基于STM32单相正弦波逆变电源的设计

2018-06-06 09:30:08 科教导刊·电子版 2018年6期

唐涛 杨冰 李稳国 兰岳旺 吴航

摘 要 针对传统线性电源输出功率低、稳定性差、带负载能力不强等问题,设计并制作了一种效率高、稳定性强的开关稳压式电源。该开关电源系统主要是由STM32单片机、驱动模块、DC-DC升压模块、DC-AC逆变模块、采样调频模块等组成。以DC-DC升压模块和DC-AC逆变模块为电路主拓扑,由STM32单片机产生的信号经过驱动模块放大增幅后进行控制调节,采样调频模块进行采样反馈和频率调节。测试结果表明,该开关电源系统具有过压欠压保护功能,输出交流电压的幅值频率可调,且效率达到86%以上。

关键词 STM32单片机 DC-DC DC-AC

中图分类号:G632.3 文献标识码:A

0引言

随着电子技术的飞速发展,各种电子装置对电源功率的要求越来越大,对电源效率和稳定性的要求也越来越高。因此,开关电源技术得以飛速发展。传统线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠,但它存在效率低(40%-50%)、体积大、工作温度高及调整范围小等缺点,而开关式稳压电源效率可达85%以上,且稳压范围宽。相比传统线性稳压电源,开关电源所具有的电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点,为它在小功率范围内取代线性电源奠定了良好基础,并且还迅速地向中大功率范围推进。文献[2]提出的开关电源稳定性好,但电源转换效率不高。

针对上述问题,本文提出了单相正弦波逆变电源的设计。该设计主拓扑电路由DC-DC升压模块和DC-AC逆变模块构成。其中,DC-DC升压模块采用两路B00ST并联结构,提高了输入电流,有利于电流分配调节。而DC-AC逆变模块采用全桥逆变结构。与半桥逆变结构相比,全桥逆变的开关电流减小了一半,在大功率场合得到了广泛应用,且稳定性更好。本系统使用的开关管均是金属氧化物场效应管(MOSFET),该管能够有效地减少功率损耗,提高系统效率。

1系统总体设计

系统总体设计框图如图1所示。该电源系统采用直流稳压电源供电,最大提供32V-3A。辅助电源则为LCD12864显示屏、驱动模块中6N137和IR2104芯片及交流采样模块中AD637芯片提供+12V、+5V、-5V电压。

该系统以STM32为主控单片机。采用脉冲宽度调制(PWM)技术和正弦脉宽调制(SPWM)技术,由单片机定时器产生固定频率的PWM波和SPWM波。PWM波经驱动模块放大加强后,驱动DC-DC模块中BOOST结构的MOSFET,进行并联升压;单片机实时采样调节DC-DC模块输出总电压和两个BOOST电路的电流,保证电压输出稳定并且电流成比例。SPWM波经驱动模块加强放大后,驱动DC-AC模块中全桥逆变电路的四个开关管,通过控制四个开关管在同一时刻不同通断,实现直流电到交流电的转变;单片机对DC-AC模块输出电压进行交流采样和调节,达到逆变电路的稳压输出和频率调节的目的。

2系统硬件主要模块

2.1 DC-DC升压模块

DC-DC升压模块采用两路同步BOOST电路并联组成,实现对电路的升压。它具有稳定性好,负载响应快,输出波纹小等优点。

为提高系统稳定性,DC-DC升压模块的两路BOOST电路都采用同步结构。同步BOOST是由Q1、Q2两个IRF540、电感P2及C1电容组成。当Q2导通、Q1截止时,电源E给电感P2充电,电感P2获得的能量为E*ton。当Q1导通、Q2截止时,电源E和电感P2同时给电容C1充电,其电容所得幅值为U,电感所释放的能量为(UE)*toff。当电路工作处于稳态时,一个周期T中电感P2储存的能量与释放的能量相等,故可得放大倍数A:

A==

式中,D=,即为PWM波的占空比。所以当输出总电压发生变化时,只需调节PWM波的占空比,就能调节输出总电压。

BOOST结构中的电感P2由绕组扼流线圈和铁氧体磁芯组成,根据电流临界连续条件得电感的计算公式为:

其中,fSW(tye)为芯片振荡频率,IRIPPLE为纹波电流,U为最大输出电压,经实际计算电感值约为330uH。

电容C1的主要作用是储能电能,电解电容C1计算公式为:

