一种新型单相正弦波变频变压电源系统的制作方法

本实用新型属于电源技术领域，尤其涉及一种新型单相正弦波变频变压电源系统。

背景技术：

目前市面上主要有传统式逆变电源和数字式逆变电源，传统式逆变电源采用变压器，电路笨重且效率低，输出电压不稳定，没有各类保护措施，部分数字式逆变电源无法调节频率，无法监控和调节输出电压，且价格昂贵，所以有必要设计一款能输入直流电，输出提供高质量交流电、效率高、噪音小、电压可调、频率可调、具有各类保护和自恢复功能、人机交互良好、价格便宜的中小功率正弦波逆变电源。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种针对一定范围直流输入，输出提供高质量交流电、效率高、噪音小、电压可调、频率可调、具有各类保护和自恢复功能、人机交互良好的中小功率正弦波逆变电源。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种新型单相正弦波变频变压电源系统，包括基于半桥结构的BOOST升压模块、全桥逆变模块、电压电流采样模块、FPGA和单片机控制模块、辅助电源模块、保护模块、键盘模块、显示模块；保护模块、BOOST升压模块、全桥逆变模块依次连接作为主回路；电压电流采样模块对输入端电压和输出端电压电流进行采样；FPGA和单片机控制模块分别与BOOST升压模块、全桥逆变模块、电压电流采样模块和保护模块连接实现电路控制，与键盘模块和显示模块连接实现人机交互；辅助电源模块从输入端取电，产生系统中各芯片工作所需电压。

在上述的新型单相正弦波变频变压电源系统中，所述基于半桥结构的BOOST升压模块包括一个磁芯为EE55/28/25、3股1.2mm直径漆包线绕制的1mH电感，一个10mF耐压100V的电解电容，二个MOSFET开关管CSD19536和一个基于栅极自举驱动原理的半桥驱动芯片UCC27211，FPGA和单片机控制模块输出的占空比可调的PWM波控制半桥驱动芯片。

在上述的新型单相正弦波变频变压电源系统中，所述全桥逆变模块包含全桥电路和LC滤波电路；全桥电路包括四个MOSFET开关管构成全桥，两个半桥驱动电路驱动；LC滤波电路包括磁芯为EE55/28/25、3股1.2mm直径漆包线绕制的1mH电感和10μF CBB电容，用于滤去全桥电路输出的高频成分。

在上述的新型单相正弦波变频变压电源系统中，所述电压电流采样模块主体为模数转换电路，包括±10V采样范围的芯片TLC3578、基准电压芯片REF5040和线性稳压器LM1117，对输入端直流电压和输出端交流电压、交流电流进行采样，将采集到的数据发送给控制模块作为电路反馈；其中输入端电压为直流，电阻分压后再进行采样，输出端电压、电流为交流，分别经过互感器TV1013、TA1015和两个内有两个运算放大器的运放芯片OPA2227搭建的电压互感电路和电流互感电路，再进行采样。

在上述的新型单相正弦波变频变压电源系统中，所述保护模块包括5V供电继电器SRD-05VDC-SL-C、三极管S9013、二极管1N4148和发光二极管3RR4-Y-T；继电器串接在系统输入端，保护模块的控制端与FPGA和单片机控制模块相连。

在上述的新型单相正弦波变频变压电源系统中，所述FPGA和单片机控制模块包括单片机MSP430F6638，以cycloneⅡ为核心的FPGA开发板；用于接收电压电流采样模块输出的数据，对PWM波的占空比和SPWM波的频率进行调整，通过控制保护模块实现电路保护。

在上述的新型单相正弦波变频变压电源系统中，所述辅助电源模块包括+12V供电电路、+5V供电电路和-5V供电电路；辅助电源模块从输入端取电，输入+5V供电电路，+12V供电电路和-5V供电电路并接在+5V供电电路后；+5V供电电路利用降压转换器TPS5430将输入电压降压到+5V直流电压，-5V供电电路利用电压转换器LM2663将+5V电压反相得到-5V直流电压，+12V供电电路利用升压转换器TPS61081将+5V升压得到+12V直流电压。

