此时的uo=-Ud。
这两种调制方式中，双极性调制的实现简单，缺点是四个开关管都处在高频的工作状态，开关的损耗较大，电路可靠性降价。
单极性调制时一个桥臂为低频状态，另一个为高频状态，因此，开关管的导通损耗较低。
降低了制作成本。
本次设计采用单极性调制方式。
2.2系统的硬件结构
逆变电源实现直流电转换为交流电的过程可以分为三个步骤。
第一步是通过震荡电路将直流电变为交流电。
第二步是将得到的交流电通过变压器进行升压，此时输出波形为一个高压的方波，也就是方波逆变电源的波形。
第三步是将升压后的交流电进行整流，得到一个正弦波波形的交流输出。
本设计是基于单片机的正弦波输出逆变电源，根据实现功能和逆变电源的转换流程。
系统的硬件可分为几大模块：
主控制器，DC-DC驱动模块，DC-AC模块，保护模块，显示模块。
系统的硬件结构框图如图2-7所示。
图2-7逆变电源系统框图
主控制器采用单片机STC12C5410AD。
主要实现的功能是根据反馈输出电压、电流输出到液晶显示上显示。
通过系统自带PCA模块，来对比寄存器的值，采用模拟脉宽调制法，控制端口输出正弦调制波即产生SPWM驱动。
DC-DC驱动模块是利用经过PWM调制波将直流低压高频逆变为高频的方波。
输出的高频方波经过整流滤波后转换为400V左右的直流电，给整个逆变电源提供足够的功率。
DC-AC模块是利用主控制器产生的SPWM纯正弦波调制到DC-DC电路产生的400V直流上，最终将这个直流电转换成220V，50Hz的的交流电。
保护模块主要有温度控制、输出保护、输入保护等。
实现的功能包括根据采集到的温度控制散热风扇。
如果输入电压过低，表示蓄电池电量不足，停止转换，保护蓄电池。
当输入电压过高时，切断输入，防止烧坏芯片。
当输入正负接反时，切断电源输入，保护后级电路。
输出短路时，自动停止逆变转换。
当短路恢复后，自动恢复逆变转换。
负载功率过高时，停止逆变转换。
显示与告警模块有三部分。
一是液晶显示屏，二是发光二极管，三是蜂鸣器。
液晶屏可以显示输出的电压，电流，频率等信息。
发光二极管用于指示电源的工作状态，保护状态的提示等。
蜂鸣器是当发生短路、过载、输入过低或过高时发出蜂鸣声告知用户。
2.3系统的软件设计
根据设计要求，单片机程序主要实现的功能有：
产生SPWM波形，接收来自反馈网络的信号，控制显示模块显示相关信息等。
程序流程图如图所示。
图2-8系统程序流程图
3系统的硬件设计
3.1主控制器
本次设计采用的主控制器是单片机STC12C5410AD。
STC12C5410AD是宏晶公司生产的单时钟单片机，指令与8051系列完全兼容，但速度却快了近10倍。
拥有10K的程序存储空间和512B的数据存储空间。
拥有高速运算、超低功耗、超强抗干扰的性能。
每个IO口、电源引脚、晶振引脚、复位引脚都经过特殊的处理，对VCC和GND加入了二极管箝位保护，可以有效的防止干扰经过这些接口进入到单片机内部。
自带看门狗电路，无需外置看门狗芯片，减小系统的体积和成本。
内部集成了复位专用的MAX810电路，使得复位电路的设计更加方便。
集成了4路可编程的PWM模块电路，使得通过编程来产生SPWM波形，最终调制出50Hz的交流电。
集成了8路的高速10位AD转换模块，利用这些模块可以转换出反馈的交流电压和电流。
单片机最小系统如图3-1所示。
图3-1单片机最小系统
3.2DC-DC模块
该模块的作用是将输入的12V直流电，低压直流电经过高频PWM脉冲调制，控制开关管的关断与闭合，输出一个低压的交流电。
该电压输入到高频变压器的低压端，变压器的高压端输出一个400V左右的交流电。
将该电压经过整流后输出一个400V左右的高压直流电，该电压供给下一级使用。
根据该模块的功能，可以将该模块分为三个部分来设计。
第一部分是调制PWM脉冲的产生。
第二部分是变压器的设计。
第三部分是输出电压的整流。
3.2.1PWM脉冲产生电路
本次设计PWM脉冲产生采用的芯片是定频PWM芯片SG3525。
内部结构如图3-2所示。
图3-2SG3525内部结构图
芯片的1脚为反相输入端，2脚为同相的输入端，这两个管脚连接的是芯片内直流开环增益为70db的两级差分误差放大器。
