一种用单片机制作的高频正弦波逆变器

1．引 言　

逆变器有方波逆变器和正弦波逆变器两大类，方波逆变器虽然结构筒单，造价低廉，但是由于谐波太多，不适合感性、容性电路的工作，而市场上的正弦波逆变器的价格普遍较高，使一些用户难以接受，从而限制了它的推广和应用。本文主要介绍一种简单实用的正弦波逆变器。

正弦波脉冲调制是正弦波逆变器的关键，它们都需要一个正弦波发生器，利用它产生的正弦波和三角波（锯齿波）进行比较，实现正弦波调制。产生正弦波的方法和途径很多。通常应用的方法有模拟式和数字式两类，通过不同的多种方式去实现。如用带滤波电路和正反馈放大器构成的正弦波振荡发生器电路，这是最常用的经典电路，但调整较复杂，频率精度不高。还有用函数发生器等方法产生正弦波电路。用大规模专用集成电路和单片机构成的正弦波脉宽调制电路。采用EPROM和D/A转换产生参考正弦电压也是一种常用方法。用DSP高速数据处理器实现脉宽调制是最新的一种方法，由于引入了计算机技术，需要增加大量的软件开发和设计工作，尽管电路的复杂系数和成本都有所增加，但它确实是大容量逆变器的一种优良设计方法。

基于上述情况，我们研究设计了一种用廉价的单片机实现正弦脉冲调制、逆变、控制及保护的电路，使逆变器的结构更为简单，性能稳定可靠。

2．脉冲调制波的产生

2．1　脉冲调制波的产生原理

用模拟方式产生正弦波脉冲调制波，需要用硬件产生一个频率为50Hz的参考正弦波（或100HZ的正弦波半波）和一个与载波（调制）频率一致的三角波或锯齿波。通过正弦波和锯齿波的比较，产生一组脉冲宽度按正弦波规律变化的脉冲波。

本设计中电路输出的脉宽调制波是通过正弦能量计算的办法，只须计算出正弦波1/4周期，即0°～90°的正弦波内相应周期上的脉宽和脉冲间隔，再通过镜象法，获得一组正弦波半波（0°~180°）内的脉冲宽度和脉冲间隔。输出的正弦波与脉冲调制波的关系如图1所示。图中：N为50Hz正弦波半周期所含脉冲个数；Um为正弦波波峰电压；T——正弦波周期，频率为50Hz时，T=0.02秒；αN为第N个脉冲对应的电度；

为第N个脉冲的宽度；γN为第N个脉冲与N+1个脉冲之间的的间隔。

图1　正弦脉冲调制能量等效图

图2　单片机部分程序流程图

根据正弦波能量等效法可得如下关系：

其中：

N=F/2f

f =50Hz为正弦波频率，F=12K为载波频率。因此可求得脉宽与输出正弦波的关系为：

余此类推。

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输出脉冲的间隔为：

........

2．2　脉冲调制波的产生电路

脉冲调制波的产生电路如图3所示，该控制电路是以AT89C2051单片机为核心组成的逆变电路，该款单片机价格低廉，内置2K Flash ROM，2个定时器／计数器，以及丰富的I／O控制功能。在电路中，从单片机的P1.6和P1.7端分别输出相位相反，脉冲宽度为10毫秒(频率50Hz)的脉冲，它由单片机内部定时器产生，起控制正弦波逆变桥正半波或负半波导通的作用。P1.4和P1.5端输出相同的正弦调制脉冲，当P1.6有负脉冲输出时，P1.4才有输出，P1.7有负脉冲输出时，P1.5才有输出。调制脉冲的脉宽

是由上述公式所求得。本控制电路中，AT89C2051单片机采用24MHz的晶振频率，因为受到指令周期的限制，最大载波脉冲的频率取12K较为合适。编程计算出1/4周期正弦波相应周期上的各载波脉宽

，存入数据表中待用，在应用程序中，充分利用单片机的内部资源，用软件查表法逐一控制片内定时器输出调制脉冲，输出经滤波后生成一稳定的正弦波。单片机控制流程如图2所示。

图3中从单片机端口P1.7和P1.5输出的电压V1/F、V2F是两个频率为50周波，相位差180电度的方波脉冲。从P1.6和P1.4输出的电压V1/Z、V2Z是两组如图1所述的，相位差180电度的正弦波调制脉冲串。P1～P4是4个故障输入信号，P0是故障保护输出信号。逆变器的故障判断及保护均由单片机的软件实现控制。

