單相正弦波逆變電源的設計

1、第1章 概述 任何電子設備都離不開可靠的電源，它們對電源的要求也越來越高。電子設備的小型化和低成本化使電源以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整正弦波逆變電源是連續(xù)控制的線性正弦波逆變電源 。這種傳統(tǒng)正弦波逆變電源技術(shù)比較成熟,并且已有大量集成化的線性正弦波逆變電源模塊,具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等優(yōu)點、但其通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都不得和很大的濾波器。由于調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓差，導致調(diào)整管功耗較大，電源效率很低，一般只有45%左右。另外,由于調(diào)整管上消耗較大的功率,所以需要采用

2、大功率調(diào)節(jié)器整管并裝有體積很大的散熱器,很難滿足現(xiàn)代電子設備發(fā)展的要求。在近半個多世紀的發(fā)展過程中，正弦波逆變電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點而逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)制造的連續(xù)工作電源，并廣泛的應用，正弦波逆變電源技術(shù)進入快速發(fā)展期。正弦波逆變電源采用功率半導體器件作為開關，通過控制開關的占空比調(diào)整輸出電壓。它的功耗小，效率高，正弦波逆變電源直接對電網(wǎng)電壓進行整流、濾波、調(diào)整，然后由開關調(diào)整管進行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器，此外，開關工作頻率為幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小。因此正弦波逆變電源具有重量輕、體積小等優(yōu)點。另外，于功耗小，機內(nèi)溫升低，提高了整機的穩(wěn)定性和可靠性

3、。而且其對電網(wǎng)的適應能力也有較大的提高，一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動范圍為220v10%,而正弦波逆變電源在電網(wǎng)電壓在110260v范圍變化時,都可獲得穩(wěn)定的輸出阻抗電壓。正弦波逆變電源的高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù),高頻化帶來的效益是使正弦波逆變電源裝置空前的小型化,并使正弦波逆變電源進入更廣泛的領域,特別是在高新技術(shù)領域的應用,扒動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外正弦波逆變電源的發(fā)展與應用在節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有深遠的意義。目前市場上正弦波逆變電源中功率管多采用雙極型晶體管，開關頻率可達幾十千赫；采用mosfet的正弦波逆變電源轉(zhuǎn)抽象頻率可達幾百千赫。為提高開關頻率，必須采用高

4、速開關器件。在一定范圍內(nèi)，開關頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，高頻化是正弦波逆變電源的主要發(fā)展方向。高可靠性正弦波逆變電源的使用的元器件比連續(xù)工作電源少數(shù)十倍，因此提高的可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器及排風扇等器件的壽命決定著電源的壽命。所以，要從設計方面著眼，盡可能使較少的器件，提高集成度。這樣不但解決了電路復雜、可靠性差的問題，也增加了保護等功能，簡化了電路，提高了平均無故障時間。正弦波逆變電源的發(fā)展從來都是與半導體器件及磁性元件等的發(fā)展休戚相關的。高頻化的實現(xiàn)，需要相應的高速半導體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁元件

5、。發(fā)展功率mosfet、igbt等新型高速器件,開發(fā)高頻用的低損磁性材料,改進磁元件的結(jié)構(gòu)及設計方法,提高濾波電容的介電常數(shù)及降低其等串聯(lián)電阻等,對于正弦波逆變電源小型化始終產(chǎn)生著巨大的推動作用?？傊?，人們在正弦波逆變電源技術(shù)領域里，邊研究低損耗回路技術(shù)，邊開發(fā)新型元器件，兩者相互促進并推動著正弦波逆變電源以每年過兩位數(shù)的市場增長率向小型、薄型、高頻、低噪聲以及高可靠性方向發(fā)展。第2章 設計總思路2.1總體框架圖濾波電路逆變電路輸入315v直流電驅(qū)動電路uc3842脈寬調(diào)制電路輸出220v交流電誤差比較 圖1 總體框圖此次課程設計要求輸入315v直流，輸出220v交流，主電路采用單相橋式逆變電

6、路，對高頻開關器件常用pwm波控制，要產(chǎn)生正弦波可采用spwm控制方法，通過控制電力電子器件mosfet的關斷來控制產(chǎn)生交變正弦波電壓。控制電路主要實現(xiàn)產(chǎn)生spwm波，設計要求選用uc3842電流控制型pwm控制器產(chǎn)生控制脈沖。而uc3842實質(zhì)上是通過輸入的兩路波進行比較，輸出比較后形成的脈沖波，鑒于uc3842的這一特征，可以通過輸入正弦漫頭波和鋸齒波進行比較得到所需的正弦波控制脈沖。正弦波產(chǎn)生器的設計有多種方法，本次課程設計采用555定時器多諧振電路產(chǎn)生方波經(jīng)過濾波產(chǎn)生正弦波的方法作為正弦波產(chǎn)生器，再經(jīng)過整流，使之成為正弦漫頭波。鋸齒波的產(chǎn)生電路比較簡單，可以直接利用uc3842內(nèi)部提供

