電裝課設(shè)—KVA單相逆變器

1、武漢理工大學(xué)摘要電力電子裝置(powerelectronicequipment)由各類(lèi)電力電子電路組成的裝置。用于大功率電能的變換和控制。又稱(chēng)變流裝置。它包括整流器、逆變器、直流變流器、交流變流器、各類(lèi)電源和開(kāi)關(guān)、電機(jī)調(diào)速裝置、直流輸電裝置、感應(yīng)加熱裝置、無(wú)功補(bǔ)償裝置、電鍍電解裝置、家用電器變流裝置等。逆變器是一種DCtoAC的變壓器，它其實(shí)與轉(zhuǎn)化器是一種電壓逆變的過(guò)程。轉(zhuǎn)換器是將電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的12V直流輸出，而逆變器是將Adapter輸出的12V直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l的高壓交流電；兩個(gè)部分同樣都采用了目前用得比較多的脈寬調(diào)制(PWM技術(shù)。其核心部分都是一個(gè)PWM1成控制器，Adapt

2、er用的是UC3842逆變器則采用TL5001芯片。TL5001的工作電壓范圍3.640V,其內(nèi)部設(shè)有一個(gè)誤差放大器，一個(gè)調(diào)節(jié)器、振蕩器、有死區(qū)控制的PWM：生器、低壓保護(hù)回路及短路保護(hù)回路等。AltiumDesigner是原Protel軟件開(kāi)發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，主要運(yùn)行在WindowsXP操作系統(tǒng)。這套軟件通過(guò)把原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PC茶制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線(xiàn)、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計(jì)者提供了全新的設(shè)計(jì)解決方案，使設(shè)計(jì)者可以輕松進(jìn)行設(shè)計(jì)，熟練使用這一軟件必將使電路設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率大大提高。關(guān)鍵詞：逆變器AltiumDesigner電

3、力電子器件目錄1逆變器設(shè)計(jì)原理概述2設(shè)計(jì)方案介紹與原理框圖2.1 設(shè)計(jì)要求22.2 電壓型逆變器22.3 觸發(fā)電路22.4 保護(hù)電路32.5 系統(tǒng)原理框圖33.各電路模塊設(shè)計(jì)43.1 逆變電路的主電路設(shè)計(jì)43.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)53.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)93.4 設(shè)計(jì)電路總圖114參數(shù)計(jì)算124.1 開(kāi)關(guān)管和二級(jí)管的選擇124.2 并聯(lián)電容的選取134.3 LC濾波器的設(shè)計(jì)134.4 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的形成135總結(jié)14參考文獻(xiàn)15武漢理工大學(xué)0.8KVA單相逆變器設(shè)計(jì)1逆變器設(shè)計(jì)原理概述逆變器（inverter,又稱(chēng)變流器、反流器，或稱(chēng)反用換流器、電壓轉(zhuǎn)換器）是一個(gè)利用高頻電橋電路將直流電變換成交流

4、電的電子器件，其目的與整流器相反。根據(jù)逆變器的電路形式與輸出的交流信號(hào)，可分為半橋逆變器、全橋逆變器和三相橋式逆變器。半橋逆變器由兩個(gè)開(kāi)關(guān)串聯(lián)組成，輸出端位于兩個(gè)開(kāi)關(guān)的中點(diǎn)，由上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)通、關(guān)斷來(lái)決定輸出的電壓。半橋逆變器配合兩個(gè)分壓電容，可以輸出雙端之間的高頻交流電。開(kāi)關(guān)旁一般需要并聯(lián)續(xù)流二極管，以便在感性負(fù)載時(shí)起到續(xù)流作用。半橋逆變器配合正負(fù)雙電壓源，可以輸出雙端的完全交流、含有直流分量的交流以及完全直流信號(hào)。全橋逆變器由各含兩個(gè)開(kāi)關(guān)的兩個(gè)橋臂連接成正方形組成，輸出端的兩端分別位于兩組開(kāi)關(guān)的中點(diǎn)，相當(dāng)于取兩個(gè)半橋的電壓差，因此可以得到正負(fù)雙向的交流輸出。全橋逆變器可以不依賴(lài)外加器件，

