基于AVR 單片機的數字正弦逆變電源設計

摘要：提出一種高性能的直流-交流（DC-AC）數字式正弦逆變電源的設計方法。采用SG3525A 與AVR 系列單片機AT90PWM2 作為控制器進行設計。SG3525A 產生PWM 波進行前端的推挽升壓控制，通過直流母線上高電壓的負反饋，使得全橋逆變的輸入電壓保持穩定。AT90PWM2 的波形發生器產生SPWM 波形對后級全橋逆變進行控制，通過采樣全橋逆變后的輸出電流以及輸出電容電壓，實現雙閉環控制，使得逆變電源在各種不同類型負載條件下都能具備良好的輸出特性以及負責效應。實驗結果表明：1 kW 樣機性能穩定，逆變效率大于90%，在不同種類的滿功率的負載條件下均能保持電壓精度為220 V±1%，頻率精度50 Hz±0.1%，THD 小于1%。

　　逆變電源應用廣泛，特別是精密儀器對逆變電源性能要求更高。好的逆變電源不僅要求工作穩定、逆變效率高、輸出的波形特性好、瞬態響應特性好，還要求逆變電源小型化、智能化、并且具備可擴展性。因此，這里提出一種基于AVR 系列單片機AT90PWM2 的數字正弦逆變電源， 前級SG3525A采用PWM 控制升壓電路實現輸入和過熱保護。后級單片機AT90PWM2 使用單極性倍頻SPWM 控制方式進行全橋逆變，且進行輸出保護。

　　1 總體設計及工作原理

　　逆變電源的系統整體框圖如圖1 所示，系統的主電路采用前級推挽升壓和后級全橋逆變的2 級結構[2]，這樣可以避免使用工頻變壓器，有效降低電源的體積和質量，提高逆變效率。其工作原理為：12 V 的直流輸入電壓經過濾波后推挽升壓和全橋整流升壓到350 V 的直流母線電壓，再經過全橋逆變電路轉變為220 V/50 Hz 的工頻交流電。

圖1 系統的總體框圖

　　為了減小輸入電壓的影響，采樣全橋整流后的輸出電壓作為反饋電壓來控制前級推挽升壓電路的控制器， 調節SG3525A 輸出PWM 波形的占空比， 使得直流母線的電壓始終保持在350 V。同時采樣輸出濾波電容上的電壓和輸出濾波電感上電流，采用電壓電流雙環控制，調節后級全橋逆變電路的SPWM 的輸出，從而得到良好的輸出波形特性以及穩定的負載特性。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 推挽升壓PWM 波形的產生

　　直流升壓電路采用推挽式，其結構簡單，效率高。電路中的功率管VQ1，VQ2通過SG3525A outputA，outputB 交替產生的2 路互補PWM 波來控制通斷。SG3525A 可以通過調節外接的電阻和電容來產生100 Hz～500 kHz 之間的不同頻率段的PWM 波形，其PWM 波的頻率fPWM和外接電阻RT，RD，外接電容CT關系為：

　　SG3525A 通過反饋的直流母線電壓可自動調節PWM 波的占空比，使得輸出穩定。同時SG3525A 具有電壓的輸入欠壓鎖定和PWM 鎖定功能，一旦發生過流或者過壓的現象，可以迅速關斷PWM，保證了整個電路的安全性。

　　2.2 全橋逆變SPWM 波形的產生

　　SPWM 波形由AVR 單片機系列的AT90PWM2 產生。AT90PWM2 具有2 個12 位的波形發生器PSC0，PSC2， 分別產生2 路互補的SPWM 信號經過驅動電路隔離放大后驅動全橋逆變中的功率管。其中PSC0 生成為VQ3和VQ4的控制信號，PSC2 生成VQ5和VQ6的控制信號。

　　選擇PSC 工作在中心對齊模式， 并且PSC0 和PSC2 工作在同步狀態。則PSC 計數器從寄存器OCRnRB 定義的最大值開始計數，先減到零再加到最大值，當PSC 計數器的值與寄存器OCRnSB，OCRnSA 的值相等時， 則將分別改變PSCn輸出引腳PSCOUTn0、PSCOUTn1 的電平。其三角波載波周期

　　fSPWM和PSC 計數頻率fPSC以及寄存器OCRnRB、OCRnRA（n=0或2）的關系為: