低功耗小型車載逆變器的製作方法

2023-07-29 00:38:26

專利名稱：低功耗小型車載逆變器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基於ARM的數字控制逆變電路，屬於電源技術領域。
背景技術：
目前，數字控制逆變器已得到了巨大的發展，其基本運用於大功率場合，如基於DSP的數字控制電源，風力發電、併網逆變器等，對於中小功率數字電源的研究並不多見。如果對整個逆變系統採用合適的控制策略，將會使系統的功耗低、能夠長期穩定的運行，從而降低成本。現今逆變器的設計主要是通過一對高頻臂和一對低頻臂實現SPWM變換，高頻臂持續保持高頻變換，低頻臂持續保持低頻變換，這種方式使得高頻臂開關管長期高負荷運轉，容易損壞，影響電路的穩定性和使用時間。因此，對逆變電路設計應注意以下性能指標I.諧波係數HF，即諧波分量有效值同基波分量有效值之比。2.總諧波係數THD，當輸出波形為理想正弦波時，THD為零。3.逆變效率。4.單位重量(或單位體積)輸出功率，用來衡量逆變器輸出功率密度的指標。5.電磁幹擾EMI及電磁兼容性EMC。由此可見，為滿足以上性能指標，一套比較好的設計策略至關重要。基於以上考慮，本實用新型提出一種基於ARM控制的單極性正弦逆變器的設計。
發明內容為了克服現有逆變器存在的問題，本實用新型設計出一種基於ARM Cortex-M3系列低功耗處理器控制與新型橋式逆變策略相結合的車載逆變器。利用ARM產生佔空比按正弦規律變化的穩定的觸發信號，通過光耦隔離，再將信號送給驅動晶片來驅動開關管，配合開關管的導通順序，實現SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)控制的單極性逆變。本實用新型採用的技術方案如下低功耗小型車載逆變器，包括ARM控制器、光耦隔離電路、驅動電路、全橋逆變電路、電源和負載；ARM控制器為主控制器，其產生符合控制策略的單極性的SPWM波形，經過光耦隔離電路和驅動電路，控制全橋逆變電路中開關管的導通與關斷，實現全橋逆變電路的單極性正弦逆變，並根據全橋逆變電路的反饋信號適時的關閉輸出，保護電路。本實用新型的逆變電路採用新型全橋控制策略，相對於雙極性逆變，具有使系統穩定、諧波小、輸出波形畸變少、能夠長時間可靠運行、設計簡單等優點。同時，本系統帶有死區補償和過流、短路保護等功能的設計，安全可靠。

圖I是本實用新型全橋逆變電路的(a)拓撲圖及其(b)等效電路圖；圖2是死區補償示意圖；圖3是本實用新型的系統結構圖；圖4是本實用新型全橋驅動電路圖；[0014]圖5是光耦隔離電路圖；圖6是本實用新型軟體設計流程圖；圖7是實驗結果測試波形圖，圖(a)和(b)分別為上管和下管的驅動波形，圖(C)和(d)分別為上管和下管的輸出波形。
具體實施方式
以下結合附圖和實例對本實用新型作進一步說明。本實用新型電路的拓撲結構如圖1(a)所示，在正半周期時，MOSFET功率管T3持續關斷，MOSFET功率管T4持續導通，MOSFET功率管T1、M0SFET功率管T2交替導通與關斷，由MOSFET功率管Tl、M0SFET功率管T2、電感、負載構成一個BUCK電路；在負半周期時，MOSFET功率管Tl持續關斷，MOSFET功率管T2持續導通，MOSFET功率管T3、MOSFET功率管T4交替導通與關斷，由MOSFET功率管T3、MOSFET功率管T4、電感、負載構成一個BUCK電路，整 個電路類似於雙BUCK全橋逆變電路，等效電路如圖I (b)所示。由ARM控制器產生單極性的SPWM波，通過光耦隔離電路、驅動晶片來驅動開關管調製負載。這樣，輸出電壓就為正弦波。該全橋逆變電路在ARM控制器的控制下，實現了單極性逆變，損耗低、諧波小，降低了對濾波器的設計要求，減小了設備的體積，並且高頻臂和低頻臂同時在四個開關管中切換，使得每個管子得到了充分的利用，使管子的壽命延長，從而延長了電路的運行時間。