DC24V 三相逆变模块的设计思路

总体设计思路

整个逆变器系统主要分为前级 LLC 谐振变换器和后级三相四桥臂逆变器两部分。前级 LLC 谐振变换器将 24V 直流电压升压并进行闭环控制以稳定输出电压，后级三相四桥臂逆变器将前级输出的直流电压逆变为 380V 50Hz 的三相交流电。

前级 LLC 闭环设计

硬件设计

LLC 谐振电路：

由谐振电感 L r、谐振电容 C r和励磁电感 L m组成，通过开关管的高频切换实现谐振，将 24V 直流电压升压。

开关管驱动电路：选用合适的 MOSFET 作为开关管，并设计驱动电路来驱动 MOSFET 的导通和截止。可使用专用的驱动芯片，如 IR2110。

输出电压采样电路：采用电阻分压电路对 LLC 变换器的输出电压进行采样，以便后续的闭环控制。

控制电路：可选用微控制器（如 STM32 系列）作为控制核心，通过 PWM 信号控制开关管的导通和截止时间，实现 LLC 变换器的闭环控制。

软件设计

以下是一个简化的 LLC 闭环控制代码示例（以 STM32 为例）：

c

#include "stm32fxxx.h"

// 定义 PWM 频率和周期

#define PWM_FREQUENCY 100000  // 100kHz

#define PWM_PERIOD (SystemCoreClock / PWM_FREQUENCY)

// 定义目标输出电压

#define TARGET_VOLTAGE 400    // 假设 LLC 输出目标电压为 400V

// 电压采样函数

uint16_t read_output_voltage(void) {

    // 模拟读取 ADC 采样值

    // 实际应用中需要根据硬件电路进行 ADC 配置和读取

    return 0; 

}

// 闭环控制函数

void llc_closed_loop_control(void) {

    uint16_t current_voltage = read_output_voltage();

    int error = TARGET_VOLTAGE - current_voltage;

    // 简单的 PI 控制算法

    static int integral = 0;

    integral += error;

    int pwm_duty_cycle = 50 + (error * 0.1 + integral * 0.01);  // 简单的比例积分控制

    // 限制 PWM 占空比范围

    if (pwm_duty_cycle < 10) pwm_duty_cycle = 10;

    if (pwm_duty_cycle > 90) pwm_duty_cycle = 90;

    // 设置 PWM 占空比

    TIMx->CCR1 = (pwm_duty_cycle * PWM_PERIOD) / 100;

}

int main(void) {

    // 初始化 GPIO、TIM、ADC 等外设

    // ...

    while (1) {

        llc_closed_loop_control();

        // 适当延时

        delay_ms(1);

    }

}

后级三相四桥臂设计

硬件设计

三相四桥臂逆变电路：由四个桥臂组成，每个桥臂包含两个功率开关管（如 IGBT），通过控制开关管的导通和截止顺序，将前级输出的直流电压逆变为三相交流电。

驱动电路：为 IGBT 提供合适的驱动信号，可使用专用的 IGBT 驱动芯片，如 M57962L。

滤波电路：采用 LC 滤波器对逆变后的三相交流电进行滤波，以降低谐波含量，得到更平滑的正弦波。

软件设计

以下是一个简化的三相四桥臂逆变器控制代码示例（以 STM32 为例）：

c

#include "stm32fxxx.h"

// 定义 PWM 频率和周期

#define PWM_FREQUENCY 10000  // 10kHz

#define PWM_PERIOD (SystemCoreClock / PWM_FREQUENCY)

// 定义三相电压幅值

#define VOLTAGE_AMPLITUDE 380

// 计算三相正弦波的占空比

void calculate_three_phase_duty_cycle(uint16_t *duty_cycle_a, uint16_t *duty_cycle_b, uint16_t *duty_cycle_c, uint32_t angle) {

    float sin_a = sinf(angle * 2 * PI / 360);

    float sin_b = sinf((angle + 120) * 2 * PI / 360);

    float sin_c = sinf((angle + 240) * 2 * PI / 360);

    *duty_cycle_a = (sin_a + 1) * PWM_PERIOD / 2;

    *duty_cycle_b = (sin_b + 1) * PWM_PERIOD / 2;

    *duty_cycle_c = (sin_c + 1) * PWM_PERIOD / 2;

}

int main(void) {

    // 初始化 GPIO、TIM 等外设

    // ...

    uint32_t angle = 0;

    uint16_t duty_cycle_a, duty_cycle_b, duty_cycle_c;

    while (1) {

        calculate_three_phase_duty_cycle(&duty_cycle_a, &duty_cycle_b, &duty_cycle_c, angle);

        // 设置三相 PWM 占空比

        TIMx->CCR1 = duty_cycle_a;

        TIMx->CCR2 = duty_cycle_b;

        TIMx->CCR3 = duty_cycle_c;

        // 更新角度

        angle = (angle + 1) % 360;

        // 适当延时

        delay_ms(1);

    }

}

注意事项

功率器件选型：根据逆变器的功率需求，合理选择 MOSFET、IGBT 等功率器件，并考虑其耐压、电流等参数。

散热设计：由于功率器件在工作过程中会产生热量，需要设计良好的散热系统，确保器件工作在安全温度范围内。

保护电路设计：添加过流、过压、欠压、过热等保护电路，提高逆变器的可靠性和安全性。

电磁兼容性（EMC）设计：采取合适的滤波、屏蔽等措施，减少逆变器对周围电子设备的电磁干扰。

以上设计仅为一个基本框架，实际应用中需要根据具体需求进行详细的电路设计、参数计算和调试。