基于PIC单片机的纯正弦车载逆变电源设计
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[摘要] 设计一款以PIC单片机为控制核心的车载逆变电源，单片机作为正弦脉冲宽度调制（SPWM）的控制器，提供稳压、欠压保护等功能，把汽车蓄电池的12V直流电转变成220V纯正弦交流电。
[关键词] 车载逆变电源 正弦脉宽调制 单片机
1 引言
随着社会的发展，人民生活水品的不断提高，汽车逐渐进入了大众的家庭中，有车族们已经不仅仅将汽车作为一种代步工具了，而开始将其作为一种享受生活的工具。有车族在户外需要使用的电子设备越来越多，例如汽车音响、车用DVD、车用冰箱、手提电脑、手机充电器和各种电源适配器等等，而这些电子设备一般都需要用市电220V供电，汽车所能提供的电源是蓄电池，一般小车是12V，因此要使用这些设备必须配备电源转换器，即车载逆变电源。车载逆变电源一般使用汽车电瓶或者点烟器供电，将汽车蓄电池的 12V直流电转变成一般电器所需要的220V交流电。在发达国家车载逆变电源是每辆车必须具备的。据统计，国内配备这种转换器的车辆还不足20%，加之每年汽车销售量居高不下，因而电源转换器在国内有很大的市场前景。
传统车载逆变电源都是准正弦波的逆变电源，也就是输出的交流电是方波220V，多采用PWM集成控制芯片控制逆变电路输出，如SG3525或TL494，存在着输出谐波大，效率低等问题，适用的负载较窄。本文介绍了一种输出为稳定、平滑的纯正弦波的车载逆变电源，以PIC单片机作为主控制器，产生逆变器的SPWM信号，经输出滤波后可等到标准的正弦波，同时具有稳压、过流保护、欠压保护等功能，使逆变电源的适用负载更广。
2 纯正弦车载逆变电源系统原理
纯正弦车载逆变电源系统原理如图1所示，主电路部分：蓄电池的12V直流电通过DC/DC升压电路升压为350V的高压直流电，DC/AC逆变电路将高压直流电转变为交流 SPWM波，通过LC滤波后得到纯正弦的220V/50HZ交流电。控制电路部分：主控电路是以Microchip的PIC16F74芯片为控制核心，该芯片是一款RISC高性能的CPU，仅含35个单字节指令，带有8位AD，双路PWM输出，3个定时/计数器，带UART接口，195个字节RAM，4k×14Bit的Flash存储器，保密性好，其指令速度在外部晶振20MHz下，可达200ns的指令周期。由PIC16F74产生两路SPWM控制信号，通过隔离驱动后控制DC/AC逆变电路的功率开关器件，并实时检测电压电流，保证输出电压恒定，电池欠压或过流时采取相应措施报警及保护。
3 主电路原理及设计
3.1 DC/DC升压电路设计
升压电路采用推挽式DC/DC变换电路。如图2所示，输入端Ui为蓄电池电压（＋12V），由DC/DC变换将DC12V电压逆变为高频方波，经高频升压变压器升压，再整流滤波得到输出端为Uo的直流电压（350V）。变压器T1起隔离和传递能量的作用。在开关管VT1开通时，变压器T1的N1绕组工作并耦合到副边N3绕组；开关管VT1关断时，N1向N3释放能量；反之亦然。在输出端，有电解电容和四个二极管构成副边整流滤波电路。
3.2 DC/AC 逆变电路设计
DC/DC升压电路输出的直流高压350V通过逆变桥,把直流电压变为交流电压，再经过LC滤波电路得实现50HZ/220V交流电，如图3所示。
3.3 主电路核心器件的选择和参数计算
DC/DC电路中，输入电压10.5～12.5 V，输入最大电流15 A，考虑一倍的余量，推挽电路开关管VT1及VT2耐压不小于30 V，正向电流不小于30 A，选用IRFZ48N。变压器副边输出整流桥由4个高效整流二极管HER305组成。滤波电容选用47μF/450 V电解电容。升压高频变压器T的设计应满足在输入电压最低时，副边电压经整流后不小于逆变部分所需要的最低电压350 V，同时输入电压最高时，副边电压不能过高，以免损坏元器件。同时也必须考虑绕线上的电压降和发热问题。选EE型铁氧体磁芯，原副边绕组为10匝∶300匝。
