基于IR2110的打印机高频逆变器的设计与实现*

*基金项目：湖南生物机电职业技术学院科学研究项目（20YX30）。

当今社会，开关电源等方面的技术已经在电力电子应用及各种电源系统部分处于重要位置。随着高频开关电源技术的不断发展，其不仅改变了传统电路庞大又笨重的外观结构缺点，而且极大地为电源部分电能的回收利用效率做出卓越贡献，既节省了材料，又降低了成本。逆变技术的研究对工业技术的发展和人民生活水平的提高都具有重大的意义^[1]。

由电力电子技术的发展来看，逆变器是较早采用的一种DC/AC （直流/ 交流）变换装置，逆变器是把直流电能转变成交流电能，一般由逆变桥、滤波电路及控制逻辑等部分组成。逆变器广泛适用于家庭电器设备中。根据市场发展趋势的需要，逆变器的造型安装越来越倾向于小型化、智能化、模块化等方向发展^[2]。

1   系统设计方案

本文设计的逆变器小系统首先通过工频220 V 电压输入接线柱后由降压变压器输出24 V 交流电压，输出的24 V 交流电压经过单相桥式整流电路、两块稳压电路及若干二极管滤波后，输出两路稳定的直流电压（15 V 和5 V）为单片机及驱动芯片供电^[2]。同时，在线串行编程写入程序到单片机后产生的PWM（脉冲宽度调制）波触发两块驱动芯片产生两相四路PWM 波，两相四路的PWM 波分别产生互补的高通与低通信号分别驱动相应的MOS（MOSFET 的缩写，金属氧化物半导体场效应晶体管）管后形成电压型全桥逆变电路。最后，在负载处可以检测到产生的互补矩形波，输出电压220 V、50 Hz 交流电压，最大输出电流2.5 A，最大输出功率不低于100 W。如上即完成整个逆变过程，系统设计框图如图1 所示。

图1 系统设计方案

2   系统硬件设计

2.1 驱动芯片IR2110

IR2110 驱动芯片由美国国际整流器公司（现已被英飞凌公司收购）生产^[2]，具有光耦隔离和电磁隔离等特性，因其体积小、速度快等优点，成为大多数中小功率变换装置中驱动器件的首选。

2.1.1 IR2110的工作原理

电平平移、逻辑输入、输出保护等特点是组成驱动芯片IR2110 内部功能结构的三个主要部分[2]。系统电路搭建设计部分之所以能避免许多麻烦，正是基于IR2110 驱动芯片的诸多优点。比如在高位电压悬浮自举电源电路的设计环节，就是通过了一组电源对上下端口之间的有效控制，从而尽可能多地控制了额外使用驱动电源的个数。

高端侧悬浮驱动电路的自举原理简单分析：IR2110驱动芯片中的驱动半桥电路如图2 所示[3]。图中可知C1、VD1 分别表示自举电容和自举二极管，C2 是供电电压Vcc 的滤波电容。

首先假设S1 处于关断时，自举电容C1 所能承受的电压已达到饱和状态，即VC1 ≈ Vcc。当HIN 处于高电平状态时，其中VM1 开通、VM2 关断，VC1 电压加于S1 栅极和源射极之间。那么此时，自举电容C1 经由Rg1、VM1、栅极和源极部分构成了一个回路来进行放电，可以把VC1 等同于电压源，进而触发S1 开通。然而已知HIN、LIN 之间的信号是互补输入的，当LIN 为低电平时，VM3关断，VM4 导通， 此时电荷在S2 栅极以及源极的芯片内部急速地通过Rg2对地释放电能。此时受到死区时间波及，促使S2 在S1 导通之前就关断了^[3]。

图2 IR2110内部工作原理图

在HIN 位于低电平状态时，VM1 关断、VM2 开通，此时S1 栅极内的电荷会经Rg1、VM2 迅速被释放掉，从而触发S1 关断。经过片刻的死区时间（td）之后，LIN 变成高电平，从而使S2 达到开通状态，供电电压Vcc 通过S2、VD1 给自举电容C1 充电，以此急速地给自举电容C1 增加电能。如此反复循环。

