高性能全数字式正弦波逆变电源设计全解析

在推挽升压驱动(U1、U2)中，TLP250负责驱动信号幅值与电流的匹配，而对于全桥逆变驱动(U3、U4、U5、U6)，不但要考虑驱动电平和驱动能力，还要考虑好上下管驱动信号的隔离问题。为简化设计，全桥逆变的上管驱动(U3、U5)采用了自举供电的方式，减少隔离电源的使用数目。

对逆变桥的驱动电路，为避免上下管直通，设计中需要考虑死区问题。STM32单片机的PWM模块具有死区功能，本设计采取了软件死区方法。这样做的另一个好处是，对不同的功率管只需改变软件设计即可获得最佳的死区参数。

5)采样电路

输出电压采样用于反馈稳压，输出电流采样用于过载保护，母线电流采样用于短路保护，母线电压采样用于限制母线电压虚高，输入电压采样用于输入过压/欠压保护。输出采样中使用了电流互感器与电压互感器，大大减小了系统干扰，提高了系统的可靠性。取样电路的原理图如图4所示。

对于输出电流取样，本设计中使用了5 A/5 mA电流互感器。由于电流互感器的输出为毫伏级的交流信号，为了能够被单片机内部AD模块采集到，必须将其整流成直流信号并加以放大。而普通二极管整流电路对毫伏级电压是无效的，因此，此处采用了由运算放大器(U11，LM3 58)构成的小电压整流电路。实际测试表明，该电路有效解决了毫伏级信号的采样问题。系统软件设计

为了提高系统的可读性以及代码效率，软件采用状态机思想设计，图5所示为系统的状态转换图。系统上电复位后进入SAMPLE采样状态，若检测到采样完成标志FINISH则进入JUDGE状态进行判断，如果FAULT不为0即有故障信号 (过压/欠压、过载、短路)，则进入PROTECT状态关闭输出，并跳转到WAIT状态等待故障信号消除。当故障信号消除后，系统软重启，开始新的采样及检测。JUDGE状态后如果未检测到故障信号，则进入NORMAL正常状态，进行电压调整。

系统上电后，首先完成各个外设的初始化，主要包括系统时钟、定时器、GPIO口、ADC、DMA、中断及SPI的初始化。在此，定时器和中断一旦初始化完成，PWM及SPWM波就会生成。考虑到过流、短路保护及反馈稳压的实时性要求较高，故在中断内完成。欠压、过压对实时性要求低，放在主程序内。为提升系统的性能，ADC采样使用DMA方式传输数据，传输完成后，发出中断申请，对采集到的数据进行简单滤波处理，其他功能函数调用此数据完成相应的保护及稳压功能。主程序的流程图如图6所示。

调试与实验

根据以上思想试制一台400 W的样机，采用IRF3205作为推挽升压的功率管，HER307作为整流二极管，全桥逆变功率管则采用IRF840。前级升压的PWM波频率设置为20kHz，后级SPWM波的频率设置为18kHz，输出滤波电感L为1 mH，输出滤波电容C为4.7μF。实际测试正弦交流输出电压精度为220 V±1%，频率精度为50 Hz±0.1%，THD小于1.5%，逆变效率大于87%，其满负载时的试验波形如图7所示(输出经20 kΩ/100 kΩ电阻分压测到)。

结束语

文中完整地讨论了以STM32单片机为主控制器的数控正弦波逆变电源的设计，并对其中涉及关键问题进行了详细的讨论。针对高端电子设备对逆变电源的更高要求，提出了一种有效的解决途径。使用该设计方案在简化逆变电源的硬件设计的同时，大大提升了电