7、的諧振器加入外圍電阻電容產(chǎn)生。此外電路要求輸出的正弦波幅度可調(diào)，此時就需要使加入的正弦波漫頭波幅值可調(diào)，此可以通過一加法器使之與設置電壓相疊加產(chǎn)生電壓可變的正弦電壓。主電路和控制電路的一些中間環(huán)節(jié)都是需要濾波的，由于產(chǎn)用spwm控制，主電路的諧波成分較少，可以通過簡單的rc無源濾波。控制電路中的方波要變成較為標準的正弦波，要濾去的諧波成分就要多得多，可以采用有源濾波，且可以通過積分環(huán)節(jié)使方波變成比較好的正弦波。由于設計出來的電路是作為電源用的，對電源電流、電壓檢測就顯得非常有必要了，可以通過從電源負載取出電流信號作為uc3842的關斷信號，從而實現(xiàn)主電路的限流作用。要實現(xiàn)電流、電壓的穩(wěn)定，則可

8、以通過取出的電流、電壓信號與控制電路構(gòu)成閉環(huán)控制來實現(xiàn)。為了不至使電路結(jié)構(gòu)過于復雜，只設計了簡單的電壓反饋環(huán)使電壓基本能跟隨給定維持恒定。2.2設計的原理和思路圖2 正弦波逆變電源的組成框圖該電路采用他勵式,2管雙推動輸出脈寬調(diào)制方式輸出電壓為220v,輸出電流2a,有欠壓、過壓和過流等多重保護功能。第3章 主電路設計3.1 spwm波的實現(xiàn)3.1.1 pwm固定頻率的產(chǎn)生pwm波形產(chǎn)生原理圖如圖3.1.1所示圖3.1.1 pwm波的產(chǎn)生電路圖pwm固定頻率是由sg3525芯片產(chǎn)生。sg3525芯片的資料見如下：管腳說明：引腳1：誤差放大反向輸入 腳9：pwm比較補償信號輸入端引腳2：誤差放大

9、同向輸入 引腳10：外關斷信號輸入端引腳3：振蕩器外接同步信號輸入端 引腳11：輸出a引腳4：振蕩器輸出端 引腳12:信號地引腳5:振蕩器定時電容接入端 引腳13：輸出級偏置電壓接入端引腳6：振蕩器定時電祖接入端 引腳14：輸出端b引腳7:振蕩器放電端 引腳15：偏置電源輸入端引腳8:軟啟動電容接入端 引腳16：基準電源輸出端圖中11與14腳輸出兩路互補的pwm波，其頻率由與5、6管腳所連的r、c決定。pwm頻率計算式如下：f=1/c5(0.7r15+3r16)，調(diào)節(jié)6端的電阻即可改變pwm輸出頻率。同時，芯片內(nèi)部16腳的基準電壓為5.1v采用了溫度補償，設有過流保護電路，5.1v反饋到2端同

10、向輸入端，當反向輸入端也為5.1v時，芯片穩(wěn)定，正常工作。若兩端電壓不相等，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)自動調(diào)整將其保持穩(wěn)定。在脈寬比較起的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化，由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)河電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應特性都有提高，目前比較理想的新型控制器。r和c設定了pwm芯片的工作頻率，計算公式為t=(0.67*rt+1.3*rd)*ct。再通過r13和c3反饋回路。構(gòu)成頻率補償網(wǎng)絡。c6為軟啟動時間設定電容。3.1.2 spwm波的原理 在進行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比

11、按正弦規(guī)律來安排。當正弦值為最大值時，脈沖寬度也最大，脈沖間隔最小，反之正弦值較小時，脈沖寬度也小，脈沖間的間隔較大。這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的高次諧波成分大為減少，成為正弦波脈寬調(diào)制。3.1.3 spwm調(diào)制信號的產(chǎn)生 要得到正弦電壓的輸出，就要使逆變電路的控制信號以spwm方式控制功率管的開關，所得到的脈沖方波輸出再經(jīng)過濾波就可以得到正弦輸出電壓。通過sg3525來實現(xiàn)輸出正弦電壓，首先要得到spwm的調(diào)制信號，而要得到spwm調(diào)制信號，必須得有一個幅值在l3 5v，按正弦規(guī)律變化的饅頭波，將它加到sg3525腳2，并與鋸齒波比較，就可得到正弦脈寬調(diào)制波實現(xiàn)spwm的控制電路框圖

