STM32实现纯正弦波逆变器

STM32正弦波逆变器设计

在家庭能源系统、太阳能发电和电动车供电等场景中，越来越多的设备需要将电池或光伏板输出的直流电转换为高质量交流电。然而，并非所有逆变器都能胜任这一任务——传统的方波或修正波逆变器虽然成本低、结构简单，但输出波形畸变严重，容易导致空调、冰箱甚至笔记本电源适配器工作异常。

真正能媲美市电质量的，是 纯正弦波逆变器 。它不仅能驱动各类感性与容性负载，还能显著降低电磁干扰和音频噪声。而当这种高性能逆变技术与 STM32微控制器 结合时，便催生出一种高度集成、可编程且极具性价比的数字控制方案。

以STM32为核心的全数字化正弦波逆变器，不再依赖复杂的模拟电路来生成调制信号，而是通过其强大的定时器资源和实时计算能力，直接生成高精度SPWM（正弦脉宽调制）信号。整个系统不仅体积更小、效率更高，还支持闭环稳压、软启动、过载保护等智能功能，成为现代中小功率逆变系统的主流选择。

---

要实现一个稳定可靠的正弦波逆变器，核心在于三大模块的协同： PWM信号生成、调制算法设计、以及H桥功率驱动 。这三者共同决定了输出波形的质量、系统的响应速度和整体安全性。

先来看最底层也是最关键的环节——如何让STM32精准地输出SPWM波形？

STM32系列MCU内置了多个高级定时器（如TIM1、TIM8），这些定时器远不止用于延时或计数。它们具备互补PWM输出、死区插入、紧急刹车（BKIN引脚触发）等功能，专为驱动H桥这类双极性功率电路而设计。在实际应用中，我们可以配置TIM1工作于 中心对齐模式 ，配合DMA传输机制，持续更新比较寄存器（CCR）值，从而动态调整每个开关周期的脉冲宽度。

为什么用“中心对齐”？因为在这种模式下，计数器先向上再向下运行，使得PWM波形在周期内对称分布，有效抑制偶次谐波，显著降低总谐波失真（THD）。尽管这种方式会使等效开关频率减半（例如设定16kHz载波，实际有效为8kHz），但它带来的波形质量提升远大于代价。只要合理设置预分频系数和自动重载值，依然可以在72MHz主频下实现微秒级控制精度。

下面是一段典型的SPWM初始化代码：

#define PWM_PERIOD      1000
#define SINE_TABLE_SIZE 256
uint16_t sine_table[SINE_TABLE_SIZE];

void GenerateSineTable() {
    for (int i = 0; i < SINE_TABLE_SIZE; ++i) {
        sine_table[i] = (uint16_t)( (1.0 + sin(2 * PI * i / SINE_TABLE_SIZE)) * PWM_PERIOD / 2 );
    }
}

void MX_TIM1_PWM_Init(void) {
    htim1.Instance = TIM1;
    htim1.Init.Prescaler = 72 - 1;
    htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_CENTERALIGNED3;
    htim1.Init.Period = PWM_PERIOD - 1;
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1N);

    TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig = {0};
    sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 100;
    sBreakDeadTimeConfig.AutomaticOutput = TIM_AUTOMATICOUTPUT_ENABLE;
    HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1, &sBreakDeadTimeConfig);
}

这段代码看似简洁，却隐藏着不少工程细节。比如 Prescaler = 72 - 1 意味着将72MHz系统时钟分频至1MHz，每步计数时间为1μs；而周期设为1000，则对应1kHz基波频率下的采样密度。更重要的是， 正弦表的构建方式直接影响输出电压的有效值调节能力 。上面的例子使用 (1.0 + sin(...)) * PWM_PERIOD / 2 是为了确保占空比始终在0~100%范围内变化，避免溢出。

如果你希望加入闭环控制，可以动态缩放正弦表幅值——也就是改变调制度（Modulation Index）。例如当负载加重导致输出电压下降时，ADC采样反馈给PID控制器，后者提高调制度，相当于“拉高”正弦包络线，从而维持220V±5%的稳定输出。

说到SPWM本身，它的原理其实非常直观：用一个低频正弦波（50Hz或60Hz）作为调制波，与高频三角波（通常10–20kHz）进行比较，每当正弦值高于载波，就输出高电平，否则为低。结果是一串宽度按正弦规律变化的脉冲序列，经过LC滤波后即可还原出近似理想的正弦电压。

但在数字系统中，“比较”动作是由定时器硬件自动完成的，我们只需不断更新比较寄存器的阈值。这就引出了两种常见实现策略：
- 中断方式更新 ：在每次更新事件（UEV）中手动写入下一个sin点，适合初学者，但占用CPU时间较多；
- DMA自动加载 ：将整个正弦表链接到DMA通道，由硬件自动推送数据，几乎不消耗CPU资源，更适合实时性强的应用。