5、僅僅使用單電壓源輸出雙端的完全交流、含有直流分量的交流以及完全直流信號(hào)。三相橋式逆變器類(lèi)似于全橋逆變器，但它有三個(gè)橋臂，輸出端的三端分別位于三組開(kāi)關(guān)的中點(diǎn)，取兩兩之間的電壓差就可以得到三相電所需的三個(gè)相電壓。根據(jù)三組共六個(gè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)通順序，三相橋式逆變器可以得到一組幅值相等、頻率相等的三相電信號(hào)。102設(shè)計(jì)方案介紹與原理框圖2.1 設(shè)計(jì)要求輸入直流電壓：24V。設(shè)計(jì)容量為0.8KVA的逆變器，要求達(dá)到：輸出單相220V交流電，完成總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成總電路和電力電子器件電壓和電流定額計(jì)算。2.2 電壓型逆變器直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。由

6、于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)，而交流側(cè)輸出電流波形和相位應(yīng)為負(fù)載阻抗的情況不同而不同。當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用。為了給交流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管，又稱(chēng)為續(xù)流二極管。2.3 觸發(fā)電路脈寬調(diào)制式逆變觸發(fā)電路，它不但能控制逆變器的輸出頻率，而且能控制輸出電壓和改善輸出電壓的波形。在調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的作用下，脈沖分配器在每個(gè)周期產(chǎn)生寬度可變的脈沖或脈沖列。脈沖輸出器根據(jù)這些脈沖的寬度控制逆變器各功率開(kāi)關(guān)的通斷。調(diào)節(jié)這些脈沖的寬度，即可以調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓。在一個(gè)周期中，將脈沖列中各脈

7、沖的寬度按正弦波規(guī)律調(diào)制，可以改善逆變器輸出電壓的波形。正弦波脈寬調(diào)制的逆變觸發(fā)電路比較復(fù)雜。美國(guó)莫拉特公司1980年前后研制成功專(zhuān)門(mén)用作產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制信號(hào)的大規(guī)模集成電路HEF4752V。它將正弦脈寬調(diào)制觸發(fā)器的主要功能（不包括脈沖輸出器）集成在一塊18平方毫米的硅片上，封裝在雙排28腳的外殼中。整個(gè)集成電路是全數(shù)字化的。大約包括1500個(gè)門(mén)電路。利用HEF4752V構(gòu)成的脈寬調(diào)制式觸發(fā)電路特別適用于交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。2.4 保護(hù)電路電力電子常用的保護(hù)有過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)。過(guò)電流保護(hù)在電力電子變換和控制系統(tǒng)運(yùn)行不正?；虬l(fā)生故障時(shí)，可能發(fā)生過(guò)電流造成開(kāi)關(guān)器件的永久性損壞，快速熔斷器是電

8、力電子變換器系統(tǒng)中常用的一種過(guò)電流保護(hù)措施。另一種方法是采用電流檢測(cè)、比較、判斷，在過(guò)流瞬間及時(shí)關(guān)斷電路。過(guò)電壓保護(hù)電力電子設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過(guò)電壓和雷擊過(guò)電壓的侵襲。同時(shí)，設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過(guò)電壓出現(xiàn)。過(guò)電壓保護(hù)的基本原理是在瞬態(tài)過(guò)電壓發(fā)生的時(shí)候（滋s或ns級(jí)），通過(guò)過(guò)電壓檢測(cè)電路進(jìn)行檢測(cè)。過(guò)電壓檢測(cè)電路中主要的元件是壓敏電阻。壓敏電阻相當(dāng)于很多串并聯(lián)在一起的雙向抑制二極管，起到電壓箝位的作用。電壓超過(guò)箝位電壓時(shí)，壓敏電阻導(dǎo)通；電壓低于箝位電壓時(shí)，壓敏電阻截止。2.5 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)原理框圖如下圖1所示：圖1系統(tǒng)原理框圖3.各電路模塊設(shè)計(jì)3.1

