劉立強， 韓光， 朱昌亞

(天寶電子(惠州)有限公司新能源研究院，廣東 惠州 516005)

基于PIC16F1507的逆變器設計

劉立強， 韓光， 朱昌亞

(天寶電子(惠州)有限公司新能源研究院，廣東 惠州 516005)

傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制的逆變器，需采樣電壓和電流，電路設計復雜。設計了一種基于PIC16F1507的逆變器，僅需要采樣瞬時電壓，利用PI控制算法，結合電壓前饋，使輸出的波形滿足質(zhì)量和響應速度要求。設計了信號調(diào)理和保護電路，增強系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，并對電路參數(shù)設計進行詳細介紹，制作一臺500 W樣機并完成了測試驗證，結果表明能滿足設計指標，外圍電路簡單，具有工程應用價值。

PIC16F1507; 逆變器; 前饋; 瞬時值控制；峰值電壓；PI

0 引 言

在逆變器的閉環(huán)控制方案中，電壓有效值控制能夠維持輸出電壓穩(wěn)定，但不能保證波形質(zhì)量。輸出瞬時值控制可以實時地調(diào)控輸出電壓波形，使供電質(zhì)量大為提高。一些工業(yè)領域用的大功率逆變器,對輸出諧波要求高，一般會采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制方式，該方案優(yōu)點是負載特性好，響應速度快，波形畸變率低[1]。但電路中加入了傳感器和信號調(diào)理電路，增加了成本，在民用小功率逆變器上，該方案使用不多。

本文提出了一種電壓瞬時值控制方案，采樣輸出峰值電壓，作為瞬時值與給定值比較，得到偏差值ΔE[2]。根據(jù)ΔE實時調(diào)整調(diào)制比M，驅(qū)動H橋MOS管，經(jīng)過LC濾波后，輸出符合要求的正弦波。以PIC6F1507為主控制芯片，完成了一臺500 W純正弦波逆變器，最后對樣機的各項技術指標進行了驗證。

1 SPWM生成原理

1.1 逆變控制原理

采用規(guī)則采樣法，再離散化，得到輸出正弦波電壓：

Uk=M×Ud×sin(kπ/n)(k=0,1,…,n-1)

(1)

其中Uk是輸出正弦波的瞬時電壓，M是調(diào)制比，M=Us/Uc，Ud是母線電壓，k是采樣點，n是采樣點總數(shù)；

由公式(1)可知，若Ud、n一定，則可通過調(diào)整M來控制正弦波瞬時電壓Uk。

1.2 SPWM生成數(shù)字化

圖1 規(guī)則采樣法獲得SPWM

圖1所示為采用三角波作為載波的規(guī)則采樣獲得的SPWM。

在三角波波谷時刻tD對正弦波采樣得到D點，過D點作水平直線與三角波分別相交于A點和B點，在A點的時刻tA和B點時刻tB間輸出高電平，其他時刻輸出低電平。根據(jù)三角關系，可以得出：

(2)

其中σ是脈沖寬度，Tc是三角波周期[3]。

在逆變器控制設計中，調(diào)制波和載波頻率一定，tD時刻為第k個三角波周期(k=0,1,2,…,n-1,n=Ts/Tc)，其中，n為載波比，Ts為正弦波周期，如果一個周期內(nèi)有n個矩形波，那么第k個矩形波的占空比D為：

(3)

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 功率電路圖

如圖2所示，功率主電路采用了H橋結構，C1為直流母線濾波電容，用來穩(wěn)定母線電壓，四個MOS管Q1、Q2、Q3、Q4構成H橋。對于MOS管Q1，R1為驅(qū)動電阻，R2連接MOS管G極和S極，用來泄放G、S之間的靜電。肖特基二極管D1為放電回路。主電路中R11為1%精度采樣電阻，用來偵測主電路電流。輸出側電阻R9與R10構成輸出電壓采樣電路。

圖2 功率主電路

對于500 W/220 V輸出逆變器，主電路參數(shù)設計如下：

(1)電容C1的參數(shù)選擇

(4)

式中η為逆變轉(zhuǎn)換效率，一般取0.96。根據(jù)耐壓與紋波電流，查電解電容選型手冊，選220 μF/450 V電解電容可滿足要求。

(2)LC濾波參數(shù)選擇

載波頻率f=18 kHz，LC濾波器截止頻率計算公式為：

(5)

截止頻率為載波頻率的0.1～0.2倍[4-5]，這里取fL=2 000 Hz，L=3 mH，由式(5)得出C=2.11 μF?？蛇x用2.2 uF/630 V聚酯電容。電感可選用感量為3.0 mH，過電流能力為2.3 A的鐵硅鋁電感。