12、如圖3.1.3(a)所示，實際電路各點的波形如圖3.1.3(b)所示。誤差信號基準電壓加法器整流電路濾波電路調(diào)制電路基準方 波sg3525時序電路圖3.1.3(a) spwm波控制電路框圖圖3.1.3(b) spwm電路主要節(jié)點波形由圖3.1.3(a) 圖3.1.3(b)可知，基準50hz的方波是由555芯片生成的，用來控制輸出電壓有效值和基準值比較產(chǎn)生的誤差信號，使其轉(zhuǎn)換成50hz的方波，經(jīng)過低頻濾波，得到正弦的控制信號。3.2 保護電路模塊該系統(tǒng)是由直流邊交流，弱點變?yōu)閺婋?。故對系統(tǒng)進行必要的安全保護是必須的，在對系統(tǒng)進行調(diào)試時必須要注意安全。系統(tǒng)除了芯片本身具有的保護措施外，還對系統(tǒng)進行

13、了專門的保護，具體如下。3.2.1過電流保護 過電流保護采用電流互感器作為電流檢測元件，其具有足夠快的響應速度，能夠在igbt允許的過流時間內(nèi)將其關斷，起到保護作用。 如圖3.2.1所示，過流保護信號取自ct2，經(jīng)分壓、濾波后加至電壓比較器的同相輸入端，如圖2.4所示。當同相輸入端過電流檢測信號比反相輸入端參考電平高時，比較器輸出高電平，使d2從原來的反向偏置狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎驅(qū)?，并把同相端電位提升為高電平，使電壓比較器一直穩(wěn)定輸出高電平。同時，該過電流信號還送到sg3525的腳10。當sg3525的腳10為高電平時，其腳11及腳14上輸出的脈寬調(diào)制脈沖就會立即消失而成為零。圖3.2.1 過電流

14、保護電路3.2.2空載保護電路的設計空載檢測電路如圖3.2.2所示。是用電流互感器檢測電流輸出，當沒有電流輸出時，使三極管q8截止，從而使rs-ck為高電平，停止輸出spwm波。8s后，再輸出一組spwm波，若仍為空載，則繼續(xù)上述過程。若有電流輸出則q8導通，使得rs-ck為低電平，連續(xù)輸出spwm波形，逆變電路正常工作。圖3.2.2 空載檢測電路圖3.2.3浪涌短路保護電路的設計浪涌電路保護電路原理圖如圖3.2.3。此電路圖是短路保護，用0.1歐的電阻對電壓進行采樣，通過470千歐電阻得到電流，并使這電流通過光電耦合器，當電流過高時使得spwm波不輸出，關閉igbt形成保護。故障排除后光電耦

15、合器輸出關斷，逆變器正常工作。圖3.2.3 浪涌短路保護電路原理圖第4章 單元控制電路設計4.1 dc-ac電路設計由前面論證已經(jīng)明確采用全控橋式逆變電路。其中各橋臂通斷由spwm波控制的igbt完成。 系統(tǒng)采用sg3525來實現(xiàn)spwm控制信號的輸出，該芯片其引腳及內(nèi)部框圖如圖4.1所示。圖4.1 sg3525引腳及內(nèi)部框圖 直流電源vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的+5 v基準電壓。+5 v再送到內(nèi)部(或外部)電路的其它元器件作為電源。 振蕩器腳5須外接電容gt腳6須外接電阻rto振蕩器頻率f由外接電阻rt和電容ct決定，f=11 8rc

16、to逆變橋開關頻率定為l0khz，取gt=o22f，rt=5 k。振蕩器的輸出分為兩路，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出。誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進行比較，輸出一個隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個輸入端。或非門的另兩個輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出互補，交替輸出高低電平，將pwm脈沖送至三極管v1及v2的基極，鋸齒波的作用是加入死區(qū)時間，保證v1及v2不同時導通。最后，v1及v2分別輸出相位相差180的pwm波。

17、4.2 pwm驅(qū)動模塊4.2.1 驅(qū)動電路的設計 驅(qū)動電路的設計既要考慮在功率管需要導通時，能迅速地建立起驅(qū)動電壓，又要考慮在需要關斷時，能迅速地泄放功率管柵極電容上的電荷，拉低驅(qū)動電壓。具體驅(qū)動電路如圖2.7所示。圖4.2.1 驅(qū)動電路其工作原理是：（1)當光耦原邊有控制電路的驅(qū)動脈沖電流流過時，光耦導通，使q1的基極電位迅速上升，導致d2導通，功率管的柵極電壓上升，使功率管導通；（2)當光耦原邊無控制電路的驅(qū)動脈沖電流流過時，光耦不導通，使q1的基極電位拉低，而功率管柵極上的電壓還為高，所以導致q1導通，功率管的柵極電荷通過q1及電阻r3速泄放，使功率管迅速可靠地關斷。 當然，對于功率管的