推荐采用后者。配合DMA双缓冲机制，甚至可以在一组数据播放的同时修改另一组，实现无缝切换和动态调频。

不过要注意，标准SPWM有一个固有缺陷： 直流母线电压利用率仅为约0.5×Vdc 。也就是说，若想输出峰值311V（即220V RMS）的正弦波，母线电压至少得达到622V，这对升压电路提出了很高要求。为此，一些高端设计会改用SVPWM（空间矢量调制）或倍频SPWM技术，将利用率提升至0.577甚至更高。但对于大多数基于12V/24V电池升压至310V母线的离网系统来说，普通SPWM已足够实用。

真正的挑战往往不在算法层面，而在功率级执行部分——H桥电路的设计与驱动。

H桥由四个MOSFET或IGBT组成，分为上下两个桥臂。理想情况下，同一桥臂上的两个管子绝不允许同时导通，否则会造成电源短路，瞬间产生极大电流烧毁器件。这就是所谓的“直通”问题。因此，在实际控制中必须引入 死区时间 （Dead Time），即在上管关断后延迟一段时间再开通下管，反之亦然。

STM32的高级定时器本身就集成了可编程死区发生器，通过 HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime() 函数即可配置数十纳秒到数微秒级别的延迟。但这只是软件层面的保障。在物理层面上，还需要专用驱动芯片来隔离控制逻辑与高压侧电路。

这里不得不提经典型号IR2110。它是一款高压浮动驱动IC，能够通过自举电路为高端MOSFET提供栅极驱动电压。其基本连接方式如下：
- IN引脚接收来自STM32的PWM信号；
- HO输出驱动高端管（Q1/Q3）；
- LO驱动低端管（Q2/Q4）；
- VB与VS之间接自举二极管和电容（常用1N4148 + 1μF陶瓷电容），形成临时浮地电源。

自举电路的工作原理是在低端管导通时，从地回路给电容充电；当高端管需开启时，电容作为临时电源为HO供电。这种方法成本低、可靠性高，广泛应用于中小功率逆变器中。

但有几个坑必须注意：
- 自举电容容量不能太小，否则在连续高频操作下无法维持足够电压；
- 死区时间需兼顾安全与效率：太长会导致波形畸变，太短则仍有直通风险；
- PCB布局应尽量缩短功率路径，减少寄生电感引起的电压尖峰；
- 建议在H桥源极串联小电阻（如0.1Ω）用于电流检测，便于实现过流保护。

完整的系统架构通常是这样的：

[电池] → [DC-DC升压] → [310V母线]
               ↓
         [H桥逆变] ← [IR2110] ← [STM32]
               ↓
           [LC滤波] → [220V/50Hz正弦输出]
               ↓
            [负载]

其中，LC滤波器参数的选择尤为关键。假设目标截止频率为1.5kHz左右，则典型取值为L=2mH、C=4.7μF/400V。电感应选用铁硅铝或纳米晶磁芯，以承受较大直流偏置而不饱和；电容则建议使用CBB类无极性薄膜电容，耐压余量充足。

此外，整个系统还需配备辅助功能模块：
- 电压采样：通过电阻分压+运算放大器送入STM32的ADC通道；
- 电流检测：霍尔传感器或采样电阻配合差分放大；
- 温度监控：NTC热敏电阻接入ADC或专用比较器；
- 故障保护：一旦检测到过压、过流或过温，立即通过BKIN引脚硬关断PWM输出，响应时间可控制在几微秒内。

在实际调试过程中，常见的问题包括：
- 输出波形有毛刺 → 检查PCB布线是否引起干扰，尤其是驱动信号走线；
- 负载突变时电压跌落明显 → 提高PID响应速度或增加母线电容；
- MOSFET发热严重 → 优化散热片面积，检查死区设置与开关损耗；
- 启动瞬间炸管 → 确保软启动逻辑正确，避免电流冲击。

值得一提的是，STM32的强大之处不仅在于单机控制。未来扩展方向十分清晰：
- 若需并网运行，可在软件中加入锁相环（PLL）算法，追踪电网相位；
- 升级为三相逆变器时，只需复用三组SPWM通道，配合六路互补输出；
- 添加WiFi/BLE模块后，还可实现远程状态监控与参数调节，打造智能化能源终端。

从一块开发板起步，到最终集成进太阳能储能柜，这套基于STM32的数字逆变方案展现了嵌入式技术在电力电子领域的巨大潜力。它不仅是工程师手中的工具，更是推动绿色能源普及的关键一环。

随着RISC-V架构MCU的崛起和GaN器件的成熟，未来的逆变器将进一步向高频化、小型化、智能化演进。但无论如何变革， 精确的时序控制、稳健的功率拓扑与严密的安全机制 ，始终是这一领域不变的核心追求。而STM32所代表的高集成度、易开发、强生态的微控制器平台，无疑将继续在这条路上扮演重要角色。