单相车载逆变电源器设计

毕业设计（论文）题 目 单相车载逆变电源的设计 学 院 电气与电子工程学院专业班级 电气工程及其自动化 120311学 号 20122059姓 名 杨 勇指导教师 薛 鹏二一六年六月八日长春工业大学学士学位毕业论文摘 要本设计是基于单片机 STC 而设计的正弦波逆变电源。额定输入电压为 12V 的直流电，输出为 50Hz/220V 的交流电。额定输出功率为 300W。设计了全方位的保护电路。包含了可以根据温度来控制散热风扇的开启。实现了输入低压、过压的关断功能。当输入的电压过低时，停止逆变，可以防止损坏蓄电池，当输入的电压过高时，停止逆变，可以防止损坏芯片。拥有输入防反接功能，当输入正负极接错时，关断输入与后级电路的连接，不会烧坏芯片或蓄电池。采用了一个液晶屏来显示输出的电压，输出频率等信息。采用了两个发光二极管来指示工作状态。采用了一个蜂鸣器，当产生错误时，发出蜂鸣报警。输出的交流电为标准的正弦波，而不是方波或修正波，可以实现更宽范围的带负载能力。根据测试，转换效率在 85%以上，输出稳定，达到了良好的实验效果。关键词:单片机 逆变电源 正弦波 反接保护长春工业大学学士学位毕业论文Design of vehicle mounted inverterAbstractThe design is based on STC microcontroller designed for pure sine wave inverter. Rated input voltage of 12V DC, output is 50Hz, 220V AC. Rated output power of 300W. Designed a full range of protection circuits. Can be included to control the temperature on the cooling fan. Achieve a input voltage, overvoltage shutdown function. When the input voltage is too low, the inverter is stopped, to prevent damage to the battery, when the input voltage is too high, the inverter is stopped to prevent damage to the chip. Has the input anti-reverse function when the input is negative then the wrong time, and after the shutdown input stage circuit connections will not burn chips or batteries. Uses a liquid crystal screen to display the output voltage, output frequency and other information. Uses two light emitting diodes to indicate the operating status. Uses a buzzer when an error occurs, the alarm beeps. The standard AC output sine wave, rather than a square wave or modified wave, a wider range can be achieved with a load capacity. According to the test, the conversion efficiency of more than 85%, stable output, to achieve a good experimental results.Keywords: MCU Inverter Sine wave reverse polarity protection长春工业大学学士学位毕业论文目 录摘 要 .IAbstract .