2.1.2 IR2110逆变电路

IR2110 逆变原理图如图3 中所示，U3、U4 是两块IR2110 驱动芯片，Q1、Q2、Q3、Q4 分别为4 个MOS管，Ua、Ub 和Va、Vb 分别为PIC16F716 单片机输出到驱动芯片引脚的两相四路PWM 波，由图可知Ua、Ub 为一相PWM 波中的上下臂，Va、Vb 则为另外一相PWM 波中的上下臂，由于PIC16F716 单片机触发输出到驱动芯片部分的PWM 波达不到驱动大功率MOS 管的能力，那么只有通过IR2110 中的电容自举功能的特点，分别由二极管D9、D15（采用肖基特管所具有的快恢复功能，提升电容充电电压，关断过程减少消耗能量）对自举电容C11、C12、C16、C17 来充电，以此达到提高驱动MOS 管的信号端电压，以便其拥有增加信号端输出的功能，所以增加后的信号PWM 波就能持续地控制MOS 管Q1、Q2、Q3、Q4 的开通以及关断。此外驱动信号在逆变电路中同相位的上下臂之间是互补的^[4]。

图3 IR2110逆变原理图

由图3 可知，当Ua 处于高电平状态时，那么输出端HO1 同为高电平状态，以此可以由IR2110 芯片的电容自举功能，来控制MOS 管Q1 开通。与此同时，因为输出端LO1 为低电平，达不到驱动MOS 管Q4 的能力，则MOS 管Q4 处于关断的状态。在同一时刻，给Vb 也输入一个高电平，即输出端LO2 是高电平状态，那么使MOS 管Q3 处于导通状态，而Q2 此时是关段状态。所以由HO1 → Q1 → P2 → Q3 → GND 就构成了一条通路。反而言之，当Ua、Vb 处于低电平状态，而Ub、Va 为高电平状态，此时的电流流向变为由HO₂ → Q2 → P2 → Q4 → GND 的一条通路，其中的开关器件（4 个MOS 管）有序地交替开通以及关断，从而导致在P2（负载端）位置形成了交流电。由于在实际应用中经常会发生芯片的上下臂间同时导通而引起的短路，所以在软件设计的环节中，额外添加了死区时间来防止短路现象，以此来保护整个电路正常运行^[5]。

2.2 单片机系统

美国Microchip( 微芯) 公司生产的PIC 系列单片机具有集成外围模块多、性能方面稳定、硬件系统设计简单、功耗低等诸多优点，所以本文选取PIC16F716 单片机作为逆变器的主控制器部分[5]。因为PIC16F716 单片机不用额外附加A/D（模拟/ 数字）转换器件，而且自带4 个8 位A/D 转换通道，所以这些特点就大为节省了电路设计的成本[4-6]。与此同时，PIC16F716 单片机中内置上电延时定时器（DWRT）、双阀值欠压复位电路、可编程代码保护、上电复位电路（POR）、看门狗定时器（WDT）、振荡器起振定时器（OST）、带片内RC振荡器、在线串行编程（ICSP）等。这些功能特点可以降低电路器件的成本、减少单片机外部器件的数量，从而可以尽可能多地减少整个系统设备尺寸大小，在实际应用中拥有很强的成本优势^[6]。

PIC16F716 单片机[9] 在本系统设计中是采用半桥输出配置以及增强型PWM 模式( 即单片机可以供给由P1A 一直到P1D 的四路输出)，大多数情况下可以在半桥输出模式中把两个引脚作为输出驱动的推拉式负载使用。图4 是PIC16F716 单片机小系统外围电路的引脚图，其中半桥臂通常由RB1 与RB2 掌控( 通常为了避免在半桥输出模式时大功率器件发生直通现象，用可编程死区以达到延时的目的)，RB5/P1B 引脚是PWM 波输出信号，RB3/CCP1/P1A 引脚则是互补的PWM 波输出信号。此外，输出信号是由IR2110 芯片来驱动的^[6-8]。

图4 PIC16F716外围电路图

2.3 保护电路设计

本文逆变电源设计中有保护电路，如图5 所示。当逆变输出电流超过2.5 A 时，过流电流ACK 大于4.5 V，SPWM芯片检测到ACK大于2.5 V时，则进入逆变保护，LED_P 灯闪烁。反之，LED_L 灯闪烁。输出滤波电路选用LC 电路，设计中参数L = 1 mH，C = 3 uF，截止频率2.5 KHz。

