全桥SPWM逆变器电力电子教学平台设计

刘鸿鹏，吴 辉，王 卫

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001)

0 引言

逆变器及其控制是电气工程及其自动化等专业的重要研究方向。准确地搭建逆变器系统对学生的专业学习至关重要。然而，搭建逆变器系统时，软硬件有效结合一直是一项挑战。学生对硬件电路的不熟悉很可能会导致算法实现时的偏差甚至失败。如何使学生深入了解逆变器的硬件及软件系统已成为教学系统中的当务之急［1，2]。

本文提出一种基于全桥SPWM逆变器的电力电子教学平台。该平台的实现需要将硬件设计和控制算法相结合［3，4]。学生在平台上学习的过程中，不仅可以获得丰富的理论知识，还可以提高自身的实践动手能力，为今后的学习和科研打下坚实的基础。

1 教学平台的硬件设计

逆变是对电能进行变换和控制的一种基本方法，它具有将直流电变换成交流电的功能。常见的单相正弦逆变电源主电路主要有半桥、全桥两种结构，其中以全桥逆变电路应用最为广泛。

教学平台以单相全桥SPWM逆变电路为基础，具体设计参数为:输入电压70 VAC，输出电压60 VAC，开关频率15 kHz，额定功率100 W。图1为全桥逆变器实物图。

根据以上设计参数，学生制作并调试硬件电路。所设计的平台硬件电路包括主电路、采样电路、驱动电路及辅助电源四部分［5]。

图1全桥逆变器实物图

1.1 主电路

图2为单相全桥逆变器电路图，其中功率开关管S1～S4的通断由正弦脉宽调制SPWM产生的信号来控制，L1为滤波电感;C1为输出滤波电容。Ud为无控整流滤波后的直流电压［6]。

图2 单相全桥逆变器

单相全桥逆变电源采用双极性调制方式，如图3所示。输出的SPWM波形只有±Ud两种电平。ug为调制波，uC为载波，在调制波ug与载波uC的交点时刻控制各功率管S1～S4的通断。

图3 双极性调制方式

学生要理解全桥逆变电路的工作原理以及驱动信号的产生方式，为硬件电路的制作打好基础。

1.2 交流电压采样电路

系统需要对输出电压进行采样，采样电路如图4所示。本教学平台采用意法半导体公司的基于ARM Cortex－M3内核的STM32F103VBT6芯片作为主控芯片，其独立采样ADC可实现对多路信号的采样。STM32F103VBT6控制器的电压输入范围为0～+2.5 V，但主电路的电压通常都很高，因此采样电路应该通过适当的比例变换将电压缩小到控制器可接受的范围。经过由运放TL082组成的差分比例运算电路和同相跟随器，输出电压缩小为有正有负的电压信号。但该信号是无法被控制器识别的。为了使采样信号在控制器的电压区间内，还需额外增加一个调理电路将正弦信号抬高一个电平。

学生在学习过程中可以结合模拟电路的相关知识，完善自身的知识体系，从而熟悉采样功能的硬件实现方法。

图4 交流电压采样电路

1.3 驱动电路

STM32F103VBT6主控芯片具有高级定时器TIM1，可实现多路PWM信号的输出。对于ARM发出的驱动信号，需要由专门的驱动电路对控制器输出的驱动信号进行放大。由图5所示，本电路使用的驱动芯片为IR2106S，使用+15V单路供电。驱动电路输入和输出信号逻辑是相反的。

这部分驱动电路原理较难，教学的重点是对芯片IR2106S的介绍，让学生了解自举电路的原理，并进一步理解驱动信号对全桥电路中功率器件的控制作用。

图5 驱动电路

1.4 保护电路

为了保证平台安全，避免故障发生时引起的损坏，平台上设计了硬件故障检测和保护电路如图6所示。它是一个过流检测电路，应用芯片LM339中的2个运放作为电压比较器进行工作(LM339电压比较器芯片内部装有四个独立的运放)。1IN+、2IN-为逆变器输出正弦电流的上下限阈值，各电压比较器输出端连在一起呈“与”逻辑关系，只要有一处发生过流，输出端OVER就会由高电平变为低电平，并将此信号作为故障检测信号送入控制器。