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3．正弦波逆变器

3．1　逆变器的电路原理结构

逆变器的电路工作原理图见图4所示。逆变器由辅助电源FDY；单片机脉冲调制及保护电路M1；上半桥驱动模块M4；下半桥驱动模块M5；保护模块M6；升压稳压模块M3；升压变压器T；逆变控制模块M2及输出滤波电路等几部份组成。由于采用了SMT工艺和模块化技术，使生产、安装、调试、互换及维护都非常方便。

3．2　逆变器工作原理说明

如图4所示，由高频变压器T1、场效应管Q1、Q2和控制模块M2组成推挽式高频逆变电路，它与整

流桥BR及电容器C1把蓄电池电压升至约280伏的电压，再经过升压稳压电路，输出320伏的稳定直流电压，为Q4～Q7组成的桥式正弦波逆变电路提供电源电压。升压稳压电路由电感Ll、场效应管Q3、控制模块M3、D1、C2组成的。在逆变电路中，上半桥的两个管Q4、Q6因其GS极都是悬浮的（没有接地点），所以驱动电源由高频自激振荡器制作的辅助电源FDY模块提供两组独立隔离的15V电源。模块M4是用光电耦合器设计的上半桥(Q4、Q6管)隔离驱动电路，驱动信号来自单片机AT89C2051的P1.6和P1.7端口输出的50Hz方波脉冲信号，电路结构如图5所示。模块M5是相同的两组用作电平转换和功率放大的驱动电路，它分别直接驱动下半桥的Q5、Q7管，驱动信号来自单片机的P1.5和P1.6端口输出的正弦波脉宽调制脉冲串，电路结构如图6所示。桥式逆变电路的输出经过用铁硅铝磁环制作的电感L2和电容C3滤波后，输出正弦波电压。

本逆变器的正弦波输出电压频率精度是不容置疑的，不需任何调整。因为它是通过24MHz晶振分频得到的。由于受程序指令工作周期的影响，导致单片机输出的脉宽和脉冲间隔与计算值有所不同，使输出波型产生一些小许的畸变和失真。因此，还需要在第一次调试过程中，对脉冲的宽度和间隔作某些简单的实时修正，这样就能使正弦波失真度更小。当然，正弦波的失真度还与输出滤波电路的电感、电容的取值也有关。

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4. 逆变器的保护电路

有经验的设计者都会体会到，保护电路对电路的可靠性、性能及调试难易是一个不可忽视的重要部份。假如一台逆变器直接起动800瓦的白炽灯负载，其瞬间功率将达到6－8千瓦，这一瞬时的浪涌功率，对逆变电路功率器件来讲是完全可以承受的。但是，如果保护电路误判为短路状态，逆变器的性能指标则达不到技术要求，使整机的负载性能降低。过载保护，过热保护，电池低压保护等环节都需要一个时间相对准确的特定延迟。如果用RC模拟电路延时，由于元器件参数的分散性，会导致延时时间不准确，同时增加了电路元器件的用量。

本逆变器的保护模块M6仅用四个简单的比较器电路组成，分别施加了负载电流、电池电压、温度传感电压信号。当电路工作不正常时，模块M6输出的电压分别送至单片机的P3.2～P3.5四个输入端，经由单片机控制程序作判别或延迟后，从P1.1～P1.3、P3.7四个输出端口发出故障指示，用LED指示灯显示故障的状况，而由P3.0输出的电平则执行保护动作。通过这一办法使保护电路既简单又可靠。

5．结束语

本文提出的用单片机控制的高频正弦波逆变电路，使用价格低廉的８位带电刷写Flash

ROM单片机实现正弦波的脉宽调制及保护控制，并且在单相1千瓦以下的小型逆变器上作了实际应用，其电路调试简单，输出电压稳定，工作可靠，性能良好。主要缺点是空载输出波型失真稍大，但由于其电路简单，工作可靠，软件开发量小，不失为一种小型逆变器设计的新思路。

参考文献

1.张占松 蔡宣三,　开关电源的原现与设计　 电子工业出版社

2.李成章，电源　　　　　　　　　　　　　 电子工业出版社

3.余永权，Flash单片机原理及应用　　　　　电子工业出版社

4.李成章，现代UPS电源及电路图集　　　　　电子工业出版社