3   系统软件设计

3.1 PWM波的实现原理

本文利用PIC16F716 单片机中自带的增强型捕捉/比较/PWM 模块（ 以下简称ECCP 模块） 就可快速实现两路输出互补对称的PWM 波^[8]。只要正确设置ECCP 模块的工作模式中寄存器CCP1CON、周期寄存器PR2、脉宽寄存器CCPR1L 这三个部分的值即可产生所需要的PWM 波。此模块的工作模式有全桥、半桥等多种工作模式，本次软件设计采用的是半桥模式，信号极性设为高电平有效。在半桥输出模式下，有两个引脚用作输出驱动推拉式负载，RB3 引脚输出PWM 输出信号，RB5 引脚输出互补的PWM 直通输出信号。此外，可编程死区延时可以在半桥输出模式的情况下来避免半桥电路中现象。

图5 逆变保护电路

3.2 参数计算与配置

产生PWM 波，需要确定两个参数：一个是PWM波的周期T；一个是PWM 波的脉冲宽度Twidth 。设计要求为PWM波的频率为50 Hz，占空比为30%。据此可计算出：周期  ；脉宽Twidth = 20 msX30% = 6 ms；那么，可根据相应的公式可计算出周期寄存器PR2 初始值，脉宽寄存器CCPR1L 初始值。关键程序代码如下：

// 设置工作模式为PWM 模式CCP1CON = 0B10001100;

// 死区控制设置PWM1CON = 0X01;

// 设置TMR2 工作模式T2CON = 0X00;

// 设置对称脉冲周期参数PR2 = g_Period;

// 设置脉冲宽度值CCPR1L = g_DutyWidth;

// 关闭T2 中断TMR2IE = 0;

// 启动T2 定时器TMR2ON = 1;

3.3 程序实验结果

将程序下载至单片机后通电测试，用双踪示波器测得RB3 和RB5 的输出波形，如图6 所示，从图中可以观察得知信号的大小和方向随时间做周期性变化，满足逆变后标准的交流信号的特点，结果符合逆变电路要求。

4   结论

本文通过逆变电路原理结合单片机技术最终完成了基于SPWM 技术的独立逆变电源的设计。实验表明，通过采用软件编程实现SPWM 波序列的输出，实现了单片机控制芯片PIC16F716 的PWM 模块输出功能^[9]。

本文逆变电路采用了全桥电路设计，在全桥逆变过程中，利用了Microchip 公司的PIC16F716 芯片为基础完成SPWM 专用芯片的设计，不仅简化了系统电路，更提高了电路效率，实现了电路结构的高频化、小型化。整流逆变器实物图如图7 所示。

图7 整流逆变器

参考文献：

[1] 魏巍,王兴蔚,龚军勇,等.逆变电源中自举供电驱动电路设计[J].磁性材料及器件,2013,44(06):63-66.

[2] 周成虎.矿用大功率逆变电源电路的设计[J].煤矿机电,2013(05):33-35.

[3] 卢旭锦,王永强.基于ATmega8单片机控制的正弦波逆变电源[J].现代电子技术,2013,36(08):149-152.

[4] 王大贵,潘文胜.基于SG3525A和IR2110的高频逆变电源设计[J].电子设计应用,2006(11):120-122.

[5] 廖家平,袁兆梅,张治国.基于单片机PWM控制逆变电源的设计[J].中国水运(理论版),2006(05):172-173.

[6] 杨荫福,李勋,何湘平.IR2110在2kW、400Hz IGBT逆变电源中的应用[J].船电技术,1999(04):1-5.

[7] 王议锋,崔玉璐,马小勇,等.一种交错并联双Buck全桥型双向并网逆变器[J].电工技术学报,2019,34(21):4529-4539.

[8] 张丰年.100kW感应加热软开关逆变器设计[D].沈阳:沈阳工业大学,2019.

[9] 周君民.小型垂直轴风机并网逆变器的研究[D].济南:山东大学,2019.

[10] 杨立永,王元,刘硕.双频双模并网逆变器拓扑结构及控制方法研究[J].电力电子技术,2019,53(01):30-33.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年3月期）