（黑龙江工程学院 黑龙江省哈尔滨市 150050）
摘要：模块化、数字化、智能化是逆变器技术的发展方向之一，本文研究并设计了一种新的逆变器电路,利用SPMC75芯片具有独立的程序和存储器空间，结合芯片的高速运算能力和强大的控制功能，采用H桥逆变电路,增强电路的稳定性和动态性能。系统运行表明，设计的各部分电路结构简单、可靠性高、成本低、灵活性好。
关键词：逆变器；H桥电路；SPMC75F2313A；SPWM
0 引言
逆变器作为应急备用电源、环保电源、UPS电源和变频电源的主体部分，在电源领域中占有越来越大的比重，并且随着功率元件的不断更新，逆变器的性能和效率有了大幅度的提升。逆变技术在风力发电和太阳能发电领域中逐渐演变成主角，已渗透到我们生活中的各个领域，并且已成为未来电源技术发展研究的主要课题之一。随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术的发展，在逆变器驱动控制方面和检测处理方面逐渐向数字化方向发展。原有的技术已经满足不了供求的变化，并且在性能成本上已不具竞争力，逆变器发展目标是实现系统全数字化运行。
1 基于SPMC75的逆变器总体设计
1.1 SPMC75F2313A微控制器芯片
SPMC75F2313A 是由台湾凌阳科技公司设计开发的工业级的十六位微控制器芯片，其核心采用凌阳公司自主知识产权的μ’nSP™微处理器，集成了多功能I/O口、同步和异步串行口、ADC、定时计数器模块、多功能捕获比较模块、BLDC电机驱动专用位置侦测接口、两相增量编码器接口、能产生各种电机驱动波形的PWM发生器等特殊硬件模块。利用这些硬件模块支持，SPMC75F2313A 可以完成诸如逆变器、变频驱动器、标准工业变频驱动器、变频电源、多环伺服驱动系统等复杂应用。
1.2 系统总体结构
智能逆变器系统各个功能模块设计围绕着SPMC75F2313A单片机构造了一个完整结构，完成各种复杂的功能。由单片机控制DC-DC升压电路、H桥逆变电路、保护电路、检测电路以及显示电路等，系统形成一个大反馈环，以实现逆变器的智能化、高可靠性。系统框图如图1所示。
系统以SPMC75F2313A单片机作为核心控制，担负起两路SPWM驱动、两路PWM驱动、电压检测、保护电路控制以及显示等功能。它将两路互为反向的SPWM波形电压通过驱动电路送到H逆变桥作为功率开关管的驱动，将两路互为反向的PWM波形电压送给DC-DC升压电路，控制其推挽开关管，通过高频变压器和整流滤波电路，使其完成升压的任务。DC-DC升压电路产生的高压直流电作为H逆变桥电路的输入电压，H逆变桥将输出的高频高压交流电送给滤波器进行滤波，最后输出。在系统中加入了完善的保护电路，以确保系统安全、稳定地运行，其具体方法是在功率输出端加入电压、电流采样电路，将系统的电流、电压信息反馈给单片机，经ADC、单片机的处理，得到系统运行的状态信息，如果单片机检测到系统运行异常，会立刻对保护电路执行关断动作，使功率部分停止运行，防止其影响面扩大，造成不良后果。
2 外围电路设计
单片机外围电路设计直接决定单片机运行的正常、稳定性。在逆变器设计中，单片机工作在强电磁、高温的环境下，外围电路设计要考虑到如何提高单片机的抗干扰能力。外围电路如图2所示。
系统选用6M晶振作为时钟源，在晶振的两端对地接20pF电容，保证时钟电路能正常、稳定的运行。在单片机电源端并接一只0.1uF退耦电容，滤除高频干扰和电磁干扰。设计了程序下载器电路，以方便程序的调试和下载，在系统中为程序下载器单独供电，供电电压为3.3V。在复位电路上，采取阻容复位电路，实现单片机的低电平复位。并在ADC滤波引脚对地接两只电容滤除外界和单片机内部的干扰，以确保ADC转换的结果准确，最后在单片机的内部滤波引脚上对地接10uF电解电容，有效地提高了单片机系统的抗干扰能力。
3 H桥逆变电路及工作原理
系统的H桥逆变电路的作用是将DC-DC升压电路提供的高压直流逆变成交流电。由单片机送出的通过驱动放大的SPWM波形控制开关管栅极，两侧桥臂交替导通，实现负载上电压的正反向变化，即产生交流。在输出的后级引入低通滤波器，滤除输出电压中的高频成分，改善输出波形的质量，并且在场效应管栅极与信号之间串联小阻值电阻，用来抑制由场效应管节电容与导线上寄生电感产生的震荡，电阻上反相并联了二极管以提高场效应管的关断速度，具体的电路如图3所示
H桥功率变换电路工作原理：通过单片机系统并经驱动放大的SPWM驱动波形控制H桥电路中的四个场效应管，场效应管分两组轮流导通，并与负载构成回路，途中包括电源的低通滤波部分，由于直接从H逆变桥电路输出的仍然是SPWM波形的电压，要通过低通滤波器滤除其中的高频成分，最后在系统的输出得到纯净的正弦波形交流电，达到设计的目的。
4 系统供电电路
系统的供电电路负责为单片机系统、驱动电路、功率系统供电。它是整个系统能量的来源，电路设计的好坏直接决定整个系统的性能。具体电路如图4所示。
系统的供电电路上，在为功率部分提供电源的回路中并接两只大电容，以抵消供电蓄电池在高频时产生的电感效应和减小输入电压在高频开关下的波动，提高了蓄电池的利用率。在12V电压后面接入5V稳压芯片，传统的78XX系列稳压芯片效率低下，将输入和输出的压降直接转化为无用且有害的热能，降低了系统的效率和可靠性，设计采用AMS1117系列稳压芯片，它具有效率高，功率大，体积小的优点，为提高系统的抗干扰性，在单片机系统和驱动电路上采用两只稳压器独立供电，并额外增加了一只3.3V稳压芯片，目的是为单片机系统的程序下载器单独供电，以方便程序的调试和下载。根据电路中所需要的电源，选择AMS1117-5和AMS1117-3.3分别作为5V和3.3V电源的稳压器，并在稳压芯片的电源端和地端并联小容值电容，用以滤除电路中的高频干扰和抑制稳压电路的自激震荡，提高了系统的可靠性。
5 结论
本文以SPMC75芯片为核心控制器设计了MCU 驱动控制逆变器电路，完成了整个系统的主电路、驱动控制电路和供电电路设计。采用 SPWM驱动波形控制H桥电路更加有利调节逆变电源输出的有效值和频率，通过对系统逐步完善，使各部分电路设计结构更加简单、可靠性更高、成本更低，同时采用模块化设计提高使用的灵活性。
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注：项目基金：2015年哈尔滨市应用技术研究与开发项目[编号：2015RAXXJ036]
作者简介：宋起超（1973-），男，教授，从事微机电装置控制和信息融合研究工作。
论文作者:宋起超,刘海成,杨春光,张鹏,邢敬娓
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/27
标签：电路论文; 系统论文; 单片机论文; 逆变器论文; 电压论文; 波形论文; 电源论文; 《电力设备》2017年第5期论文;