基于單片機的小功率逆變器的設計與實現

摘要：為了提高逆變器的整體性能，以STC12C5A60S單片機為核心，設計并實現了一個小功率逆變器。通過單片機直接產生脈寬調制波，控制功率開關器件組成的橋電路實現逆變。根據單片機對外部電位器上電壓的采樣值對輸出電壓的幅值進行控制，使得輸出電壓幅度可調。采用數／模電路結合設計，使得逆變器的體積大大減小。硬件上的功能模塊化設計，使整個系統的檢測性和操控性大大加強。該逆變器電路簡單，工作穩定可靠，且易于升級，具有較大的推廣應用價值。
關鍵詞：逆變器；單片機；脈寬調制；功率開關器

0 引言
逆變器是將汽流電能變換成交流電能的電氣裝置，通常用大功率高反壓電力電子器件來實現。太陽能發電中，光電池陣列所發出的電為直流電。但是，大多數用電設備的供電為交流電，所以電力系統中常需要將直流電變換成交流電的逆變器。此外，逆變器在工業控制，通信、交通等領域的應用也非常廣泛。正弦脈寬調制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)，是指以正弦波做調制波(Modulating Wa ve)，以F倍于正弦調制波頻率的三角波做載波(Carrier Wave)，進行波形比較后產生一組幅值相等、寬度正比于正弦調制波的矩形脈沖序列，來等效正弦調制波。本文以STC12C5A60S單片機為核心，利用其內部兩路可編程計數陣列(PCA)模塊來模擬脈寬調制法，設計并實現了一個輸出電壓幅值可調的小型逆變器。

1 系統硬件設計
本文使用AltiumDesigner6．9完成硬件電路原理圖和PCB圖的設計。圖1是該設計的總體電路結構圖。

該設計實現的功能是將6 V的直流電通過三級功率變換(DC-HFAC-DC-LFAC)得到頻率為50 Hz，幅度為110 V的工頻交流電以供交流負載使用。現將硬件電路各部分的具體設計和功能作如下描述。
1．1 電源模塊
使用直流到直流變換芯片MC34063與LM7805和LM7812組合得到12 V和5 V的直流電，為硬件電路的各模塊提供所需電源。
1．2 前級升壓模塊
通過SG3525芯片與其外圍電路產生兩路互補的高頻PWM(Pulse Width Modulation)脈沖波，用這兩路高頻脈沖波分別控制由兩個MOS(IRF 3205)管組成的單邊橋高頻逆變器，并與高頻變壓一起實現前級升壓。通過前級升壓，把6 V的直流電升到300 V左右的高頻交流電，為后面的工頻逆變做準備。
1．3 整流器與濾波模塊
4個二極管組成整流橋電路對前級升壓模塊輸出的高頻交流電進整流，并且經過LC濾波器進行濾波作為工頻逆變橋電路的輸入。
1．4 工頻逆變器MOS橋電路驅動模塊
該設計中驅動工頻逆變器橋的4個MOS管使用IR2110芯片來完成。單片機產生的兩路SPWM控制信號經過死區時間后作為2片IR2110的邏輯輸入。用2片IR2110芯片組成的驅動電路輸出4路兩兩互補的信號，從而控制全橋逆變電路的上、下橋臂的通斷，實現逆變功能。