第一章 绪论 .11.1 论文选题背景 .11.2 研究意义及目的 .21.3 国内外逆变技术现状 .31.4 目前存在的逆变方式以及逆变电路结构 .41.5 主要内容 .6第二章 工作原理 .72.1 逆变电路的基本工作原理 .72.1.1 换流方式 .72.1.2 全桥逆变电路 .92.2 SPWM 逆变器的工作原理 .102.2.1 单双极性 SPWM 法 .112.2.2 SPWM 的控制方法 .122.3 小结 .16第三章 硬件设计 .173.1 主控制器 .18长春工业大学学士学位毕业论文3.2 DC-DC 模块的设计 .183.2.1 PWM 脉冲产生电路 .193.2.2 变压器的设计 .203.2.3 输出整流电路的设计 .213.3 DC-AC 模块的设计 .213.3.1 SPWM 波驱动隔离的设计 .213.3.2 开关电路的设计 .233.3.3 LC 滤波电路设计 .233.4 保护模块的设计 .243.4.1 温度保护的设计 .243.4.2 输入保护的设计 .253.4.3 输出保护的设计 .26长春工业大学学士学位毕业论文3.5 小结 .27第四章 系统的软件设计 .284.1 开发环境介绍 .284.2 系统总流程图 .304.3 SPWM 程序设计 .304.5 增量型控制算法的实现 .354.6 小结 .36第五章 实验结果及分析 .375.1 实验结果 .375.2 总 结 .38致 谢 .39参考文献 .40附录 系统原理图 .43长春工业大学学士学位毕业论文1第一章 绪论1.1 论文选题背景电源设备广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施及人民生活等各个方面，是电子设备和机电设备的基础，它与国民经济各个部门相关，在工农业生产中应用得最为广泛。可以说，凡是涉及电子和电工技术的一切领域都要用到电源设备，它不仅提供优质电能，还对科学技术的发展产生巨大的影响，例如由于超小型、高效率的高频开关电源的出现，促进了航空航天和舰船技术的发展；不间断电源(UPS)的研制成功大大提高了计算机、通信、导航、医疗等设备的可靠性；脉冲电源广泛应用于电焊、电镀等行业，节省了大量的电能和原材料。从而可以看出电源技术的研究对国民经济的发展具有重大意义 1-3。电源分为三大类：1） 把其他能量转换成电能，例如水力、火力、风力及核能发电等，一般称这种电源为一次电源( 即供电电源，俗称电网或市电)。2）电能传输过程中，在供电电源和负载之间对电能进行变换或稳定处理，一般称这种电源为二次电源(即对已有的电源进行控制)。3）平时把能量以某种形式储存起来，使用时再变成电能供给负载，典型的器件就是人们常见的各种蓄电池，一般称此为化学电源。其中，二次电源起着很重要的作用。二次电源，就是把输入电源(由电网、蓄电池或燃油发电机供电等)变换成在电压、电流、频率、波形及在稳定性、可靠性(含电磁兼容、绝缘散热、不间断供电)等方面符合要求的电能供给负载，这是目前应用最广泛的电源技术领域，主要研究如何利用电子技术对电功率进行变换及控制，它广泛运用电磁技术、电子技术、计算机技术和材料技术等学科理论，具有较强的综合性。本课题所做的电源即属于此类。现如今随着自行车的被淘汰，当今汽车已经成为人们主流的代步工具，许多先进的设备应用到汽车上，伴随着时代的发展，人们对汽车电子产品的需求越来越多：除了常见的车载 DVD 音响系统外，车载电视，车载冰箱，笔记本电脑等电器产品也成长春工业大学学士学位毕业论文2为人们的需求。目前常见的电器产品除了可用电池供电外，更多的需要 220V/50Hz 的交流电供电。为了将 12V 的蓄电池电压转换成 220V/50Hz 的交流电以供常见电器产品用，车载逆变电源已成为必不可少的车用能量转换设备。在国外汽车的数量较多，车载逆变电源受到了普遍欢迎，将车载逆变电源与汽车点烟器或蓄电池连接后，就可以直接给车载电器产品供电。车载逆变电源除了适用于车载系统外，存在 12V 直流电压且要求 220V50Hz 交流电输出的场合均可以使用。当今世界面对严重的能源紧缺问题，社会的发展需要充足的能源来维系。太阳能、波浪能等可再生能源在本世纪得到开发利用，成为社会能源的重要组成部分。