基于ATmega8 單片機控制的正弦波逆變電源

0 引言

在風電行業(yè)中，經常需要在野外對風機進行維修，這時必須為各類維修工具和儀器進行供電.因此，設計一種便攜式.低功耗.智能化的正弦逆變電源來為這些設備供電是十分必要的，可大大提高維修風機的效率.

本文正是基于這種情況下而設計的一種基于單片機的智能化正弦逆變電源.

1 正弦逆變電源的設計方案

本文所設計的逆變器是一種能夠將DC 12 V直流電轉換成220 V 正弦交流電壓，并可以提供給一般電器使用的便攜式電源轉換器.目前，低壓小功率逆變電源已經被廣泛應用于工業(yè)和民用領域.特別是在交通運輸.野外測控作業(yè).機電工程修理等無法直接使用市電之處，低壓小功率逆變電源便成為必備的工具之一，它只需要具有一塊功率足夠的電池與它連接，便能產生一般電器所需要的交流電壓.由于低壓小功率逆變電源所處的工作環(huán)境，都是在荒郊野外或環(huán)境惡劣.干擾多的地方，所以對它的設計要求就相對很高，因此它必須具備體積小.重量輕.成本低.可靠性高.抗干擾強.電氣性能好等特點.

針對這些特點和要求，研究一種簡單實用的正弦波逆變電源，以低價實惠而又簡單的元器件組成電路來滿足實際要求，定會受到市場的普遍歡迎.當前，設計低功率逆變電源有多種方案，早期的設計方案是直接將直流電壓用雙開關管進行控制，在50 Hz方波的作用下，產生220 V的方波逆變電壓.

但隨著用電設備對逆變電源性能的要求不斷的提高，方波逆變電源在多數場合已被淘汰，而正弦波逆變器的應用已成為必然趨勢.現(xiàn)在，市場上低功率正弦波逆變電源的主要設計方案有3種.

1.1 一次逆變的正弦波逆變電源

該方案也是將要逆變的直流電壓直接加到雙開關管上，然后采用數十倍于50 Hz的正弦化脈沖寬度調制脈沖串對開關管直接進行驅動，之后對輸出的電壓實行“平滑”處理，進而獲得類似于正弦波的連續(xù)變化的波形，這種方法的優(yōu)點是電路一次逆變，高效而簡單.但變壓器過于笨重，沒辦法滿足體積小，重量輕的要求.

1.2 多重逆變的正弦波逆變電源該方案是將驅動開關管的50 Hz信號，分成若干相位不同而頻率相同的驅動信號，分別驅動各自的開關管，使得各自的輸出電壓也錯開一定的相位，然后再進行疊加處理，輸出多階梯的階梯波再進行濾波就能輸出所需的正弦波電壓.此種方案電路較為復雜，一旦有一組開關管失效，輸出的波形就有很大的失真.

1.3 二次逆變的正弦波逆變電源隨著高頻開關管技術的日趨成熟，逆變電源的電路設計趨向于先變壓，后變頻，即先將直流電壓轉為高頻交流電，再將高頻交流電轉換為50 Hz 的正弦交流電源，其原理框圖如圖1所示.

由于開關管的價格低廉，因此組成圖1的單元電路性價比高，當前市場上以此種設計方案來生產低功率逆變電源的居多.

2 基于單片機控制的正弦波逆變電源在以上列舉的三種逆變電源設計方案當中，以二次逆變的正弦波逆變電源為佳.按照這種思路，早期的具體電路解決方案多采用PWM 控制芯片如TL494,SG3524,SG3525A 等，以固定的頻率去控制DC?DC 和DC?AC部分的開關管，并采用修正電路對輸出的波形進行修正，以期達到正弦波的要求.但這種純PWM芯片控制的電路，對于元件的老化.發(fā)熱.受到干擾等情況無法自動加以修正，或者修正能力差，往往使得在實際的應用當中經常出現(xiàn)電路故障.隨著單片機技術的發(fā)展，設計人員不斷想將單片機引入到正弦逆變電源的控制當中，但對于高頻部分的控制，低成本的單片機完成不了這個功能，高成本的單片機又會降低性價比，故本文提出了另外一種設計方案，就是采用低廉的ATmega8單片機，配合TL494,IR2110和開關管，構成一個體積小，成本低，控制能力強的正弦波逆變電源，其方框圖如圖2所示.