芯片的5脚、6脚、7脚内的电路组成了SG3525内部振荡器。
这三个引脚内部的比较器和电容充放电电路加上外接的电阻电容电路便可组成振荡器。
芯片的3脚为振荡器的外部同步输入端。
5脚外接电容CT，6脚外接电阻RT。
振荡器的频率的计算公司如下。
f=
振荡器的产生的输出分为两路，一路送入双稳态触发器，输出方式为时钟脉冲的形式；另一路送至入比较器的同相输入端，输入方式为以锯齿波的形式。
误差放大器输出的数据送入比较器的反相输入端。
比较器根据输入的锯齿波和误差放大器的输出进行比较。
输出一个方波，该方波的宽度随着误差放大器的输出电压高低而改变。
该方波脉冲送入或非门其中一个输入端，另两个输入端为双稳态触发器和振荡锯齿波。
双稳态触发器是两个输出互补的波形，高低电平交替输出。
产生的PWM脉冲送至放大管VT1、VT2的基极。
锯齿波可以保证VT1和VT2不会同时导通，控制了死区时间。
VT1和VT2输出PWM波，其相位差180°。
芯片9脚和1脚之间需要连接反馈补偿网络使输出的波形更加正确。
由于PWM产生电路属于高频电路，与后级电路存在相互干扰的可能性。
因此将PWM产生电路单独设计，通过插接方式来连接。
设计的部分电路如图3-3所示。
图3-3PWM产生电路图
3.2.2变压器的设计
高频变压器作为逆变电源DC-DC模块中的核心器件，它的主要参数和性能指标直接决定整个逆变电源的优劣。
高频变压器磁化特性曲线工作在第一和第三象限。
磁通变化范围较大，可以从-Bm到+Bm。
因此，它属于对称式变压器。
本次设计采用的E55铁氧体磁芯变压器。
关于变压器的参数计算，主要有以下几项。
（1）功率容量
EE55的心柱截面积Ae为3.515平方厘米。
窗口面积Aq为3.9平方厘米。
功率容量的计算为AP=Ae*Aq=13.7。
（2）原边绕组匝数
原边绕组匝数NP的计算公式如下。
NP=（VI/2）*10/（4*f*Bm*Ae）=（310/2）*10/（4*80000*0.15*3.5）=10.1
NP取整数10匝。
（3）副边绕组匝数
根据原副边绕组匝数比公式NP/NS=VINMIN/（2XVOP），可以计算出原副边绕组的匝数比为1：
6。
则副边绕组的匝数为60匝。
绕制步骤为。
（1）先绕1/2次级绕组（高压部分）
使用高温胶带在磁芯的骨架上粘一圈，可以防止导线打滑。
用一根0.93线绕30圈左右，可以绕一层为准。
采用高温胶带将次级绕组的外面包三层。
（2）初级绕组（低压部分）
低压绕组分两层。
绕制示意图如图3-4所示。
图3-4绕制示意图
先用5根0.93线绕两圈，如图中红色。
线中间留空隙。
在空隙处用另5根线绕两圈，如蓝线。
两根线的长度约37厘米。
采用同样方法，绕第二层。
两层中间采用高温胶带隔离。
相当于10匝。
（3）另外1/2的次级绕组
按照步骤1的方法，采用同样的绕向绕完剩下的1/2。
采用高温胶带包三层左右。
（4）焊接引线
绕组绕完后，将留出的线头，采用焊接在骨架上。
并将线头去漆上锡。
3.3.3输出整流电路的设计
输出整流采用的是快速二极管SBYV26C组成的桥式整流电路。
输出经过一个100uf/400V的电容滤波处理。
经过滤波后输出一个400V的直流电。
供给下一级使用。
PWM产生电路产生的两路PWM波P1和P2后，经过开关管的调制为交流电后，经过高频变压器，输出高频高压，经过四个二极管来整流。
设计的电路如图3-5所示。
图3-5DC-DC输出电路原理图
3.3DC-AC模块
逆变电源实现的主要功能便是直流到交流的转换，而该模块实现的主要功能便是直流到交流的转换。
因此，该模块是是整个系统中最重要的组成部分。
是整个逆变电源的灵魂，起主导地位。
逆变电源的性能很大程序取决于该模块的性能。
该模块的转换原理是将DC-DC模块得到的400V直流电通过SPWM波形调制成220V，50Hz的交流电。
然后通过LC滤波电路滤除其它杂波，使输出波形更加完美。
因此，该模块电路可以分为三部分。
第一部分是驱动单片机产生的SPWM波形。
第二部分是将接在400V直流电的开关管按SPWM波形闭合与断开。
第三部分是对开关管的输出的波形进行滤波。
详细介绍如下。
3.3.1SPWM波驱动隔离