18、保護同樣重要，所以在功率管源極和漏極之間要加一個緩沖電路避免功率管被過高的正、反向電壓所損壞。 4.2.2 tds2285產(chǎn)生pwn波spwm的核心部分采用了張工的tds2285單片機芯片,用其產(chǎn)生為功率主板產(chǎn)生占空比變化的矩形波，通過h橋產(chǎn)生所需的正弦波。u3,u4組成時序和死區(qū)電路，末級輸出用了4個250光藕，h橋的二個上管用了自舉式供電方式，這樣做的目的是簡化電路，可以不用隔離電源，該模塊原理圖如圖4.2.2(a)所示： 圖2-2-12.2.1 pwn波的產(chǎn)生（1）、該模塊中是由tds2285芯片產(chǎn)生pwm波，tds2285的芯片各管腳資料如圖2-2-2：圖4.2.2(a) pwm驅(qū)動電

19、路圖1.該模塊所采用的是tds2285芯片，其管腳如圖4.2.2(b)所示圖4.2.2(b) tds2285管腳圖2.該模塊中tds2285芯片的工作原理圖4.2.2(c)如：圖4.2.2(c) tds2285產(chǎn)生pwm波 該芯片的6、7管腳生成交流電正、負半周調(diào)制波輸出引腳，輸出spwm脈沖，其頻率有接在2、3管腳間的晶振來決定。9腳為故障報警輸出端，通常驅(qū)動一蜂鳴器，同時配合5腳led的狀態(tài)，當蓄電池電壓輸入出現(xiàn)過壓或低壓時，該蜂鳴器隨led指示燈每隔1秒報警一次，當出現(xiàn)交流過流或者短路時，該蜂鳴器隨led指示燈每隔0.5秒報警一次。13腳為檢測蓄電池電壓，當13腳的電壓超過3v或低于1v

20、時，逆變停止工作，并進入欠壓或過壓故障狀態(tài)。通過外接蓄電池上分壓來實現(xiàn)。10腳為交流電壓穩(wěn)壓反饋輸入，實時檢測功率主板輸出的交流正弦波輸出電壓變動范圍，并作調(diào)整輸出達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。第5章 系統(tǒng)調(diào)試5.1 測試使用的儀器序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量1數(shù)字示波器 12ut70a數(shù)字萬用表13函數(shù)信號發(fā)生器15.2 輸出功率與效率的測試 輸出功率的定義：即為電源把其輸入功率轉(zhuǎn)換為有效輸出功率的能力。測試框圖如下圖所示。先如圖布置好測試電路后，進行如下步驟調(diào)試：1.各電路輸出電壓、電流測量同時進行。2.開啟所有設備、記錄輸入功率數(shù)值及各點輸出電壓，電流值。3.計算輸入功率pi=ui*ii，輸出功率

21、值po=uo*io.4.效率n=po/pi*100%,pi為輸入。5.3 過流保護的測試定義：當輸出電流大于設定保護值時，系統(tǒng)自動關閉輸出，形成過流保護。當輸出電流小于設定保護值時，系統(tǒng)自動恢復正常工作狀態(tài)。測試方法：如圖18所示。在輸出端接入3個串聯(lián)10歐電阻作為負載，通過短路其中的一個或兩個來模擬過流情況發(fā)生。觀察系統(tǒng)是否進行過流保護。圖18 過流保護測試框圖測試結(jié)果與分析：逆變過程中，過流保護裝置在電流大于設定保護值時關閉輸出，并在恢復正常時又打開輸出。所以過流保護裝置正常工作。5.4 空載待機功能測試（1） 定義：當無負載接入時，系統(tǒng)關閉輸出進入待機模式。當有負載接入時，系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)。（2） 測試方法：接入負載后斷開負載，觀察系統(tǒng)輸出狀態(tài)。（3） 結(jié)果與分析：輸出端負載斷開5s后系統(tǒng)進入待機狀態(tài)，此時無輸出。再次接入負載，系統(tǒng)就開始進入逆變工作狀態(tài)。5.5 輸出電壓范圍測試（1） 定義輸出電壓的最大值最小值。（2） 測試方法：調(diào)節(jié)電壓反饋賄賂的參數(shù)，觀察輸出電壓大小。（3） 測試結(jié)果：接入300歐的電阻調(diào)節(jié)rp3，輸出電壓在812v之間。結(jié)果分析經(jīng)過測試以后題目的基本要求都已經(jīng)完成，各項性能指標都較好的實現(xiàn)在輸出功率穩(wěn)定時效率達到了93%。同時該電路還具有短路保護，空載保護，過流保護的功能。21第6章 總結(jié)剛剛拿到課程設計的題目時真不知道從哪里開始動手,課題名