由圖2可見，整個系統(tǒng)主要由ATmega8單片機進行控制，TL494和IR2110是否工作，全由單片機根據反饋信號作出調整.高頻開關管及驅動輸出部分采用單相全橋逆變電路構成.具體工作原理是采用ATmega8單片機作為系統(tǒng)控制的核心，利用TL494 能產生高頻PWM 信號的功能，通過單片機對其脈沖寬度進行控制并輸出，以控制高頻開關管組成的全相逆變電路，將低直流電壓逆變成為高壓方波，并通過整流濾波之后，送到驅動輸出全橋逆變電路，由單片機控制IR2110 輸出工頻驅動信號，控制輸出驅動電路輸出50 Hz,220 V的正弦交流電壓.

3 主要電路的具體設計

整個逆變系統(tǒng)的核心主要由單片機控制電路與檢測電路.DC/DC變換電路.DC/AC輸出電路組成.

3.1 DC/DC變換電路

如圖3 所示，由TL494 組成了高頻脈沖輸出電路，該電路采用了性能優(yōu)良的脈寬調制控制器TL494集成塊.該集成塊內含+5 V基準電源.誤差放大器，頻率可變鋸齒波振蕩器.PWM比較器.觸發(fā)器.輸出控制電路.輸出晶體管及死區(qū)時間控制電路等.該集成塊的第5?6 腳分別外接了C1 和R6 組成了RC 振蕩電路，可促使TL494輸出頻率為100?引腳對圖中的DCDC 端進行控制.通過控制第4腳的死區(qū)時間控制端，可調節(jié)輸出信號的占空比在0~49%之間變化，從而控制輸出端Q1PWM?Q2PWM的輸出，而P端.VCC端和VFB端則分別接收來自負載，高頻逆變輸出電壓.輸入電壓的反饋信號，與TL494 內部的電路組成過壓.過載保護電路，形成逆變器的第一級安全保護網.

如圖4 所示為高頻電壓逆變電路，由4 只IRF3205管構成全橋逆變電路，IRF3205采用先進的工藝技術制造，具有極低的導通阻抗，加上具有快速的轉換速率和以堅固耐用著稱的HEXFET設計，使得IRF3205成為極其高效可靠的逆變管.從輸入端Q1PWM,Q2PWM輸入的高頻脈沖串控制這4個管兩兩導通，對VIN輸入的直流低壓進行斬波，然后經升壓變壓器后，逆變成高頻交流方波，此時流通的電流為磁化電流，所以選取Philips公司生產的BYV26C 超快軟恢復二極管組成了全橋整流電路，該管子重復峰值電壓為600 V,正向導通電流為1 A,其反向恢復時間30 ns,可以滿足電路的參數需求，整流后的電壓經濾波電路后輸出直流電壓260 V,送往DC/AC 逆變電路，另外260 VDC 經降壓處理后作為作為反饋信號輸入圖3中的VFB端，作為高頻逆變電壓的反饋信號.

3.2 DC/AC輸出電路的設計

DC/AC變換輸出電路采用全橋逆變單相輸出，其驅動輸入波形則由單片機輸出信號驅動半橋驅動器IR2110 輸出工頻驅動信號，通過單片機編程可調節(jié)該輸出驅動波形的D<50%,保證逆變的驅動方波有共同的死區(qū)時間.如圖5 所示，QA1~QA4 端分別接到單片機的PB1~PB4 引腳，由此引腳輸出信號驅動兩片IR2110,分別從PWM1~PWM4輸出50 Hz的工頻信號去驅動橋式逆變電路產生正弦波形.