图6 过流保护电路

学生从该电路可以了解由电压比较器进行过流保护的原理，同时拓展相关的理论知识，加深对逆变电路保护功能的理解。

1.5 辅助电源电路

在整个硬件平台中，需要用到多路辅助电源，分别给ARM、驱动电路、保护电路和采样电路等供电。单端反激式变换电路以其简单可靠、高效率的优点成为大功率高频开关电源中辅助电源的首选。如图7所示，本平台设计了以UC3844芯片为核心的单端反激式辅助电源。

输入电压范围为80～150 V直流电压，输出四路电压，其中三路共地，输出电压分别是±15 V为采样电路供电，+5 V为控制器ARM电路供电，+15 V为驱动电路供电。

图7 辅助电源

2 教学平台的软件设计

整个平台软件的总体程序主要包括三个部分:①AD采样中断子程序，完成系统主要参数的采集;②定时器比较中断子程序，完成系统主要参数的处理、控制算法的实现和SPWM波形的发生;③故障保护处理子程序，完成逆变器输出电流过流保护。

学生在程序设计过程中可以从主程序框图出发，先进行整体思路的构建和基本模块的编写，再从各中断子程序和故障保护程序中细化各功能模块，最终完成整体算法在硬件电路中的实现。

2.1 主程序设计

图8为主程序流程图。主程序的作用是完成系统的初始化、中断向量表配置、AD配置、定时器配置和GPIO的配置等。如图8所示，系统初始化后，打开系统所需的各个中断，随后主程序循环等待中断，系统的主要功能在中断子程序中完成。

图8 主程序流程图

2.2 AD中断子程序设计

控制器的AD采用注入转换模式，每个AD有4个转换通道，而本系统控制器含有两个AD，足够完成采样。每当AD完成一次时，就会触发采样中断，如图9所示。在子程序中将各个采样结果分别累加到一个变量中，并将采样次数变量加一，以便在其他程序中对采样数据进行处理。

图9 AD中断子程序流程图

2.3 定时器比较中断子程序设计

设置TIM1定时器计数，使至一个周期结束时产生触发中断，即系统每个开关周期会进入一次中断，流程图如图10所示。

图10 周期中断子程序流程图

该子程序是系统中最重要的子程序，完成采样数据处理、过压保护、PI控制以及逆变器SPWM控制等功能。对AD中断采样数据进行处理得到该周期中断所要应用的输出电压和电流采样值，并判断是否合格。然后，系统应用SPWM算法生成调制波，最终产生SPWM脉冲信号。

3 结语

本文提出的全桥SPWM逆变器的电力电子教学平台已经在本科生创新实验课中使用。实践证明，该平台能够很好地帮助学生完成对逆变器相关软硬件知识的学习，并有效提高其动手操作能力。同时，此平台的知识体系清晰完整，大大降低了教学难度，能够为学生的工程应用打下良好的基础。

［1] 丘东元，刘斌，张波，等.“电力电子技术”综合性课程设计内容探讨［J] .南京:电气电子教学学报，2012，34(1):49-51.［2] 刘少克，龙志强，陈贵荣.“电力电子技术”课程的案例式教学［J] .南京:电气电子教学学报，2014，36(3):56-58.

［3] 刘佐濂，杨汝，何清平，等.光伏并网发电实验系统设计［J] .北京:实验技术与管理，2011，28(10):74-77.

［4] 唐杰，刘丽，罗庆跃.“电力电子技术”课程研究性教学初探［J] .北京:中国电力教育，2009，(24):86-87.

［5] 姚志垒.“电力电子装置及技术”课程教学改革探讨［J] .北京:中国电力教育，2013，(23):52-53.

［6] 肖岚.逆变器综合课程设计教学平台的开发［J] .南京:电力电子教学学报，2005，27(1):73-75.