为了利用太阳能、波浪能等能源，直线发电机担任着机电能量转换的角色，然而直线发电机输出交流电压的谐波含量较大且浮动范围较宽，必须经过整流逆变装置处理后才能并网或供其他用电设备使用，该系统中逆变电源是必不可少的组成部分。光伏发电系统主要由太阳能光电池组、充电控制器、蓄电池组和逆变电源组成，太阳能电池阵列通过充电控制器给蓄电池充电，逆变电源把直流电压转换成工频交流电之后并网或供其他电器产品使用 4。这对汽车的车载电源是一个很大的考验。随着人们生活水平的提高，人们对一些电子产品的稳定性要求也越来越高，影响电子产品的稳定性的一个最大的外部因素就是输入的电源信号，如果电源信号不稳定那么电子产品基本就没有什么稳定性，这就对车载移动电源有了更高的要求。当今搭载柴油和汽油的汽车所配备的车载电源有相当一部分很落后，采用的基本上是七十年代八十年代以分立元件为基础的模拟控制系统，这样的电源系统不仅有分立元件的温度漂移，容易老化，适应环境能力有限，而且在维护方面工作量很大，电源系统调节能力较差。这就要求我们研发一种新型高效的逆变器。1.2 研究意义及目的由于电子逆变技术的迅猛发展，各种各样的功率器件的不断涌现，使得车载电源逆变器越来越小型化，越来越高效率。电子产品随处可见。现在，汽车已经不单单是一个机动车辆供人们出行使用方便，更加成为一个智能化的汽车 5-7。作为一款在汽车上使用的逆变电源，我们从以下几个方面来考虑。一方面，从安全性能考虑由于它是在汽车中由车主使用的电源转换设备，不仅关系到汽车和电子产品的安全，还关系到人的生命安全。因此在电路设计时，我们要设计相应的保护电路，从而确保该电源设备的高可靠性和安全性。另一方面，从空间角度考虑，由于汽车上空间有限，逆变电源也通常存储在一个很小的密闭容器中。因此在电源设计时，我们需要减少电路的复杂性，从而确保该电源设备的小型化。车载逆变电源的研制不仅仅可以解决汽车上电子产品的电源问题，同时还可以在只要有 12V 直流电源的场合下使用。比如说，在光伏并网发电技术中，逆变电源可以将太阳能电池板或蓄电池转换长春工业大学学士学位毕业论文3为供我们使用的能源，从而减少能源污染等或者给用电困难的地区带来极大的生活的便利，而逆变电源作为其技术含量较高的关键部件，其研制可开发是非常具有意义的。在国外，由于家家户户基本上都有车，汽车覆盖面很广且电子产品的种类使用繁多，故车载逆变电源在国外是受到人们的热烈欢迎。而在国内，随着经济的快速发展，汽车也慢慢由奢侈品转为必需品，而车载逆变电源也将成为家庭的必需品。咱们国内没有成熟的技术应用到车载移动电源上，那就必须从国外引进，国外现目前在车载移动电源方面做的已经比较成熟。在国外主要是做单片机为基础的数字控制系统，或者是专业级顶级控制芯片系统，当然价格不菲，而且各个国家间都会有技术壁垒。因此，设计一款高效安全的车载逆变电源是具有实用价值和广阔的市场前景的。1.3 国内外逆变技术现状电子电力技术是一门新兴的技术，它出现于 20 世纪 60 年代。随着电子电力技术的不断发展，它又细分为了电子电力器件和变流技术这两个方向。在逆变过程中，电力电子器件和开关电源是相互促进，相辅相成的， 电力器件技术的进步将会促进开关电源技术的进步。开关电源的核心技术就是开关管，通过开关管的闭合和导通，最后实现了电能的相互转换，比如说交流转直流，直流转交流，直流转直流等。1957 年，晶闸管（SCR）是最早出现的开关管，它开启了开关电源时代的到临。二十年后，又相继研制出了更加先进的场效应管(MOSFET)、可关断晶闸管(GTO)、双极性管（BJT ）等。在上个世纪 90 年代初期又出现了结合场效应管和双极性管特性优点的绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 。在开关电源技术发展的初期，早期的 DC-AC 逆变电源都是通过模拟电路对电源系统进行控制的。但是其缺点也是显而易见的，比如说模拟电路相对较复杂，并且器件多，从而导致成本较高；模拟器件易受环境温度影响存在零点漂移问题；控制方法算法的不可移植性等缺点。随着数字控制理论的快速发展和一些数字微处理器(MCU)技术的发展，并且为了可以提高开关管电源的稳定性、可靠性、安全性等各方面性能，在逆变电源控制系统的技术上，我们也由传统的模拟电路控制系统逐渐发展为现在的数字微