一款基于ARM控制的逆变器电源电路设计方案

本文将介绍一款基于ARM控制的逆变器电源电路设计方案及其应用。

系统总体方案

1、总体设计框图

如图1 所示， 逆变器系统由升压电路、逆变电路、控制电路和反馈电路组成。低压直流电源DC12V经过升压电路升压、整流和滤波后得到约DC170V高压直流电，然后经全桥逆变电路DC/AC转换和LC滤波器滤波后得到AC110V的正弦交流电。

逆变器以ARM控制器为控制核心，输出电压和电流的反馈信号经反馈电路处理后进入ARM处理器的片内AD，经AD转换和数字PI运算后，生成相应的SPWM脉冲信号，改变SPWM的调制比就能改变输出电压的大小，从而完成整个逆变器的闭环控制。

2、SPWM方案选择

2.1、PWM电源芯片方案

采用普通的PWM电源控制芯片，如SG3525、TL494、KA7500等，此类芯片的优点是能够直接的产生脉宽调制信号，但是它缺点是波形线性不好，而且振荡发生器是依赖充放电电路而产生波形，当要PWM芯片产生SPWM信号需要附加额外很多电路。

2.2、CPU软件方案

采用CPU产生SPWM脉冲，如单片机、ARM或DSP等，此种方法的优点是脉宽可以通过软件的方式来调节，不仅精度较高，而且外围电路也很简单便宜。

终上所述，选择STM32F107(ARM)完成SPWM脉冲的产生和整个逆变器的控制。

3.系统硬件电路设计

3.1 CPU控制器

CPU 是整个逆变器的核心部分，主要负责反馈信号的采集、数字PI闭环计算、PWM波输出、参数设置和外部通信。CPU采用的是ST公司最新推出的 STM32F107系列ARM芯片。该系列芯片采用ARM公司32位的Cortex M3为核心，最高主频为72MHz，Cortex核心内部具有单周期的硬件乘法和除法单元，所以适合用于高速数据的处理。芯片具有三个独立的转换周期，最低为1μs的高速模数转换器，三个独立的数模转换器带有各自独立的采样保持电路，所以特别适合三相电机控制、数字电源和网络应用。芯片还带有丰富的通讯单元，包括1个以太网接口、5个异步串行接口、1个USB从器件、1个CAN器件、I2C和SPI等模块。

3.2 驱动和逆变电路

逆变主电路如图2所示采用基于H桥的单相全桥逆变电路。单相全桥逆变电路主要由Q1、Q2、Q3、Q4四个MOSFET构成。在AC于OUT之间如果加入负载就构成了逆变回路。控制Q1、Q2、Q3、Q4按一定的顺序导通、截止就能够得到所要的正弦波形。

对于本设计，开关管的选择主要以它的额定电压和额定电流为依据。这里选择额定电压为500V，额定电流为20A的IRFP460N沟道增强型MOS管为开关管。可满足设计的要求。为了限制MOSFET门极的驱动电流，需要在门极串联限流电阻，防止由过流导致的器件损坏。

3.3 滤波电路

经过两路SPWM信号的驱动在负载电阻上产生的电压波形是按正弦规律变化的方波。它是一个双极性的SPWM波形。实际需要的是频率为50Hz的正弦波，因此需要将SPWM波进行滤波。一般的PWM逆变器采用LC低通滤波器。对于LC滤波器的设计，首先考虑滤波器的截止频率，LC滤波器的截止频率见式 (1)。

综合考虑滤波器输出电压谐波失真度、系统的动态响应以及体积、重量等因素，选取截止频率，选取。

3.4 推挽升压电路

推挽升压电路采用两个参数相同的MOSFET管和升压变压器组成，推挽变压器的特点是效率高，损耗低，适用于低输入高输出。推挽升压电路如图3所示，采用两个MOS管分别开通的结构，选取IPRF250场效应管，额定电流为30A，额定电压为250V，在可以满足要求的同时内阻较小，是最为合理的选择。