DC/AC电路中，对角的两个开关管V1与V4或V2与V3作为一组，两组开关轮流工作，在一个周期中的短时间内，四个开关将均处于断开状态，即设定有死区时间，以防止开关管直通。显然，通过开关管的电流较小，但要承受较高反向电压，即高压电压峰值，加上一定余量一选择600V，选择SSS6N60A为输出逆变开关管，该管基本参数：Vdss=600V RDS = 1.2Ω，Id=3.2 A。
4 控制电路原理及软件设计
控制电路的主要功能是以PIC16F74为核心，产生SPWM信号控制全桥逆变器的四个功率管，同时保证输出电压在负载波动的情况下快速稳定，并且实时监控电池电压、负载电流，对欠压、过流等异常现象进行处理。
4.1 SPWM控制信号的产生
采用离线计算SPWM波形信号，计算出的实际脉宽转换成计时步阶后生成128个值的正弦表存入PIC的ROM中以供调用，设置SPWM的频率为50Hz，PIC单片机CCP功能模块的PWM功能实现主要依靠相关寄存器值的设定，且以定时器2(TMR2)作为PWM的时基。相关寄存器的设置如下。
4.1.1 SPWM周期的设定由寄存器PR2设定
（PWM）周期＝（PR2+1）*4*Tosc*(TMR2)预分频
为提高分辨率，TMR2预分频设为1∶1，由此计算得PR2=0X9C。
4.1.2 定时器TMR2的控制寄存器T2CON设定
因为SPWM频率高，周期短，在每个周期内完成脉宽的调整比较困难，故在此寄存器中设置后分频为1∶3，这样每输出3个相同脉宽的SPWM波后改变一次脉宽值。
4.1.3 2个CCP模块的控制寄存器CCPlCON及CCP2CON的设定的设置类似，选择CCP模块作用于PWM功能模式，即bit3：O=1100。
4.1.4 CCPRlL脉宽写入寄存器写入的脉宽值在下个TMR2周期开始时转至CCPRlH，通过读CCPRlH的脉宽值来改变PWM脉宽。
4.1.5 寄存器TRISC对应于CCPl和CCP2的输入输出设置，应设置为输出形式，即TRISC的bit2：l=OO。
4.2 稳压及保护
利用PIC16F74的8位AD定时采集逆变器输出电压作为反馈，在CPU内部构成电压闭环，用软件实现PI调节，保证零误差调节，使输出电压有效值恒定，不受负载变化影响。为保证输出电压不至于在AD采样误差范围内频繁跳动，还必须应用软件滤波，对输出电压微调。
电池电压和负载电流的检测信号也送入CPU的AD，电池欠压时，CPU发出利用中断发出报警信号；负载过流时，CPU一方面发出报警信号，同时封锁SPWM信号，使输出电压下降为零，保护逆变电源。
5 样机实验结果
基于以上分析设计，制作了一台150W的实验样机，在带100W灯泡负载的实验条件下，测得输出电压波形如图4，实测电压有效值为218V，空载时226V，电压波动率在正负5%以内，输出波形为纯正弦波。
6 结论
本文设计了一种高性能的车载逆变电源，采用pic单片机作为主控芯片产生SPWM信号，输出电压为纯正弦波，对车载逆变电源进行了完善的保护设计，结果表明，制作的车载逆变电源，所设计的电路基本能完成的测试功能，克服了传统的车载逆变电源只能产生方波交流电的缺点，提高了电源的适用范围。
参考文献
[1] 陈道炼. DC―AC逆变技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2003.
[2] 刘凤君. 正弦波逆变器[M].北京：科学出版社，2002.
[3] 陈国先. PIC单片机原理与接口技术[M].北京：电子工业出版社，2004.
[4] 陈国呈. PWM变频调速及软开关电力变换技术[M].北京:机械工业出版社, 2001.
[5] 董改花, 冯浩. 双极性SPWM波形生成法开关点计算及其谐波分析[J]. 电气传动自动化, 2005, (3).