IR2110 是IR 公司生產的大功率MOSFET 和IGBT專用驅動集成電路，可以實現(xiàn)對MOSFET 和IGBT 的最優(yōu)驅動，同時還具有快速完整的保護功能，因此它可以提高控制系統(tǒng)的可靠性，減少電路的復雜程度.如圖6所示，HIN 和LIN 為逆變橋中同一橋臂上下兩個功率MOS的驅動脈沖信號輸入端.SD 為保護信號輸入端，當該腳接高電平時，IR2110的輸出信號全被封鎖，其對應的輸出端恒為低電平;而當該腳接低電平時，IR2110的輸出信號跟隨HIN和LIN而變化，因此，在本系統(tǒng)中，兩片IR2110芯片的SD端共同接到單片機的PB0引腳，用于實時控制IR2110 是否處于保護狀態(tài).IR2110 的VB 和VS 之間的自舉電容較難選擇，因此直接提供了15 V恒壓，使其能正常工作.

逆變正弦電壓輸出電路有兩種調制方式，一種為單極性調制方式，其特點是在一個開關周期內兩只功率管以較高的開關頻率互補開關，保證可以得到理想的正弦輸出電壓，另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上減小了開關損耗，但又不是固定其中一個橋臂始終為低頻(輸出基頻)，另一個橋臂始終為高頻(載波頻率)，而是每半個輸出電壓周期切換工作，即同一個橋臂在前半個周期工作在低頻，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對于選用同樣的功率管時，使其使用壽命均衡，對增加可靠性有利.另一種為雙極性調制方式，其特點是4個功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，雖然能得到正弦輸出電壓波形，但其代價是產生了較大的開關損耗.如圖6所示，本文的逆變輸出電路采用了單極性調制方式，這樣可以提高波形的平滑度，增加電路的可靠性.圖6 中的PWM1~PWM2 分別接收來自圖5 的輸出驅動信號，驅動由4個具有500 V耐壓值的IRF840開關管組成的橋式逆變電路，將260 VDC 逆變成220 V,50 Hz的交流電，經LC 濾波后供給負載.圖6中的IFB端和ACV端，分別和為電流和電壓的采樣，送到單片機的PC4和PC5引腳進行A/D轉換，再由單片機將轉換果用于功率計算和電路保護之用.

3.3 單片機電路及編程

本文采用的是Atmel 公司生產的ATmega8 單片機來進行控制的，它的工作電壓范圍寬，抗干擾能力強，具有預取指令功能.這使得其理速度快，引腳輸出電流大，驅動能力強，輸出的脈沖信號無需放大可直接驅動步進電機驅動模塊，端口全內置上拉電阻，均可作為輸入或輸出，具體情況通過編程靈活配置，基于以上優(yōu)點，選擇ATmega8L單片機作為控制器，不僅可提高系統(tǒng)整體性能，也可簡化外圍電路.

本文主要將它應用于整個系統(tǒng)的信號驅動，溫度檢測，風扇控制，安全保護，數據顯示等.ATmega8單片機分別采集來自系統(tǒng)電路的溫度.電流.電壓，并根據這三個參數的情況分別控制啟動風扇散熱，控制是否輸出報警信號，控制SD 端和DCDC 端是否使系統(tǒng)處于保護狀態(tài)，QA1~QA4則是輸出50 Hz的驅動信號，具體的編程控制如圖7所示.當系統(tǒng)啟動后，單片機先檢查系統(tǒng)的溫度環(huán)境是否正常，不正常則啟動報警，并提示出錯代碼，如果正常則啟動高頻逆變電路工作，并檢測260 VDC是否正常，不正常則報警，正常則啟動正弦逆變電路工作，并一直檢測輸出的電壓電流是否正常，正常則輸出，不正常則報警.

4 結語

綜上所述，基于ATmega8單片機控制的正弦波逆變電源的整體設計方案，可高效.便捷的為野外作業(yè)提供所需的交流電源，該電路目前已實驗成功并投入到實際的使用當中.實踐證明，本文設計出來的逆變電源具有體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠的性能.