其中,POUT为最大输出功率,U为最大输出电压,Umin为最低输出电压,T为开关周期,计算可得电容的大小约为2200uF,故选用2200uF。而C2、C3为独石电容,其主要作用是滤除谐波。

2.2 DC-AC逆变模块

DC-AC逆变模块采用全桥逆变电路。采用全桥逆变结构具有损耗低、效率高、工作频率高、驱动容易、可靠性高等优点。

2.3采样调频模块

采样调频模块主要是由直流电压采样、直流电流采样、交流电压采样及频率调节四部分组成。

直流电流采样方法为:在DC-DC升压模块两路输出端各串联一个50m 康铜丝电阻。已知系统设计的电流范围为0-3A,故所得电压范围是0-150mV。而STM32单片机所能采集地有效电压为1.8-3.3V,取其适中值2.4-3.0V。因此差分放大倍数范围在16-20倍。直流电压采样的方法是通过大电阻分压后对输出电压进行采样。已知系统设计的最大输出电压为24V交流电,根据交直流变换关系,得BOOST升压后的最大直流电为34V。交流电压采样的方法则使用电压互感器进行缩放后,对交流电压进行采样,再用AD637芯片进行真有效值转换,将交流电转换为单片机可采集地直流电,计算后送至单片机。频率调节则是将电压互感器之后输出的波形送至过零比较器,使正弦调制波变换为矩形波,供STM32单片机采集,并将采集后的频率与设定频率比较。如果两者不一致,则通过改变构成一个正弦周期所需的点数dot值来改变频率,以达到变频的目的。

2.4驱动模块

驅动模块主要是由6N137光耦隔离芯片和2104芯片等部分组成。

STM32单片机产生两路控制信号,其中一路PWM信号经过6N137光耦隔离芯片增幅放大后,输入到2104芯片电路,由2104芯片电路产生两路反相带死区的PWM波,用于后级电路的控制。另外一路SPWM信号也是如此。此外,6N137芯片还有隔离作用,能够保护STM32单片机不受后级信号的干扰和损害。

3系统软件设计

程序流程描述如下:系统上电后,系统首先进行初始化处理,检测是否有键按下。若有键按下,判断键值类型,根据不同的类型执行相关程序。若没键按下,则进行电压电流采样。根据电流是否成比例、电压是否稳定输出、频率是否稳定输出三个主要判断条件进行相关操作和调节。如果电流不成比例,系统则会根据实际比例与设定比例存在的差值,调节PWM1直至电流成比例输出。在保证电流成比例输出的条件下,对电压进行采样,判断其是否与设定电压值一样。如果不一样,则会调节相应的PWM2和SPWM信号直到与设定值电压相同为止。在电压稳定输出的条件下,如果存在欠压或过压的情况,继电器会断开输入电压,系统进入保护状态。如果不存在欠压过压的情况,系统进行频率采样,记录此刻频率值。如果需要进行频率调节,则根据实际频率与设定频率存在的差值,换算成对应的dot值,增减dot值的大小,来达到频率调节的目的。最后液晶显示屏将显示各部分的参数情况,并循环执行,实时更新。

4实验结果与分析

为了验证该方案的可行性,在实验室制作了一台样机,负载为10 /50W滑动变阻器。使用的测试仪器有四位半数字万用表、全自动示波器。

由表1数据可知,,电压输入在15.2-18.4V,电流输入在2.32-2.84A时,系统DC-AC部分转换效率都在86%以上,且输出波形良好,无明显失真;由表2数据可知,输出频率在40.0-200.0Hz范围内可调,频率调整误差不超过1%,频率调整最小值为1.0Hz;调整输入电压,当输入电压低于16.0V或高于19.0V时,继电器断电,对系统进行过压欠压保护,将电压调回16.0V或19.0V,系统恢复正常。测试表明各项参数良好,但是也存在一些问题。

5结论

本文设计并实现了一种基于STM32单相正弦波逆变开关电源,该系统样机测试表明,输出交流电压在12.0-22.0V内可调,输出频率在40.0-200.0Hz范围内可调,还具有欠压过压保护的功能。各项参数良好,系统运行可靠。本设计区别于传统线性稳压电源,且体积小、成本低,具有很好的应用前景。

基金项目:湖南城市学院教务处省级科研项目(CX201609)。

参考文献

[1] 王予,张培,胡海如.开关电源原理及发展方向[J].中国科技信息,2007:14-85.

[2] 曹丽萍.开关电源EMI滤波器研究[D].西安:西安电子科技大学,2010.