三相spwm逆变器的研究与设计

湖南常德牌水表制造有限公司 刘华亮

湖南文理学院计算机与电气工程学院 李建英 覃杭湖 周青山

本文介绍了以STM32F407处理器为核心的三相SPWM逆变器的系统总体设计方案，对系统主电路、驱动电路、控制电路、采样电路、通信电路和辅助电源电路等硬件系统进行设计，在硬件设计的基础上完成了系统软件设计，最后完成了实验样机的实物制作。实验样机测试结果验证了系统设计的正确性。

逆变技术是一种与人们日常生活生产密切相关的实用技术。随着电力电子技术和半导体制造技术以及计算机控制技术的飞速发展，各行各业中逆变器的应用日益广泛，且向大功率、高集成度、高频化、数字化的方向在发展。本文的课题研究是要设计一套能够产生幅值相等、频率相等、相位相互之后120º的三相逆变器。本文首先确定了三相逆变器的系统总体设计方案，然后对逆变主电路、驱动电路、反馈采样电路等硬件进行设计，最后完成系统硬软件的联合调试。1 系统方案设计

1.1 系统总体设计方案

逆变系统的组主要包括以下几个模块：逆变主电路、启停电路、控制电路、驱动电路、采样电路、通信电路。系统的总体设计方案如图1所示。

图1 系统总体方案设计

1.2 模块功能介绍

(1)主控制器：按照要求产生一系列控制脉冲作为隔离和驱动电路的输入，控制三相逆变电路开关器件的导通和关闭；

(2)直流电源：作为DC/AC变换的输入母线电压来源，来自整流器的输出，若电压纹波较大，需要并联大电容滤除纹波；

(3)启动电路：控制直流母线的输入与否，可以与主控制器结合实现过压、过流、过热的保护；

(4)驱动电路：用于驱动逆变器，由于逆变器电路的拓扑均为半桥组合的模式，而一般大功率电路都是使用N沟道增强型的MOSFET，故而上半桥的栅极电压需要自举悬浮驱动；

(5)隔离电路：用于控制电路和功率变换电路的电气隔离，实现高压侧和低压侧互不干扰以及保护控制电路的作用；

(6)电压检测电路：通过互感器从输出端采集输出电压，在经过线性的调理送入主控制器ADC端口作为电压反馈值；

(7)电流检测电路：通过互感器从输出端采集输出电流，在经过线性的调理送入主控制器ADC端口作为电流反馈值；

(8)频率检测电路：通过互感器从输出端采集输出电压，在经过线性的调理送入主控制器CAP端口作为频率反馈值；

(9)滤波电路：通过三相逆变桥的输出方波电压，经低通滤波电路滤波得到基波电压；

(10)RS232电平转换电路：用于与其他上位机的串口通信，实现按键和显示等人为控制调节功能；

(11)开关电路：用于控制系统的启停。

2 系统的硬件设计

2.1 逆变电路辅助电源设计

逆变主电路的辅助电源采用BUCK电路级联的形式组成，第一级BUCK电路的输入为逆变器的直流电压输入端，其输出为12V，并且作为下一级BUCK电路的输入，再经过降压输出5V，一起给驱动电路供电。

BUCK电路以TI公司高效的电源芯片为核心，其输入电压为5V至35V，输出电流高达5A，其内部集成了BUCK电路中的开关器件、硬件PI调节器，只需根据输出电压和输出电流的大小在外围增加极少的器件就可以工作。

图2.1 逆变电路辅助电源电路图

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ELECTRONICS WORLD・技术交流2.2 驱动电路辅助电源设计

控制电路的辅助电源设计和逆变主电路的辅助电源类似。不同之处是控制电路与采样电路属于同一个供电系统，但是采样电路中的运放需要负压供电。

图2.2 驱动电路辅助电源电路图

2.3 驱动隔离电路设计

由于需要将控制电路和逆变主电路进行电气隔离，故驱动信号SPWM波在输入驱动电路之前，前级必须加驱动隔离电路。一般SPMW波信号的载波频率都几十K以上，光耦器件因其高速、稳定等优点本课题设计采用东芝公司的6N137。6N137的速度可达10M/s，属于OC开路输出器件需要接上拉电阻用于匹配不同电压等级的系统之间信号传递，类似于电平转化功能，使用时还需要注意输入端电流的大小，不能超过额定电流250uA。