9、 逆變電路的主電路設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，主要采用單相全橋式逆變電路作為設(shè)計(jì)的電路。電路結(jié)構(gòu)圖如下圖2所示：圖2單相全橋逆變電路主電路及升壓結(jié)構(gòu)圖如上圖2所示，單相全橋逆變電路主電路主要有四個(gè)橋臂，可以看成由兩個(gè)平橋電路組合而成。其中橋臂1、4為一對(duì)，橋臂2、3為一對(duì)。每個(gè)橋臂有一個(gè)可控器件MOSFET以及一個(gè)反并聯(lián)的二極管組成。在直流側(cè)接有足夠大的電容，負(fù)載接在橋臂之間。它的具體工作過(guò)程如下：舍最初時(shí)刻t1時(shí)，給MOSFETQ1、Q4觸發(fā)信號(hào)，使其導(dǎo)通。則電流流過(guò)橋臂1,負(fù)載。橋臂4構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)通回路。當(dāng)t2時(shí)刻時(shí)，給Q2、Q3觸發(fā)信號(hào)，給Q1、Q4關(guān)斷信號(hào)。但由于負(fù)載電感較大，通過(guò)它的電流不能突變

10、，所以二極管D2,D3導(dǎo)通進(jìn)行續(xù)流。當(dāng)電流逐漸減小為0,橋臂1、4關(guān)斷，橋臂2、3導(dǎo)通，構(gòu)成一個(gè)回路，從而實(shí)現(xiàn)換流。3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)MOSFET一種電壓控制的單極性器件，它是由金屬氧化物和半導(dǎo)體組成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所以也叫絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。應(yīng)用VMOSFET藝，生產(chǎn)出了大功率的產(chǎn)效應(yīng)管，并在逆變電路中得到廣泛應(yīng)用。功率場(chǎng)效應(yīng)管簡(jiǎn)稱(chēng)VMOSFE或VMOS作為開(kāi)關(guān)器件，其常態(tài)是阻斷狀態(tài)，即VMOS?是增強(qiáng)型MOSFETMOSFET分為N溝道和P溝道兩類(lèi)。N溝道VMOS勺導(dǎo)通電流的方向是從漏極D到源極S;P溝道MOS勺導(dǎo)通方向是從源極S到漏極DoVMOST的工作原理是，源極S接零電位，漏極D接正

11、電位，當(dāng)柵極接正電壓時(shí)，由于電荷感應(yīng)，在P區(qū)感應(yīng)出電子，電子的累積便形成N溝道。源極S和漏極D之間便產(chǎn)生了電流。因此，柵極G上的電壓的大小，決定了源極S與漏極D之間的電流大小。圖3MOFET吉構(gòu)圖和電氣圖PWME制電品各芯片SG3524是一種電壓型開(kāi)關(guān)電源集成控制器，具有輸出限流，開(kāi)關(guān)頻率可調(diào)，誤差放大，脈寬調(diào)制比較器和關(guān)斷電路。SG3524的工作原理如下所述：直流電源VS從腳15接入后分兩路，一路加到或非門(mén)；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的+5V基準(zhǔn)電壓。+5V再送到內(nèi)部（或外部）電路的其他元器件作為電源。振蕩器腳7須外接電容CT,月卻6須外接電阻RTo振蕩器頻率f由外接電阻RT

12、和電容CT決定，f=1.18/RTCT。本設(shè)計(jì)將Boost電路的開(kāi)關(guān)頻率定為10kHz,取CT=0.22滋F,RT=5k贅；逆變橋開(kāi)關(guān)頻率定為5kHz。振蕩器的輸出分為兩路，一路以時(shí)鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)或非門(mén)；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相端，比較器的反向端接誤差放大器的輸出。誤差放大器實(shí)際上是差分放大器，腳1為其反相輸入端；腳2為其同相輸入端。通常，一個(gè)輸入端連到腳16的基準(zhǔn)電壓的分壓電阻上（應(yīng)取得2.5V的電壓），另一個(gè)輸入端接控制反饋信號(hào)電壓。本系統(tǒng)電路圖中，在DC/DC變換部分，G3524的1卻1接控制反饋信號(hào)電壓，腳2接在基準(zhǔn)電壓的分壓電阻上。誤差放大器的輸出與鋸齒波

