基于IR2110的打印機(jī)高頻逆變器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

*基金項(xiàng)目：湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目（20YX30）。

當(dāng)今社會(huì)，開關(guān)電源等方面的技術(shù)已經(jīng)在電力電子應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)部分處于重要位置。隨著高頻開關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展，其不僅改變了傳統(tǒng)電路龐大又笨重的外觀結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，而且極大地為電源部分電能的回收利用效率做出卓越貢獻(xiàn)，既節(jié)省了材料，又降低了成本。逆變技術(shù)的研究對(duì)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高都具有重大的意義^[1]。

由電力電子技術(shù)的發(fā)展來看，逆變器是較早采用的一種DC/AC （直流/ 交流）變換裝置，逆變器是把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能，一般由逆變橋、濾波電路及控制邏輯等部分組成。逆變器廣泛適用于家庭電器設(shè)備中。根據(jù)市場發(fā)展趨勢的需要，逆變器的造型安裝越來越傾向于小型化、智能化、模塊化等方向發(fā)展^[2]。

1   系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的逆變器小系統(tǒng)首先通過工頻220 V 電壓輸入接線柱后由降壓變壓器輸出24 V 交流電壓，輸出的24 V 交流電壓經(jīng)過單相橋式整流電路、兩塊穩(wěn)壓電路及若干二極管濾波后，輸出兩路穩(wěn)定的直流電壓（15 V 和5 V）為單片機(jī)及驅(qū)動(dòng)芯片供電^[2]。同時(shí)，在線串行編程寫入程序到單片機(jī)后產(chǎn)生的PWM（脈沖寬度調(diào)制）波觸發(fā)兩塊驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生兩相四路PWM 波，兩相四路的PWM 波分別產(chǎn)生互補(bǔ)的高通與低通信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的MOS（MOSFET 的縮寫，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）管后形成電壓型全橋逆變電路。最后，在負(fù)載處可以檢測到產(chǎn)生的互補(bǔ)矩形波，輸出電壓220 V、50 Hz 交流電壓，最大輸出電流2.5 A，最大輸出功率不低于100 W。如上即完成整個(gè)逆變過程，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2   系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)芯片IR2110

IR2110 驅(qū)動(dòng)芯片由美國國際整流器公司（現(xiàn)已被英飛凌公司收購）生產(chǎn)^[2]，具有光耦隔離和電磁隔離等特性，因其體積小、速度快等優(yōu)點(diǎn)，成為大多數(shù)中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選。

2.1.1 IR2110的工作原理

電平平移、邏輯輸入、輸出保護(hù)等特點(diǎn)是組成驅(qū)動(dòng)芯片IR2110 內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)的三個(gè)主要部分[2]。系統(tǒng)電路搭建設(shè)計(jì)部分之所以能避免許多麻煩，正是基于IR2110 驅(qū)動(dòng)芯片的諸多優(yōu)點(diǎn)。比如在高位電壓懸浮自舉電源電路的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，就是通過了一組電源對(duì)上下端口之間的有效控制，從而盡可能多地控制了額外使用驅(qū)動(dòng)電源的個(gè)數(shù)。

高端側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路的自舉原理簡單分析：IR2110驅(qū)動(dòng)芯片中的驅(qū)動(dòng)半橋電路如圖2 所示[3]。圖中可知C1、VD1 分別表示自舉電容和自舉二極管，C2 是供電電壓Vcc 的濾波電容。

首先假設(shè)S1 處于關(guān)斷時(shí)，自舉電容C1 所能承受的電壓已達(dá)到飽和狀態(tài)，即VC1 ≈ Vcc。當(dāng)HIN 處于高電平狀態(tài)時(shí)，其中VM1 開通、VM2 關(guān)斷，VC1 電壓加于S1 柵極和源射極之間。那么此時(shí)，自舉電容C1 經(jīng)由Rg1、VM1、柵極和源極部分構(gòu)成了一個(gè)回路來進(jìn)行放電，可以把VC1 等同于電壓源，進(jìn)而觸發(fā)S1 開通。然而已知HIN、LIN 之間的信號(hào)是互補(bǔ)輸入的，當(dāng)LIN 為低電平時(shí)，VM3關(guān)斷，VM4 導(dǎo)通， 此時(shí)電荷在S2 柵極以及源極的芯片內(nèi)部急速地通過Rg2對(duì)地釋放電能。此時(shí)受到死區(qū)時(shí)間波及，促使S2 在S1 導(dǎo)通之前就關(guān)斷了^[3]。

