利用，使管子的壽命延長，從而延長了電路的運(yùn)行時間。在電路的運(yùn)行過程中，為了防止全橋電路上下橋臂直通，損壞實驗電路。本設(shè)計過程中設(shè)置了死區(qū)保護(hù)，在上下橋臂開關(guān)管關(guān)斷和導(dǎo)通的過程中增加一段同時關(guān)閉的時間，設(shè)置為3ns。雖然這段時間很少，但在轉(zhuǎn)換時增加死區(qū)時間，使得正弦逆變波形出現(xiàn)了畸變，如圖2所示，VO為理想輸出波形，由于設(shè)置了死區(qū)，各半周期減少了 Vs，實際輸出波形為V01，明顯可以看出有不小的畸變，諧波也會增加許多，這樣就不能滿足逆變器的性能指標(biāo)，考慮設(shè)置死區(qū)補(bǔ)償是可行的方法。由于死區(qū)的存在使得每次上臂開關(guān)管導(dǎo)通的時間都減少一些，波形中出現(xiàn)了一些畸變，常用的方法就是加一個方波補(bǔ)償，本設(shè)計中采用每次導(dǎo)通過程中增加一點(diǎn)的時間以補(bǔ)償死區(qū)帶來的畸變，具體數(shù)值通過試驗確定。車載逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，以ARM控制器為主控制器，產(chǎn)生符合控制策略的單極性的SPWM波形，經(jīng)過光耦隔離，驅(qū)動電路，控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，實現(xiàn)全橋的單極性正弦逆變，根據(jù)反饋信號適時的關(guān)閉輸出，保護(hù)電路。I.首先搭建如圖1(a)所示的實驗主電路，即實用新型全橋逆變電路，蓄電池電壓為12. 9V，車載逆變系統(tǒng)主電路對耐壓的要求不高，進(jìn)而主要考慮開關(guān)管的功耗，主電路選用4個MOSFET功率管IRFP250N構(gòu)成全橋電路，其耐壓達(dá)200V，最大電流達(dá)30A，滿足主電路的要求；M0SFET管導(dǎo)通壓降極小，導(dǎo)通電阻只有O. 075 Ω，而且驅(qū)動比較簡單可靠，損耗也較IGBT小，符合設(shè)計低功耗的要求。將MOSFET功率管Tl、MOSFET功率管T3的漏極連接在電源的正極上，它們的源極分別與MOSFET功率管T2、M0SFET功率管T4的漏極相連接，MOSFET功率管T2、M0SFET功率管T4的源極連接在電源的負(fù)極上。MOSFET功率管Tl的源極與MOSFET功率管T2漏極之間依次接上電感、電容，并連接在MOSFET功率管T3的源極與MOSFET功率管T4的漏極之間，變壓器并聯(lián)在電容兩端，即蓄電池經(jīng)過四個開關(guān)管構(gòu)成的橋式電路進(jìn)行逆變，再由電感L、電容C進(jìn)行濾波，最后通過變壓器升壓至220V，給負(fù)載供電。2.驅(qū)動芯片選用的是IR公司生產(chǎn)的半橋驅(qū)動芯片IR2111，如圖4所示。該驅(qū)動芯片可以根據(jù)2號腳的輸入信號產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的驅(qū)動信號分別由7號腳和4號腳輸出，采用兩片該芯片便可完成橋式電路的驅(qū)動，減少了驅(qū)動電路對電源的要求，并且有完善的保護(hù)功能，IR2111接收ARM控制器送出的觸發(fā)信號來驅(qū)動橋式電路的MOSFET管。通過綜合考慮MOSFET管開關(guān)時間及開關(guān)損耗，選取柵極電阻為10 Ω，將IR2111的7號腳和4號腳輸出的驅(qū)動信號分別通過柵極電阻與MOSFET管的柵極相連接。3.由于IR2111本身不帶有光耦隔離等保護(hù)措施，為防止主電路故障時大電流竄入主控芯片造成破壞，考慮在控制回路和驅(qū)動回路之間添加隔離線路，設(shè)計中增加了光耦隔離如圖5所示，其體積小，反應(yīng)速度也滿足電路要求，本設(shè)計中選用光耦芯片NEC2501在ARM控制回路和驅(qū)動回路之間進(jìn)行隔尚。·[0027]4.本系統(tǒng)米用意法半導(dǎo)體公司的Arm Cortex_M3系列處理器stm32F103RBT6作為主控制器，其為32位基于ARM核心的帶128K字節(jié)閃存的微控制器，最高工作頻率為72MHz，集成單周期乘法和硬件除法，滿足逆變器控制要求。同時，stm32F103RBT6外設(shè)豐富，中斷響應(yīng)迅速，主控制器主要完成驅(qū)動信號的產(chǎn)生，過壓過載，欠壓過流保護(hù)。內(nèi)部集成時鐘控制模塊，只對需要工作的模塊進(jìn)行供電，如本實用新型設(shè)計中的GPIO 口，TIM定時器，NVIC中斷控制器，減少了無謂的能耗。stm32F103RBT6內(nèi)部有一個高級定時器，它由一個16位的自動裝載計數(shù)器組成，由一個可編程預(yù)分頻器驅(qū)動。有四路輸出通道，可以設(shè)置死區(qū)時間。使用數(shù)字方式產(chǎn)生SPWM波，可以穩(wěn)定驅(qū)動全橋，不受后級電路影響?？刂栖浖鞒虉D如圖6所示。由圖I BUCK電路原理可得下式，V0=DVin(I)其中V。為輸出電壓，Vin為輸入電壓，D為占空比。