在電路的運行過程中，為了防止全橋電路上下橋臂直通，損壞實驗電路。本設計過程中設置了死區保護，在上下橋臂開關管關斷和導通的過程中增加一段同時關閉的時間，設置為3ns。雖然這段時間很少，但在轉換時增加死區時間，使得正弦逆變波形出現了畸變，如圖2所示，VO為理想輸出波形，由於設置了死區，各半周期減少了 Vs，實際輸出波形為V01，明顯可以看出有不小的畸變，諧波也會增加許多，這樣就不能滿足逆變器的性能指標，考慮設置死區補償是可行的方法。由於死區的存在使得每次上臂開關管導通的時間都減少一些，波形中出現了一些畸變，常用的方法就是加一個方波補償，本設計中採用每次導通過程中增加一點的時間以補償死區帶來的畸變，具體數值通過試驗確定。車載逆變系統結構圖如圖3所示，以ARM控制器為主控制器，產生符合控制策略的單極性的SPWM波形，經過光耦隔離，驅動電路，控制開關管的導通與關斷，實現全橋的單極性正弦逆變，根據反饋信號適時的關閉輸出，保護電路。I.首先搭建如圖1(a)所示的實驗主電路，即實用新型全橋逆變電路，蓄電池電壓為12. 9V，車載逆變系統主電路對耐壓的要求不高，進而主要考慮開關管的功耗，主電路選用4個MOSFET功率管IRFP250N構成全橋電路，其耐壓達200V，最大電流達30A，滿足主電路的要求；M0SFET管導通壓降極小，導通電阻只有O. 075 Ω，而且驅動比較簡單可靠，損耗也較IGBT小，符合設計低功耗的要求。將MOSFET功率管Tl、MOSFET功率管T3的漏極連接在電源的正極上，它們的源極分別與MOSFET功率管T2、M0SFET功率管T4的漏極相連接，MOSFET功率管T2、M0SFET功率管T4的源極連接在電源的負極上。MOSFET功率管Tl的源極與MOSFET功率管T2漏極之間依次接上電感、電容，並連接在MOSFET功率管T3的源極與MOSFET功率管T4的漏極之間，變壓器並聯在電容兩端，即蓄電池經過四個開關管構成的橋式電路進行逆變，再由電感L、電容C進行濾波，最後通過變壓器升壓至220V，給負載供電。2.驅動晶片選用的是IR公司生產的半橋驅動晶片IR2111，如圖4所示。該驅動晶片可以根據2號腳的輸入信號產生兩路互補的驅動信號分別由7號腳和4號腳輸出，採用兩片該晶片便可完成橋式電路的驅動，減少了驅動電路對電源的要求，並且有完善的保護功能，IR2111接收ARM控制器送出的觸發信號來驅動橋式電路的MOSFET管。通過綜合考慮MOSFET管開關時間及開關損耗，選取柵極電阻為10 Ω，將IR2111的7號腳和4號腳輸出的驅動信號分別通過柵極電阻與MOSFET管的柵極相連接。3.由於IR2111本身不帶有光耦隔離等保護措施，為防止主電路故障時大電流竄入主控晶片造成破壞，考慮在控制迴路和驅動迴路之間添加隔離線路，設計中增加了光耦隔離如圖5所示，其體積小，反應速度也滿足電路要求，本設計中選用光耦晶片NEC2501在ARM控制迴路和驅動迴路之間進行隔尚。·[0027]4.本系統米用意法半導體公司的Arm Cortex_M3系列處理器stm32F103RBT6作為主控制器，其為32位基於ARM核心的帶128K字節快閃記憶體的微控制器，最高工作頻率為72MHz，集成單周期乘法和硬體除法，滿足逆變器控制要求。同時，stm32F103RBT6外設豐富，中斷響應迅速，主控制器主要完成驅動信號的產生，過壓過載，欠壓過流保護。內部集成時鐘控制模塊，只對需要工作的模塊進行供電，如本實用新型設計中的GPIO 口，TIM定時器，NVIC中斷控制器，減少了無謂的能耗。stm32F103RBT6內部有一個高級定時器，它由一個16位的自動裝載計數器組成，由一個可編程預分頻器驅動。有四路輸出通道，可以設置死區時間。