2.2 控制和驅(qū)動電路

如圖3所示，PIC16F1507作為逆變的控制芯片，RC4、RC5引腳配置為互補的SPWM輸出信號，控制H橋的Q1、Q3，Q2、Q4則由引腳RA2和RC1輸出的PWM信號控制。RB4和RC6為AD口，分別采樣輸出電壓和主回路電流,用于電壓反饋控制和過載保護[6]。IR2110S作為驅(qū)動芯片，將MCU發(fā)出的SPWM信號放大后直接驅(qū)動MOSFET,第13腳shutdown為輸出使能腳，高電平有效。

圖3 控制與驅(qū)動電路

電壓信號VFB經(jīng)過RC濾波后送至U1的RB4腳；主回路電流信號IFB經(jīng)過RC濾波后同時送至U1的RC6腳和比較器LM393第3腳。當輸出短路時，短路電流IFB在取樣電阻R11上的電壓大于參考電壓Vref，LM393第1腳電平翻轉(zhuǎn)，將IR2110S的第13腳拉高，關斷SPWM輸出，避免MOS管損壞[7]。當逆變輸出過載時，則由軟件關斷SPWM信號。

3 系統(tǒng)軟件設計

1)逆變控制框圖

對逆變輸出電壓峰值采樣，再與給定值比較，結合電壓前饋[8]，得到偏差值ΔE。根據(jù)ΔE實時調(diào)整調(diào)制比M，驅(qū)動H橋MOS管，經(jīng)過濾波后輸出正弦波(如圖4所示)。

圖4 逆變環(huán)路控制框圖

2) 逆變系統(tǒng)主程序設計

逆變系統(tǒng)流程圖如圖5所示。首先配置時鐘、PWM、IO口及AD采樣口，開啟中斷后，啟動采樣和PWM；實時采樣輸出電壓和電流，根據(jù)采樣的電壓峰值調(diào)節(jié)輸出電壓，并判斷輸出是否過欠壓、過流及過載。

圖5 逆變系統(tǒng)流程圖

根據(jù)前文1.2中所述的原理，設計控制算法，使得逆變輸出電壓穩(wěn)定在給定值附近。

4 實驗結果

逆變器設計技術指標如下。

額定功率：500 W

輸出電壓：220 V±5%；

輸出頻率：220 VAC±5%；

諧波總量：UTHD(額定) ≤3%(純阻性負載)；

瞬態(tài)響應時間:ts≤60 ms；

Chroma 62150H-600S可編程直流電源作為逆變器DC輸入，500 W功率電阻做阻性負載，用恒河WT500功率分析儀測試效率及諧波總量，結果如下：

(1)空載、滿載輸出測試結果如表1。

表1 逆變輸出特性指標

滿載時，轉(zhuǎn)換效率為96.8%。

(2)滿載與空載相互切換，測試瞬態(tài)響應時間，結果如表2所示。

表2 瞬態(tài)響應測試結果

其中滿載切換至空載波形圖如圖6所示。

最后驗證了逆變輸出過載及短路保護功能，從測試結果可以看出，無論是逆變輸出指標還是負載切換瞬態(tài)時間響應，均可滿足設計要求。

圖6 滿載切換至空載波形圖

5 結束語

在分析了SPWM生成原理及逆變電路拓撲的基礎上，介紹了基于PIC16F1507的逆變器設計該方案，通過電壓瞬時值控制實現(xiàn)了正弦波輸出，電壓、頻率、諧波及響應時間等指標均滿足可日常應用需求。該電路簡潔，成本低廉，較適用于分布式發(fā)電場合。

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Design of Power Inverters Based on PIC16F1507

Liu Liqiang, Han Guang, Zhu Changya

(Research Institute of New Energy, Ten bao Electronics (Huizhou) Co., Ltd., Huizhou Guangdong 516005, China)

As traditional power inverters using double closed-loop control require sampling voltage and current and involve complex circuit design, this paper gives a design of converters based on PIC16F1507, which just need sampling of instantaneous voltage, PI control algorithm and voltage feed-forward to make the output waveform meet quality and response speed requirements. Signal conditioning and protection circuitry is designed to enhance the reliability and anti-jamming capability of the system, and circuit parameter design is described in detail. A 500W prototype is made, and test and certification is completed. The test results show that this scheme can meet the design targets, contains a simple peripheral circuit and has an engineering value.

PIC16F1507;power inverter;feed-forward; instantaneous control;peak voltage;PI

廣東省教育部產(chǎn)學研結合項目：光伏發(fā)電系統(tǒng)集成及光伏逆變器研發(fā)成果產(chǎn)業(yè)化(2011B090400066)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.002

TM464

A

1000-3886(2017)01-0004-03

劉立強(1976-)，男，湖北荊州人，碩士，工程師。從事分布式發(fā)電應用技術研究。

定稿日期: 2016-06-30