圖2 IR2110內(nèi)部工作原理圖

在HIN 位于低電平狀態(tài)時(shí)，VM1 關(guān)斷、VM2 開通，此時(shí)S1 柵極內(nèi)的電荷會(huì)經(jīng)Rg1、VM2 迅速被釋放掉，從而觸發(fā)S1 關(guān)斷。經(jīng)過片刻的死區(qū)時(shí)間（td）之后，LIN 變成高電平，從而使S2 達(dá)到開通狀態(tài)，供電電壓Vcc 通過S2、VD1 給自舉電容C1 充電，以此急速地給自舉電容C1 增加電能。如此反復(fù)循環(huán)。

2.1.2 IR2110逆變電路

IR2110 逆變原理圖如圖3 中所示，U3、U4 是兩塊IR2110 驅(qū)動(dòng)芯片，Q1、Q2、Q3、Q4 分別為4 個(gè)MOS管，Ua、Ub 和Va、Vb 分別為PIC16F716 單片機(jī)輸出到驅(qū)動(dòng)芯片引腳的兩相四路PWM 波，由圖可知Ua、Ub 為一相PWM 波中的上下臂，Va、Vb 則為另外一相PWM 波中的上下臂，由于PIC16F716 單片機(jī)觸發(fā)輸出到驅(qū)動(dòng)芯片部分的PWM 波達(dá)不到驅(qū)動(dòng)大功率MOS 管的能力，那么只有通過IR2110 中的電容自舉功能的特點(diǎn)，分別由二極管D9、D15（采用肖基特管所具有的快恢復(fù)功能，提升電容充電電壓，關(guān)斷過程減少消耗能量）對(duì)自舉電容C11、C12、C16、C17 來充電，以此達(dá)到提高驅(qū)動(dòng)MOS 管的信號(hào)端電壓，以便其擁有增加信號(hào)端輸出的功能，所以增加后的信號(hào)PWM 波就能持續(xù)地控制MOS 管Q1、Q2、Q3、Q4 的開通以及關(guān)斷。此外驅(qū)動(dòng)信號(hào)在逆變電路中同相位的上下臂之間是互補(bǔ)的^[4]。

圖3 IR2110逆變原理圖

由圖3 可知，當(dāng)Ua 處于高電平狀態(tài)時(shí)，那么輸出端HO1 同為高電平狀態(tài)，以此可以由IR2110 芯片的電容自舉功能，來控制MOS 管Q1 開通。與此同時(shí)，因?yàn)檩敵龆薒O1 為低電平，達(dá)不到驅(qū)動(dòng)MOS 管Q4 的能力，則MOS 管Q4 處于關(guān)斷的狀態(tài)。在同一時(shí)刻，給Vb 也輸入一個(gè)高電平，即輸出端LO2 是高電平狀態(tài)，那么使MOS 管Q3 處于導(dǎo)通狀態(tài)，而Q2 此時(shí)是關(guān)段狀態(tài)。所以由HO1 → Q1 → P2 → Q3 → GND 就構(gòu)成了一條通路。反而言之，當(dāng)Ua、Vb 處于低電平狀態(tài)，而Ub、Va 為高電平狀態(tài)，此時(shí)的電流流向變?yōu)橛蒆O₂ → Q2 → P2 → Q4 → GND 的一條通路，其中的開關(guān)器件（4 個(gè)MOS 管）有序地交替開通以及關(guān)斷，從而導(dǎo)致在P2（負(fù)載端）位置形成了交流電。由于在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)發(fā)生芯片的上下臂間同時(shí)導(dǎo)通而引起的短路，所以在軟件設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中，額外添加了死區(qū)時(shí)間來防止短路現(xiàn)象，以此來保護(hù)整個(gè)電路正常運(yùn)行^[5]。

