基于ATmega8单片机控制的正弦波逆变电源
时间: 2024-06-03 16:04:47 | 作者: AC电源接口
在风电行业中,经常需要在野外对风机做维修,这时必须为各类维修工具和仪器进行供电。因此,设计一种便携式。低功耗。智能化的正弦
本文所设计的逆变器是一种能够将DC12V直流电转换成220V正弦交流电压,并能够给大家提供给一般电器使用的便携式电源转换器。目前,低压小功率逆变电源已经被大范围的应用于工业和民用领域。尤其是在交通运输。野外测控作业。机电工程修理等无法直接用市电之处,低压小功率逆变电源便成为必备的工具之一,它只需要具有一块功率足够的电池与它连接,便能产生一般电器所需要的交流电压。由于低压小功率逆变电源所处的工作环境,都是在荒郊野外或环境恶劣。干扰多的地方,所以对它的设计的基本要求就相对很高,因此它一定要具有体积小。重量轻。成本低。可靠性高。抗干扰强。电气性能好等特点。
针对这些特点和要求,研究一种简单实用的正弦波逆变电源,以低价实惠而又简单的元器件组成电路来满足实际要求,定会受到市场的普遍欢迎。当前,设计低功率逆变电源有多种方案,早期的设计的具体方案是直接将直流电压用双开关管来控制,在50Hz方波的作用下,产生220V的方波逆变电压。
但随着用电设备对逆变电源性能的要求不断的提高,方波逆变电源在多数场合已被淘汰,而正弦波逆变器的应用已成为必然趋势。现在,市场上低功率正弦波逆变电源的主要设计的具体方案有3种。
该方案也是将要逆变的直流电压直接加到双开关管上,然后采用数十倍于50Hz的正弦化脉冲宽度调制脉冲串对开关管直接进行驱动,之后对输出的电压实行“平滑”处理,进而获得类似于正弦波的连续变化的波形,这种方法的优点是电路一次逆变,高效而简单。但变压器过于笨重,没办法满足体积小,重量轻的要求。
该方案是将驱动开关管的50Hz信号,分成若干相位不同而频率相同的驱动信号,分别驱动各自的开关管,使得各自的输出电压也错开一定的相位,然后再进行叠加处理,输出多阶梯的阶梯波再进行滤波就能输出所需的正弦波电压。此种方案电路较为复杂,一旦有一组开关管失效,输出的波形就有很大的失线二次逆变的正弦波逆变电源
随着高频开关管技术的日趋成熟,逆变电源的电路设计趋向于先变压,后变频,即先将直流电压转为高频交流电,再将高频交流电转换为50Hz的正弦交流电源,其原理框图如图1所示。
由于开关管的价格低,因此组成图1的单元电路性能好价格低,当前市场上以此种设计的具体方案来生产低功率逆变电源的居多。
在以上列举的三种逆变电源设计的具体方案当中,以二次逆变的正弦波逆变电源为佳。按照这种思路,早期的具体电路解决方案多采用PWM控制芯片如TL494,SG3524,SG3525A等,以固定的频率去控制DC/DC和DC/AC部分的开关管,并采用修正电路对输出的波形进行修正,以期达到正弦波的要求。但这种纯PWM芯片控制的电路,对于元件的老化。发热。受到干扰等情况无法自动加以修正,或者修正能力差,往往使得在实际的应用当中常常会出现电路故障。随着单片机技术的发展,设计人员不断想将单片机引入到正弦逆变电源的控制当中,但对于高频部分的控制,低成本的单片机完成不了这个功能,高成本的单片机又会降低性价比,故本文提出了另外一种设计的具体方案,就是采用低廉的
单片机,配合TL494,IR2110和开关管,构成一个体积小,成本低,控制能力强的正弦波逆变电源,其方框图如图2所示。
单片机来控制,TL494和IR2110是否工作,全由单片机根据反馈信号作出调整。高频开关管及驱动输出部分采用单相全桥逆变电路构成。具体工作原理是采用ATmega8单片机作为系统控制的核心,利用TL494能产生高频PWM信号的功能,通过单片机对其脉冲宽度来控制并输出,以控制高频开关管组成的全相逆变电路,将低直流电压逆变成为高压方波,并通过整流滤波之后,送到驱动输出全桥逆变电路,由单片机控制IR2110输出工频驱动信号,控制输出驱动电路输出50Hz,220V的正弦交流电压。
整个逆变系统的核心主要由单片机控制电路与检测电路。DC/DC变换电路。DC/AC输出电路组成。
如图3所示,由TL494组成了高频脉冲输出电路,该电路采取了性能优良的脉宽调制控制器TL494集成块。该集成块内含+5V基准电源。误差放大器,频率可变锯齿波振荡器。PWM比较器。触发器。输出控制电路。输出晶体管及死区时间控制电路等。该集成块的第5~6脚分别外接了C1和R6组成了RC振荡电路,可促使TL494输出频率为100引脚对图中的DCDC端来控制。经过控制第4脚的死区时间控制端,可调节输出信号的占空比在0~49%之间变化,从而控制输出端Q1PWM~Q2PWM的输出,而P端。VCC端和VFB端则分别接收来自负载,高频逆变输出电压。输入电压的反馈信号,与TL494内部的电路组成过压。过载保护电路,形成逆变器的第一级安全保护网。