由(I)式可知，若使輸出電壓為正弦，則開關(guān)管的占空比D要按照正弦規(guī)律變化。ARM的高級定時器 Μ1在產(chǎn)生PWM波的同時不斷地改變其占空比，實現(xiàn)SPWM波形的產(chǎn)生，本設(shè)計中Dmax=O. 65。系統(tǒng)SPWM輸出基頻為20kHz，調(diào)制輸出50Hz的正弦波，畸變很小，而且由于基頻比較高，對低通濾波器的要求也較低。5.系統(tǒng)還設(shè)置了過電流保護(hù)，過載保護(hù)，當(dāng)采集的電流信號超過設(shè)定值時，便會輸出高電壓，通過光耦傳輸給ARM的 Μ1- BKIN腳，當(dāng) Μ1-ΒΚΙΝ腳置高時PWM輸出端口會關(guān)閉，功率開關(guān)管會關(guān)閉，此時，關(guān)斷中斷會啟動，系統(tǒng)會判斷是重啟還是保持關(guān)斷。6.使用萬用表測試電路是否連接正確，電子器件是否正常，確認(rèn)無誤后，通電后使用示波器測試電路關(guān)鍵點(diǎn)的波形，并記錄，實驗測得波形如圖7所示，其中圖7 (a)、7
(b)分別為上管和下管的驅(qū)動波形，該驅(qū)動信號波形穩(wěn)定，且標(biāo)準(zhǔn)，兩路波形為互補(bǔ)關(guān)系，圖7 Cd)可以看出由ARM控制的逆變不存在零點(diǎn)抖動，正負(fù)周期能夠很流暢的轉(zhuǎn)換，從圖7
(c)也可以看出輸出交流電壓穩(wěn)定，幾乎不存在畸變，其幅值為8.4V，基本滿足(I)式，SP12. 9*0. 65=8. 385V。實驗持續(xù)輸出50W達(dá)10個小時，電路各部分沒有明顯發(fā)熱，輸出波形穩(wěn)定。從輸出的正弦波可以看到，本實用新型采用ARM作為控制器，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的逆變，輸出波形穩(wěn)定，畸變極少，控制精確可靠，逆變效率提高。
權(quán)利要求1.低功耗小型車載逆變器，其特征在于，該逆變器包括ARM控制器、光耦隔離電路、驅(qū)動電路、全橋逆變電路、電源和負(fù)載;ARM控制器為主控制器，其產(chǎn)生符合控制策略的單極性的SPWM波形，經(jīng)過光耦隔離電路和驅(qū)動電路，控制全橋逆變電路中開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，實現(xiàn)全橋逆變電路的單極性正弦逆變，并根據(jù)全橋逆變電路的反饋信號適時的關(guān)閉輸出，保護(hù)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低功耗小型車載逆變器，其特征在于，所述全橋逆變電路包括主電路、電感、電容和變壓器，主電路是由4個MOSFET功率管構(gòu)成的全橋電路，其中，功率管Tl和功率管T3的漏極連接在電源的正極上，所述功率管Tl和功率管T3的源極分別與功率管T2和功率管T4的漏極相連接，所述功率管T2和功率管T4的源極連接在電源的負(fù)極上；功率管Tl的源極與功率管T2的漏極之間依次接上電感和電容，所述電感和電容也連接在功率管T3的源極與功率管T4的漏極之間，變壓器并聯(lián)在所述電容兩端；電源經(jīng)過所述全橋電路進(jìn)行逆變，再由所述電感和電容進(jìn)行濾波，最后通過所述變壓器升壓至220V，給負(fù)載供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的低功耗小型車載逆變器，其特征在于，所述ARM控制器包括一個可以設(shè)置死區(qū)時間的定時器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低功耗小型車載逆變器，其特征在于，所述逆變器還設(shè)置有過電流保護(hù)和過載保護(hù)。
專利摘要本實用新型提供了一種基于ARM數(shù)字控制，實現(xiàn)SPWM控制的單極性逆變系統(tǒng)，將SPWM波經(jīng)光電耦合電路傳輸給驅(qū)動電路來驅(qū)動開關(guān)管，實現(xiàn)橋式逆變，相對于雙極性逆變有損耗低、諧波小、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)。本實用新型的低功耗小型車載逆變器將數(shù)字控制及全新的逆變策略相結(jié)合，利用光耦隔離提高系統(tǒng)的抗干擾能力，使系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，逆變效率高；基于32位的控制器可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制方式，可以考慮加載新型的控制方式實現(xiàn)其它逆變電路，使用方便，同時帶有過流、過載保護(hù)，安全可靠。
文檔編號H02M7/5387GK202772809SQ20122046403
公開日2013年3月6日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者鄭玉蓮, 褚鵬超, 田曉燕, 孫頻東 申請人:南京師范大學(xué)