本实用新型的有益效果：具有输入自适应，对10V-15V直流输入电压均可自动实现稳定输出。输出交流电压有效值30-36V可调、频率20-100Hz可调，且精度高。稳定性好，对10-15V输入及30-36V输出，系统负载调整率均小于0.5％。效率高，对10-15V输入及30-36V输出，额定功率时，效率均大于90％。具有电流电压显示及过流保护和欠过压保护功能，人机界面友好。价格便宜，体积小。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例整体电路模块框图；

图2是本实用新型一个实施例基于半桥结构的BOOST升压模块电路图；

图3是本实用新型一个实施例全桥逆变模块电路图；

图4-1是本实用新型一个实施例电压互感电路图，图4-2是本实用新型一个实施例电流互感电路图，图4-3是本实用新型一个实施例模数转换电路图；

图5是本实用新型一个实施例保护模块电路图；

图6-1是本实用新型一个实施例+12V供电电路图，图6-2是本实用新型一个实施例+5V供电电路图，图6-3是本实用新型一个实施例-5V供电电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。

如图1所示，本实施例一种新型单相正弦波变频变压电源系统，包括基于半桥结构的BOOST升压模块、全桥逆变模块、电压电流采样模块、FPGA和单片机控制模块、辅助电源模块、保护模块、键盘模块、显示模块。保护模块、BOOST升压模块、全桥逆变模块依次连接作为主回路，电压电流采样模块对输入端直流电压和输出端交流电压电流进行采样，FPGA和单片机控制模块分别与BOOST升压模块、全桥逆变模块、电压电流采样模块和保护模块连接进行电路控制，与键盘模块和显示模块连接进行人机交互，辅助电源模块从输入端取电，产生系统中各芯片工作所需电压。

如图2所示，基于半桥结构的BOOST升压模块中两个MOSFET开关管选择CSD19536，两个开关管构成半桥结构，开关管驱动选择基于栅极自举驱动原理的半桥驱动芯片UCC27211，BOOST拓扑中主电感选用EE55/28/25磁芯，由3股1.2mm直径漆包线绕制的电感，感值1mH，BOOST拓扑中主电容选择100V耐压10mF电解电容，BOOST拓扑中的开关用半桥低边开关管实现，拓扑中的二极管用半桥高边开关管替换以减少电路损耗。输入电压正极经主电感与高边开关管Q1的源极、低边开关管Q2的漏极连接，低边开关管Q2的源极接地，高边开关管Q1的漏极与10mF主电容C1正极连接，主电容C1负极接地，主电容两端电压即为BOOST升压模块的输出电压。半桥驱动芯片UCC27211的VSS端接地，VDD接辅助电源模块中+12V输出，并接去耦电容去耦，LI、HI两输入口分别接收FPGA和单片机控制模块输出的两个互为镜像的PWM波，HB与HS连接150nF自举电容C2的两端，且HS端连接Q1Q2的连接点，HO端通过驱动电阻与高边开关管Q1的栅极连接，LO端通过驱动电阻与低边开关管Q2的栅极连接，驱动电阻均并联二极管，以缩短开关管关闭时间。高边开关管Q1和低边开关管Q2的栅源极之间均接泄放电阻。

如图3所示，全桥逆变模块由全桥电路及LC滤波电路组成。全桥电路主要由半桥驱动芯片UCC27211U1、U2，第一半桥高边开关管CSD19536Q1、第一半桥低边开关管CSD19536Q2、第二半桥高边开关管CSD19536Q3、第二半桥高边开关管CSD19536Q4构成；LC滤波电路由EE55/28/25磁芯用3股1.2mm直径漆包线绕制的1mH电感L1和10μF CBB电容C1构成。BOOST升压模块的直流输出正极连接Q1和Q3的漏极，BOOST升压模块的直流输出的地和Q2和Q4的源极连接，Q1的源极和Q2的漏极连接，并与U1HS端、LC滤波电路的电感连接，Q3的源极和Q4的漏极连接，并与U2HS端、LC滤波电路的电容连接。U1和U2的VDD端均与辅助电源模块中+12V输出连接，VSS端接地，U1的HI和U2的LI接同一个SPWM波控制信号，U1的LI和U2的HI接另一个镜像的SPWM波控制信号，U1、U2的HB与HS均分别连接自举电容的两端，U1的HO通过驱动电阻与Q1栅极连接，U1的LO通过驱动电阻与Q2连接，U2的HO通过驱动电阻与Q3栅极连接，U2的LO通过驱动电阻与Q4连接，驱动电阻均与二极管并联。Q1、Q2、Q3、Q4的栅源极均接泄放电阻。