使用數字方式產生SPWM波，可以穩定驅動全橋，不受後級電路影響。控制軟體流程圖如圖6所示。由圖I BUCK電路原理可得下式，V0=DVin(I)其中V。為輸出電壓，Vin為輸入電壓，D為佔空比。由(I)式可知，若使輸出電壓為正弦，則開關管的佔空比D要按照正弦規律變化。ARM的高級定時器 Μ1在產生PWM波的同時不斷地改變其佔空比，實現SPWM波形的產生，本設計中Dmax=O. 65。系統SPWM輸出基頻為20kHz，調製輸出50Hz的正弦波，畸變很小，而且由於基頻比較高，對低通濾波器的要求也較低。5.系統還設置了過電流保護，過載保護，當採集的電流信號超過設定值時，便會輸出高電壓，通過光耦傳輸給ARM的 Μ1- BKIN腳，當 Μ1-ΒΚΙΝ腳置高時PWM輸出埠會關閉，功率開關管會關閉，此時，關斷中斷會啟動，系統會判斷是重啟還是保持關斷。6.使用萬用表測試電路是否連接正確，電子器件是否正常，確認無誤後，通電後使用示波器測試電路關鍵點的波形，並記錄，實驗測得波形如圖7所示，其中圖7 (a)、7
(b)分別為上管和下管的驅動波形，該驅動信號波形穩定，且標準，兩路波形為互補關係，圖7 Cd)可以看出由ARM控制的逆變不存在零點抖動，正負周期能夠很流暢的轉換，從圖7
(c)也可以看出輸出交流電壓穩定，幾乎不存在畸變，其幅值為8.4V，基本滿足(I)式，SP12. 9*0. 65=8. 385V。實驗持續輸出50W達10個小時，電路各部分沒有明顯發熱，輸出波形穩定。從輸出的正弦波可以看到，本實用新型採用ARM作為控制器，可以實現穩定的逆變，輸出波形穩定，畸變極少，控制精確可靠，逆變效率提高。
權利要求1.低功耗小型車載逆變器，其特徵在於，該逆變器包括ARM控制器、光耦隔離電路、驅動電路、全橋逆變電路、電源和負載;ARM控制器為主控制器，其產生符合控制策略的單極性的SPWM波形，經過光耦隔離電路和驅動電路，控制全橋逆變電路中開關管的導通與關斷，實現全橋逆變電路的單極性正弦逆變，並根據全橋逆變電路的反饋信號適時的關閉輸出，保護電路。
2.根據權利要求I所述的低功耗小型車載逆變器，其特徵在於，所述全橋逆變電路包括主電路、電感、電容和變壓器，主電路是由4個MOSFET功率管構成的全橋電路，其中，功率管Tl和功率管T3的漏極連接在電源的正極上，所述功率管Tl和功率管T3的源極分別與功率管T2和功率管T4的漏極相連接，所述功率管T2和功率管T4的源極連接在電源的負極上；功率管Tl的源極與功率管T2的漏極之間依次接上電感和電容，所述電感和電容也連接在功率管T3的源極與功率管T4的漏極之間，變壓器並聯在所述電容兩端；電源經過所述全橋電路進行逆變，再由所述電感和電容進行濾波，最後通過所述變壓器升壓至220V，給負載供電。
3.根據權利要求I或2所述的低功耗小型車載逆變器，其特徵在於，所述ARM控制器包括一個可以設置死區時間的定時器。
4.根據權利要求3所述的低功耗小型車載逆變器，其特徵在於，所述逆變器還設置有過電流保護和過載保護。
專利摘要本實用新型提供了一種基於ARM數字控制，實現SPWM控制的單極性逆變系統，將SPWM波經光電耦合電路傳輸給驅動電路來驅動開關管，實現橋式逆變，相對於雙極性逆變有損耗低、諧波小、電磁幹擾小等優點。本實用新型的低功耗小型車載逆變器將數字控制及全新的逆變策略相結合，利用光耦隔離提高系統的抗幹擾能力，使系統能夠長期穩定運行，逆變效率高；基於32位的控制器可以實現各種複雜的控制方式，可以考慮加載新型的控制方式實現其它逆變電路，使用方便，同時帶有過流、過載保護，安全可靠。
文檔編號H02M7/5387GK202772809SQ20122046403
公開日2013年3月6日 申請日期2012年9月12日 優先權日2012年9月12日
發明者鄭玉蓮, 褚鵬超, 田曉燕, 孫頻東 申請人:南京師範大學