图2.3 驱动隔离电路图

2.4 驱动电路设计

驱动电路使用TI公司的高低端半桥驱动芯片IR2104，它内部具有一个高速反相器，可以实现一路输出两路互补输出、高端悬浮电压高达600V、驱动电流最大270mA、开关时间最快可达150ns、内部自带死区时间的设计。使用时要根据信号的频率选择适当的自举电容和充电电流单相二极管，并且在芯片的供电电压端需要配置退耦电容和滤波电容，保证芯片稳定的工作，高低两路输出端应反并联高速二极管，用于建立高速泄放电流的通道，起到快速关闭MOS管的作用，并且在需要串联一个电阻，防止PWM波的震荡，以及为了保证系统上电瞬间MOS管处于关断状态需要配置下拉电阻，还可以在输出端反并联稳压二极管来保护MOS管的栅极不被击穿。

图2.4 驱动电路图

2.5 电压有效值采样电路设计

电压有效值采集电路使用的是ADI公司的AD637真有效值转换

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芯片。AD637是一款完整的高精度、均方根直流转换器，可以计算任意波形的有效值。AD637需要双电源供电，供电范围为正负5V到正负15V，当正负5V供电时输入电压的有效值范围为：0到3V、带宽为20Hz到1MHz,当供电范围是正负15V时，输入有效值的范围为：0到6V、带宽为1MHz到100MHz。电压纹波最小仅10mV。使用时应注意调零，具体方法是：将输入端接地，调节4脚OUTOFF使输出为0，纹波的大小可以通过增加9脚CAV所接电容进行一定程度的改善，一般后级连接一个低通滤波器效果会更好。

图2.5 电压有效值采样电路图

2.6 电压瞬时值采样电路设计

电压瞬时值采集电路的输入和有效值的采集电路一样都来电流型互感器，而前级已经经过了电阻分压，为了调高电路的带负载能力，文中先让信号经过了电压跟随器，再进入后级运放进行适当的调理再输出到数字微控制器的AD端口进行采集。电流的瞬时值的采样电路和电压的基本相同，只是前级输入需要串联一个高精度的采样电阻。图2.6 电压有效值采样电路图

2.7 输出电压频率采样电路设计

输出相电压频率采集电路的输入直接来自与电流型电压互感器的输出，文中采用经典的过零比较电路，电压比较器使用的是NSC公司的高速电压比较器LM393，它属于OC开路器件可以很方便的和3.3V或5V的数字系统耦合，供电电压范围为：单电压2到36V、双电压正负1V到正负18V。图2.7 输出电压频率采样电路图

ELECTRONICS WORLD・技术交流2.8 逆变主电路及滤波电路设计

由于本课题设计的逆变器属于小功率范围，故开关器件选择的是IR公司的IRF3205增强型MOSFET，它的VDS为55V，ID为75A，Ron为8mΩ满足设计要求；系统所用滤波电感和电容分别约为1mH和1uF。图2.8 逆变主电路及滤波电路图

2.9 RS232通信电路设计

RS323通信是工程中最流行的串口通信接口之一，传输距离可达15米，通信速度最高为20Kbit/s,在工业现场总线式通信链路被广泛采用。本文中使用MAX3232芯片作为转换，系统引出两路串口接口。多一路作为备用，与其它逆变器通信；在短距离调试时为方便起见都引出单独的接口。图2.9 RS232通信电路图

3 系统软件设计

系统软件的主函数程序流程图如图3所示。

图3 主函数程序流程图

4 系统测试结果分析

4.1 逆变器实验样机

根据硬件电路设计，制作了小功率逆变器的实验样机，主要由

控制电路板、采样电路板、逆变主电路板和驱动电路板等构成，如图4.1所示。

图4.1 实验样机物图

4.2 逆变器样机测试结果

在调制比M≤1的情况下输出电压Uo的峰值为：Uo = Ud/2。式中，Ud为直流输入电压，本次实验其值为20V。M取0.95时输出波形如图4.2所示，输出电压约为10V与理论计算相等，三相电压波形相位上互相滞后120º基本对称。

图4.2 输出三相电压波形

输出正弦波波形理论上频率应为50Hz，但实测频率约为49.2Hz，如图4.3所示。

图4.3 相电压频率波形

5 结束语

在对三相逆变器工作原理研究的基础上，确定了三相逆变器的总体设计方案，以STM32F407处理器为核心，完成了系统系统各部分的硬件电路设计，主要包括主电路，驱动电路，采样电路等；在

硬件设计的基础上完成了系统软件设计；最后完成了系统实验样机的制作和测试。测试结果验证了系统设计的正确性。

课题来源：湖南省常德市科技局资助项目（2016KZ24）；湖南文理学院科研项目（17BSQD29）；湖南文理学院大学生创新创业研究项目。• 203 •