如图4-1、4-2、4-3所示，电压电流采样模块包括电压互感电路、电流互感电路和模数转换电路，对输入电压、输出电压、输出电流进行采样测量。辅助电源模块输出的+5V、-5V电压经10uF钽电容、0.1uF贴片电容并联去耦连接到图中标有对应电压值各处给芯片供电。输入电压为直流，电阻分压后用模数转换芯片TLC3578进行模数转换；输出电压电流为交流，分别经电压互感电路和电流互感电路将输出电压电流转换成弱电信号后，用模数转换芯片TLC3578对波形进行采样。电压互感电路包括互感器TV1013-1H和内有两个运算放大器的运放芯片OPA2227。输出电压经互感器TV1013-1H输入到运放芯片OPA2227U4搭建的运放电路和三阶滤波电路得到输出电压的采样电压。电流互感电路经互感器TA1015-2输入到运放芯片OPA2227U5搭建的运放电路和三阶滤波电路得到输出电流的采样电压。模数转换电路包括14位、8通道低功耗模数转换芯片TLC3578U1、基准电压芯片REF5040U2和线性稳压器LM1117U3。基准电压芯片提供高精度低噪低漂4.096V的基准电压，线性稳压器提供+3.3V电压。模数转换芯片LTC3578的SCLK、SDI、EOC、SDO、CS管脚均通过10Ω电阻与FPGA和单片机控制模块IO口连接，FS和CSTART管脚通过+3.3V供电电压经10KΩ限流电阻置高，COMP管脚接0.1uF电容到模拟地，REFM管脚接模拟地，REFP管脚接基准电压芯片REF5040输出的4.096V基准电压，采样电压输入均经100Ω电阻和10uF电容低通滤波接入模拟信号输入管脚。

进一步，FPGA和单片机控制模块包括单片机MSP430F6638，以cycloneⅡ为核心的FPGA开发板；用于接收电压电流采样模块输出的数据，计算得到输入电压和输出电流有效值，对输入电压判断是输入否欠过压，对输出电流有效值判断输出是否过流，如果出现异常情况通过对PWM波的占空比和SPWM波的频率进行调整，启动保护模块，输出高电平到保护模块使主回路正极输入断开实现电路保护。

进一步，4*4矩阵键盘输入要求的电压有效值和频率，FPGA和单片机控制模块通过输出电压采样计算得到输出电压的有效值与设定值进行比较，使用PID算法调整输出给BOOST升压电路的PWM波，使输出电压稳定在要求的电压有效值。FPGA和单片机控制模块依据设定频率设定输出给全桥逆变电路的SPWM波的频率，使输出信号为要求的频率。并且将输入电压、输出电压、电流、频率等信息显示在LCD屏上，人机交互良好。

如图5所示，保护模块采用继电器SRD-05VDC-SL-C，FPGA和单片机控制模块的一个I/O口输出电压作为Vcon控制电压，通过I/O口输出高电平控制三极管S9013驱动继电器断开输入正极，实现过流保护。

如图6-1、6-2、6-3所示，辅助电源模块包括+12V供电电路、+5V供电电路、-5V供电电路。辅助电源模块从输入端取电，输入+5V供电电路，+12V供电电路和-5V供电电路并接在+5V供电电路后。+5V供电电路利用降压转换器TPS5430将输入电压降压到+5V直流电压，-5V供电电路利用电压转换器LM2663将+5V电压反相得到-5V直流电压，+12V供电电路利用升压转换器TPS61081升压得到

+12V直流电压。+12V直流电压给三个驱动芯片UCC27211供电，+5V直流电压给FPGA、单片机、模数转换芯片TLC3578、基准电压芯片REF5040、线性稳压芯片LM1117、运放芯片OPA2227、继电器供电，-5V直流电压给OPA2227供负电压。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。