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1、单相小功率正弦波逆变器设计单相小功率正弦波逆变器设计084774815 李冬冬 摘要：摘要：本单相小功率正弦波逆变器采用 ICL8038 产生的三角波与 C8051F3020 单片机产生 的正弦波，进行电压比较，产生 SPWM 波。逆变部分采用驱动芯片 IR2104 进行全桥逆变。 后级通过 LC 低通滤波，输出 50HZ，有效值为 12V 的电压。在过流保护部分，采用 ACS712 电流传感器与 LM311 电压比较器，在过流时产生关断信号给驱动芯片，实现当电流超过 1.2A 时过流保护功能。此外，输出电压经过电压互感器衰减，传给有效值转化芯片 AD637 进行有效值转化，再通过单片机 AD
2、 转化后进行内部计算，实现了输入电压在正负%10 变化 时，输出电压有效值保持 12V。输出电压在示波器显示基本不失真，且功率可达 12W。 关键词：关键词：正弦逆变器 PWM IR2104 过流保护 一方案设计与比较一方案设计与比较1.11.1 SPWMSPWM 波产生方案论证与选择波产生方案论证与选择 方案一：采用 FPGA 产生正弦波与三角波，在内部进行比较产生 SPWM 波。此方案对 FPGA 资 源利用率低且价格较高。 方案二：采用 ICL8038 产生三角波，利用单片机产生正弦波，通过 LM311 电压比较器，得 出 SPWM 波。此方案用的单片机比较便宜，且程序简单，容易实现控制
3、，精度够高。ICL8038三角波发 生器单片机发出正弦波Lm311比较器 输出spwm波图1.1 spwm发生器方案比较与选择：考虑资源利用率与控制的实现方便程度，选择方案二。1.21.2 电压反馈控制部分方案论证与选择电压反馈控制部分方案论证与选择 方案一：电压经电压互感器后利用单片机进行电压的峰峰值采样，经计算后，调整输出正 弦波的大小，从而实现电压调整。输出电压电压互感器单片机采样控 制正弦波输出 电压伏值方案二：电压经电压互感器后给有效值芯片 AD637 进行有效值转化，再通过单片机 AD 读取， 经计算后调整输出正弦波，实现电压调整。输出电压电压互感器AD603有效值 转换芯片单片机
4、根据有效 值变化控制正弦 波输出电压伏值方案比较与选择：经有效值转化后电压较稳定，单片机程序简单，选择方案二。二系统设计二系统设计2.12.1 系统框图系统框图 本设计由三角波发生电路，电压比较电路，驱动电路，全桥逆变电路，滤波电路，过流保 护电路，有效值转化电路等组成，系统总体框图如下：负载ICL8038三角波 发生器全桥 逆变Lm311比较器 输出spwmIR2104驱动电 路单片机控制器 产生正弦波电压互感器AD603有效值 转换图2.1 总体系统框图过流保护电路LC低通滤 波2.22.2 主要模块电路主要模块电路 （1 1）三角波发生模块）三角波发生模块 采用 ICL8038 芯片，产
5、生 20KHZ，峰峰值为 5V 的三角波。三角波再通过电阻分压，衰减为 2.6V 峰峰值。电路原理图如下：图 2.2 三角波发生电路 图 2.3 SPWM 波产生电路及驱动电路 (2)SPWM(2)SPWM 波产生电路及驱动电路波产生电路及驱动电路 ICL8038 产生的三角波与单片机产生的 50HZ，峰峰值为 2.4V 的正弦波通过 LM311 电压比较 器，产生 SPWM 波。驱动芯片采用 IR2104，其 SD/引脚接后级的过流保护部分比较器输出。 电路原理图如下上： （3 3）全桥逆变及滤波模块）全桥逆变及滤波模块 功率 MOSFET 采用 IRF3710 构成全桥，另外用 IN414
6、8 二极管及电阻电容组成缓冲电路。输 出采用 LC 低通滤波， 计算公式如下图。根据实际电路调整，最后电容采用 4.7uFCBB 电容， 电感选用 1.3mH。图 2.4 驱动电路及全桥电路 图 2.5 lc 滤波计算公式 （4 4）过流保护模块）过流保护模块 过流保护模块选择，ACS712 电流传感器，将电流变化情况变为相应电压变化，通过后级 LM311 比较器，产生控制信号，接 IR2104 驱动芯片的 SD/引脚。电路原理图如下：图 2.6 过流保护电路 （5 5）有效值转化模块）有效值转化模块 输出电压经电压互感器衰减后，接 AD367 有效值转化芯片，将有效值传给单片机的 AD 采样
7、。 单片机通过对有效值的判断，做出对正弦波大小的相应调整。电路原理图如下：图 2.7 有效值转化电路三软件设计三软件设计本设计软件部分主要实现 DA 输出正弦波，AD 读取有效值及相应计算。软件流程图如下：开始系统初始 化D/A输出正 弦波减小正弦波 输出电压增大正弦波 输出电压电压过大？电压过小？A/D转化读 取NYY图3.1 程序 流程图四、系统测试及数据分析四、系统测试及数据分析4.14.1 测试方法测试方法 （1）负载固定 15 欧姆，改变输入电压（18V-22V）,观察输出电压并记录。 （2）输入电压固定在 20V，调整负载大小（12 欧姆-24 欧姆） ，观察输出电压变化。 （3）
8、输入电压固定在 20V，减小负载，当电流到达 1.2A 时，观察是否有过流保护功能。 4.24.2 测试相关数据测试相关数据 表 1 输入特性测试数据输入电压(V)1819202122 输出电压有效值 （V）11.911.91212.112表 2 负载特性测试数据负载阻值 （欧姆）12141618202224输出电压 有效值 （v）11.91211.91212.212.111.9当减小负载至电流达到 1.2A 时，驱动芯片关断，实现了过流保护。 4.34.3 数据分析数据分析 由表 1 数据可以看出，当输入电压变化正负 10%情况下，输出电压基本保持 12V 有效值， 误差绝对值小于 1%。
9、由表 2 数据可以看出，当负载变化时，输出电压仍基本保持在 12V 有效值，误差绝对值小 于 1% 当电流达到 1.2A 具有过流保护功能。五设计结论及总结五设计结论及总结5.15.1 本设计达到了题目的以下要求指标：本设计达到了题目的以下要求指标：1、基本要求 （1）输出频率为 50Hz 的交流电；（2）输出电压波形应尽量接近正弦波，用示波器观察无明显失真；（3）当输入电压变化10%，负载电流有效值为 0.51A 时，输出电压有效值应保持在12V，误差的绝对值小于 5%；（4）具有过流保护，输出电流有效值达 1.2A 时动作。2、发挥部分 （1）当输入电压变化10%，负载电流有效值为 0.51A 时，输出电压有效值应保持在12V，误差的绝对值小于 1%；（2）变频电源输出电压的失真度小于 5%；5.2 存在问题及改进措施存在问题及改进措施当输入电压为 18V 时，输出电压有微弱的底部削峰。分模块做出的电路板在信号上有差异，若在调整之后将模块整合到一个总体电路中，信号效果将更好。