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)

美國Microchip( 微芯) 公司生產(chǎn)的PIC 系列單片機(jī)具有集成外圍模塊多、性能方面穩(wěn)定、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、功耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以本文選取PIC16F716 單片機(jī)作為逆變器的主控制器部分[5]。因?yàn)镻IC16F716 單片機(jī)不用額外附加A/D（模擬/ 數(shù)字）轉(zhuǎn)換器件，而且自帶4 個(gè)8 位A/D 轉(zhuǎn)換通道，所以這些特點(diǎn)就大為節(jié)省了電路設(shè)計(jì)的成本[4-6]。與此同時(shí)，PIC16F716 單片機(jī)中內(nèi)置上電延時(shí)定時(shí)器（DWRT）、雙閥值欠壓復(fù)位電路、可編程代碼保護(hù)、上電復(fù)位電路（POR）、看門狗定時(shí)器（WDT）、振蕩器起振定時(shí)器（OST）、帶片內(nèi)RC振蕩器、在線串行編程（ICSP）等。這些功能特點(diǎn)可以降低電路器件的成本、減少單片機(jī)外部器件的數(shù)量，從而可以盡可能多地減少整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備尺寸大小，在實(shí)際應(yīng)用中擁有很強(qiáng)的成本優(yōu)勢^[6]。

PIC16F716 單片機(jī)[9] 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是采用半橋輸出配置以及增強(qiáng)型PWM 模式( 即單片機(jī)可以供給由P1A 一直到P1D 的四路輸出)，大多數(shù)情況下可以在半橋輸出模式中把兩個(gè)引腳作為輸出驅(qū)動(dòng)的推拉式負(fù)載使用。圖4 是PIC16F716 單片機(jī)小系統(tǒng)外圍電路的引腳圖，其中半橋臂通常由RB1 與RB2 掌控( 通常為了避免在半橋輸出模式時(shí)大功率器件發(fā)生直通現(xiàn)象，用可編程死區(qū)以達(dá)到延時(shí)的目的)，RB5/P1B 引腳是PWM 波輸出信號(hào)，RB3/CCP1/P1A 引腳則是互補(bǔ)的PWM 波輸出信號(hào)。此外，輸出信號(hào)是由IR2110 芯片來驅(qū)動(dòng)的^[6-8]。

圖4 PIC16F716外圍電路圖

2.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

本文逆變電源設(shè)計(jì)中有保護(hù)電路，如圖5 所示。當(dāng)逆變輸出電流超過2.5 A 時(shí)，過流電流ACK 大于4.5 V，SPWM芯片檢測到ACK大于2.5 V時(shí)，則進(jìn)入逆變保護(hù)，LED_P 燈閃爍。反之，LED_L 燈閃爍。輸出濾波電路選用LC 電路，設(shè)計(jì)中參數(shù)L = 1 mH，C = 3 uF，截止頻率2.5 KHz。

3   系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PWM波的實(shí)現(xiàn)原理

本文利用PIC16F716 單片機(jī)中自帶的增強(qiáng)型捕捉/比較/PWM 模塊（ 以下簡稱ECCP 模塊） 就可快速實(shí)現(xiàn)兩路輸出互補(bǔ)對(duì)稱的PWM 波^[8]。只要正確設(shè)置ECCP 模塊的工作模式中寄存器CCP1CON、周期寄存器PR2、脈寬寄存器CCPR1L 這三個(gè)部分的值即可產(chǎn)生所需要的PWM 波。此模塊的工作模式有全橋、半橋等多種工作模式，本次軟件設(shè)計(jì)采用的是半橋模式，信號(hào)極性設(shè)為高電平有效。在半橋輸出模式下，有兩個(gè)引腳用作輸出驅(qū)動(dòng)推拉式負(fù)載，RB3 引腳輸出PWM 輸出信號(hào)，RB5 引腳輸出互補(bǔ)的PWM 直通輸出信號(hào)。此外，可編程死區(qū)延時(shí)可以在半橋輸出模式的情況下來避免半橋電路中現(xiàn)象。