如图4所示为高频电压逆变电路,由4只IRF3205管构成全桥逆变电路,IRF3205使用先进的工艺技术制造,具有极低的导通阻抗,加上具有快速的转换速率和以坚固耐用着称的HEXFET设计,使得IRF3205成为极其高效可靠的逆变管。从输入端Q1PWM,Q2PWM输入的高频脉冲串控制这4个管两两导通,对VIN输入的直流低压进行斩波,然后经升压变压器后,逆变成高频交流方波,此时流通的电流为磁化电流,所以选取Philips公司生产的BYV26C超快软恢复二极管组成了全桥整流电路,该管子重复峰值电压为600V,正向导通电流为1A,其反向恢复时间30ns,能够完全满足电路的参数需求,整流后的电压经滤波电路后输出直流电压260V,送往DC/AC逆变电路,另外260VDC经降压处理后作为作为反馈信号输入图3中的VFB端,作为高频逆变电压的反馈信号。
DC/AC变换输出电路采取全桥逆变单相输出,其驱动输入波形则由单片机输出信号驱动半桥驱动器IR2110输出工频驱动信号,通过单片机编程可调节该输出驱动波形的D50%,保证逆变的驱动方波有共同的死区时间.如图5所示,QA1~QA4端分别接到单片机的PB1~PB4引脚,由此引脚输出信号驱动两片IR2110,分别从PWM1~PWM4输出50Hz的工频信号去驱动桥式逆变电路产生正弦波形。
IR2110是IR公司生产的大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路,能轻松实现对MOSFET和IGBT的最优驱动,同时还具有快速完整的保护功能,因此它能大大的提升控制管理系统的可靠性,减少电路的复杂程度.如图6所示,HIN和LIN为逆变桥中同一桥臂上下两个功率MOS的驱动脉冲信号输入端.SD为保护信号输入端,当该脚接高电平时,IR2110的输出信号全被封锁,其对应的输出端恒为低电平;而当该脚接低电平时,IR2110的输出信号跟随HIN和LIN而变化,因此,在本系统中,两片IR2110芯片的SD端共同接到单片机的PB0引脚,用于实时控制IR2110是否处于保护状态.IR2110的VB和VS之间的自举电容较难选择,因此直接提供了15V恒压,使其能正常工作。
逆变正弦电压输出电路有两种调制方式,一种为单极性调制方式,其特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关,保证能够获得理想的正弦输出电压,另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作,从而在很大程度上减小了开关损耗,但又不是固定其中一个桥臂始终为低频(输出基频),另一个桥臂始终为高频(载波频率),而是每半个输出电压周期切换工作,即同一个桥臂在前半个周期工作在低频,而在后半周则工作在高频,这样做才能够使两个桥臂的功率管工作状态均衡,对于选用同样的功率管时,使其常规使用的寿命均衡,对增加可靠性有利.另一种为双极性调制方式,其特点是4个功率管都工作在较高频率(载波频率),虽然能得到正弦输出电压波形,但其代价是产生了较大的开关损耗.如图6所示,本文的逆变输出电路采取了单极性调制方式,这样做才能够提高波形的平滑度,增加电路的可靠性.图6中的PWM1~PWM2分别接收来自图5的输出驱动信号,驱动由4个具有500V耐压值的IRF840开关管组成的桥式逆变电路,将260VDC逆变成220V,50Hz的交流电,经LC滤波后供给负载.图6中的IFB端和ACV端,分别和为电流和电压的采样,送到单片机的PC4和PC5引脚进行A/D转换,再由单片机将转换果用于功率计算和电路保护之用。
本文采用的是Atmel公司生产的ATmega8单片机来来控制的,它的工作电压范围宽,抗干扰能力强,具有预取指令功能.这使得其理速度快,引脚输出电流大,驱动能力强,输出的脉冲信号无需放大可直接驱动步进电机驱动模块,端口全内置上拉电阻,均可作为输入或输出,详细情况通过编程灵活配置,基于以上优点,选择ATmega8L单片机作为控制器,不仅可提高系统整体性能,也可简化外围电路。
本文主要将它应用于总系统的信号驱动,温度检测,风扇控制,安全保护,多个方面数据显示等.ATmega8单片机分别采集来自系统电路的温度、电流、电压,并根据这三个参数的情况分别控制启动风扇散热,控制是否输出报警信号,控制SD端和DCDC端是否使系统处于保护状态,QA1~QA4则是输出50Hz的驱动信号,具体的编程控制如图7所示.当系统启动后,单片机先检查系统的温度环境是不是正常,不正常则启动报警,并提示出错代码,如果正常则启动高频逆变电路工作,并检测260VDC是不是正常,不正常则报警,正常则启动正弦逆变电路工作,并一直检测输出的电压电流是不是正常,正常则输出,不正常则报警。
综上所述,基于ATmega8单片机控制的正弦波逆变电源的整体设计的具体方案,可高效.便捷的为野外作业提供所需的交流电源,该电路目前已实验成功并投入到实际的使用当中.实践证明,本文设计出来的逆变电源具有体积小,重量轻,稳定可靠的性能。