单片机直接输出的功率较小，而且容易受到后级功率型开关器件的干扰，从而引发灾难性的后果。
因此，两部分电路的连接需要采用隔离驱动的方式。
常用隔离驱动有两种方式，一种是光电隔离，一种是电磁驱动。
光电隔离采用用的主要器件为光耦。
光耦的优点是体积小，结构简单，缺点是传输速度较慢。
电磁隔离常用的器件是脉冲变压器。
它的优点是响应的速度快，比光电隔离拥有较强的共模抑制比。
但缺点是体积大，加工复杂，对传输信号有一定的要求。
比如占空比不能超过50%，能传输的信号最小宽度较小。
本次设计采用的是IR2110S作为驱动器件。
IR2110S是美国IR公司生产的封装为SO16的芯片，兼有体积小和速度快两个优点。
IR2110S采用闩锁和HVIC的CMOS制造工艺的贴片封装，具有很强的抗干扰能力。
低端和高端输入通道相互独立，互不干扰。
悬浮电源采用的是自举电路，可以实现高端工作电压在500V。
逻辑电源电压范围在5到15V，因此可以与单片机的TTL电平匹配。
最高工作频率可以为500KHz。
开通、关断的延迟只有120ns和94ns。
IR2110S的内部结构框图如图3-6所示。
图3-6IR2110S内部结构框图
IR2110S的管脚如表3-1所示。
引脚
名称
功能
1
LO
低端输出
2
COM
公共端
3
VCC
电源电压（低端固定）
4
NC
无效端
5
NC
无效端
6
Vs
电源偏移电压（高端浮置）
7
VB
电源电压（高端浮置）
8
HO
输出（高端）
9
NC
无效端
10
NC
无效端
11
VDD
逻辑电源电压（逻辑）
12
HIN
逻辑高端输入
13
SD
关断
14
LIN
逻辑低端输入Vss
15
Vss
逻辑地
16
NC
无效端
表3-1IR2110S引脚
逻辑电路地根据芯片的结构和管脚设计的电路原理图如图3-7所示。
图3-7驱动隔离原理图
单片机输出的四路SPWM波输入到IR2110S的HIN和LIN。
C23、C24、C30和C31为芯片电源的滤波电容。
C22、C29为自举电容，D4、D21为自举二极管。
开关管在导通时，需要在很小的时间内存储足够的栅电荷供给门极。
开关管在开通后，自举电容两端的电压为10V，开关管充分导通的所需电压为8.3V。
自举电容充电时，两端的压降在1.5V左右。
开关管栅极泄漏压降约有1/2左右。
综合这些条件，自举电容容量选择公式为C1>2Qg/（VCC－10－1.5）。
经过计算，本次设计的自举电容为100uf/35V。
自举二极管是组成自举电路的重要的自举器件，主要作用是阻断直流干线上的高压。
自举二极管所需承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。
本次设计采用的自举二极管为恢复二极管FM1S。
该二极管拥有较小的反向漏电流，可以有效的减小电荷损失。
3.3.2开关电路的设计
本次设计中开关管的输入电压在400V左右，输出功率在300W以上。
因此必须使用功率足够的功率开关管。
本次设计采用的是IRF840作为开关管。
IRF840的最大漏源电压在500V，漏极电流为8A左右，足以满足本次设计的要求。
设计的电路如图3-8所示。
图3-8开关电路原理图
开关管的控制信号为IR2110S隔离后的SPWM正弦波，输入电压为400V左右的直流电，经过SPWM波形调制后，输出220V，50Hz的正弦波交流电。
经过后级的LC滤波电路后，使输出波形的更加纯净。
3.3.3LC滤波电路设计
为了滤除开关管输出的交流电中高频成分，以及增强电源的EMI特性。
设计了一个LC滤波电路。
电路原理图如图3-9所示。
图3-9LC滤波电路
L1采用的是磁环绕制导线而成的差模电感。
磁环为直径40MM的铁硅铝材料制作。
采用1.18的线在磁环上绕90圈左右，使用的线长在4.5米左右。
磁环的导磁率为125，电感量为1.5mH，导磁率为60。
绕制时分两层，第一层为45圈，内圈的线紧密绕制，外圈线的每圈留有一个空隙。
第二层为45圈，内圈叠在第一层线上，外圈嵌在第一层的空隙中。
3.4保护模块
3.4.1温度保护
本设计有两路温度控制电路。
一个是当温度超过一定值时开启散热风扇。
另一个是作为DC-DC模块的温度补偿模块，当温度过高时
升级会员 