圖5 逆變保護(hù)電路

3.2 參數(shù)計(jì)算與配置

產(chǎn)生PWM 波，需要確定兩個(gè)參數(shù)：一個(gè)是PWM波的周期T；一個(gè)是PWM 波的脈沖寬度Twidth 。設(shè)計(jì)要求為PWM波的頻率為50 Hz，占空比為30%。據(jù)此可計(jì)算出：周期  ；脈寬Twidth = 20 msX30% = 6 ms；那么，可根據(jù)相應(yīng)的公式可計(jì)算出周期寄存器PR2 初始值，脈寬寄存器CCPR1L 初始值。關(guān)鍵程序代碼如下：

// 設(shè)置工作模式為PWM 模式CCP1CON = 0B10001100;

// 死區(qū)控制設(shè)置PWM1CON = 0X01;

// 設(shè)置TMR2 工作模式T2CON = 0X00;

// 設(shè)置對(duì)稱脈沖周期參數(shù)PR2 = g_Period;

// 設(shè)置脈沖寬度值CCPR1L = g_DutyWidth;

// 關(guān)閉T2 中斷TMR2IE = 0;

// 啟動(dòng)T2 定時(shí)器TMR2ON = 1;

3.3 程序?qū)嶒?yàn)結(jié)果

將程序下載至單片機(jī)后通電測試，用雙蹤示波器測得RB3 和RB5 的輸出波形，如圖6 所示，從圖中可以觀察得知信號(hào)的大小和方向隨時(shí)間做周期性變化，滿足逆變后標(biāo)準(zhǔn)的交流信號(hào)的特點(diǎn)，結(jié)果符合逆變電路要求。

4   結(jié)論

本文通過逆變電路原理結(jié)合單片機(jī)技術(shù)最終完成了基于SPWM 技術(shù)的獨(dú)立逆變電源的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，通過采用軟件編程實(shí)現(xiàn)SPWM 波序列的輸出，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)控制芯片PIC16F716 的PWM 模塊輸出功能^[9]。

本文逆變電路采用了全橋電路設(shè)計(jì)，在全橋逆變過程中，利用了Microchip 公司的PIC16F716 芯片為基礎(chǔ)完成SPWM 專用芯片的設(shè)計(jì)，不僅簡化了系統(tǒng)電路，更提高了電路效率，實(shí)現(xiàn)了電路結(jié)構(gòu)的高頻化、小型化。整流逆變器實(shí)物圖如圖7 所示。

圖7 整流逆變器

參考文獻(xiàn)：

[1] 魏巍,王興蔚,龔軍勇,等.逆變電源中自舉供電驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].磁性材料及器件,2013,44(06):63-66.

[2] 周成虎.礦用大功率逆變電源電路的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)電,2013(05):33-35.

[3] 盧旭錦,王永強(qiáng).基于ATmega8單片機(jī)控制的正弦波逆變電源[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(08):149-152.

[4] 王大貴,潘文勝.基于SG3525A和IR2110的高頻逆變電源設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2006(11):120-122.

[5] 廖家平,袁兆梅,張治國.基于單片機(jī)PWM控制逆變電源的設(shè)計(jì)[J].中國水運(yùn)(理論版),2006(05):172-173.

[6] 楊蔭福,李勛,何湘平.IR2110在2kW、400Hz IGBT逆變電源中的應(yīng)用[J].船電技術(shù),1999(04):1-5.

[7] 王議鋒,崔玉璐,馬小勇,等.一種交錯(cuò)并聯(lián)雙Buck全橋型雙向并網(wǎng)逆變器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2019,34(21):4529-4539.

[8] 張豐年.100kW感應(yīng)加熱軟開關(guān)逆變器設(shè)計(jì)[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2019.

[9] 周君民.小型垂直軸風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變器的研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2019.

[10] 楊立永,王元,劉碩.雙頻雙模并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法研究[J].電力電子技術(shù),2019,53(01):30-33.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）