13、電壓在比較器中進(jìn)行比較，從而在比較器的輸出端出現(xiàn)一個(gè)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(mén)的一個(gè)輸入端。或非門(mén)的另兩個(gè)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(gè)輸出端互補(bǔ)，交替輸出高低電平，其作用是將PW嘛沖交替送至兩個(gè)三極管V1及V2的基極，鋸齒波的作用是加入了死區(qū)時(shí)間，保證V1及V2兩個(gè)三極管不可能同時(shí)導(dǎo)通。最后，晶體管V1及V2分別輸出脈沖寬度調(diào)制波，兩者相位相差180毅。當(dāng)V1及V2脈沖并聯(lián)應(yīng)用時(shí)，其輸出脈沖的占空比為0%90%當(dāng)V1及V2分開(kāi)使用時(shí)，輸出脈沖的占空比為0%45%脈沖頻率為振蕩器頻率的1/2。SG352到腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下

14、SG352到腳結(jié)才如圖4所示:PINCONFIGURATIOND,F.NiPackagreINMERT INPVT Q NOHJlft INPinHoscgutpvtR I+ICLSEMSeE r-|£L SENSE 0Rf3GROUND IXVref叫HEMITTERBCOLLECTOR0COLL££TbftACMrTTERA5HIJTWWNCJQMPEW5ATI0HTOPffiW圖4SG3524引腳圖SG352縱部結(jié)構(gòu)圖如圖5所示:BLOCK DIAGRAM圖5 SG3524內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖IR2117是美國(guó)IR公司專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)單個(gè)MOSFETIGBT而設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)器

15、,它采用高壓集成電路技術(shù)和無(wú)閂鎖CMOSfc術(shù),并采用雙直插式封裝,可用于工作母線(xiàn)電壓高達(dá)600V的系統(tǒng)中。其輸入與標(biāo)準(zhǔn)的CMOSl平兼容，輸出驅(qū)動(dòng)特性可滿(mǎn)足交叉導(dǎo)通時(shí)間最短的大電流驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)的設(shè)計(jì)要求。其懸浮通道與自舉技術(shù)的應(yīng)用使其可直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)工作于母線(xiàn)電壓高達(dá)600V的、在高邊或低端工作的N溝道MOSFETIGBT。IR2117采用標(biāo)準(zhǔn)的雙列直插式DIR-8或小型雙列扁平表面安裝SOIC-8封裝形式，這兩種封裝形式的引腳排列相同，其引腳排列如圖6所示：8 Load PDIP6 Lead SOICIR2117IR2117S圖6IR2117引腳圖IR21117引腳說(shuō)明如表1所示:表1IR

16、2117引腳說(shuō)明引腳號(hào)符號(hào)名稱(chēng)功能及用法1Vcc輸入級(jí)工作電源端供電電源，抗干擾,該端應(yīng)接一去耦網(wǎng)絡(luò)到地2N控制脈沖輸入端直接按控制脈沖形成電路的輸出3COM輸入級(jí)地端及Vcc參考地斯1接供電電源Vcc地4,5NC空腳懸空6Vs輸出級(jí)參考地端接被驅(qū)動(dòng)的MOSFET極或IGBT射極及負(fù)裁端7HO驅(qū)動(dòng)脈沖輸出端通過(guò)一電阻接被驅(qū)動(dòng)的MOSFETIGBY的柵極8VB輸出級(jí)工作電源端（高邊懸浮電源端）當(dāng)VB與Vcc使用獨(dú)立電源時(shí)，接用戶(hù)提供的電源，止匕時(shí)VB的參考地為VS而Vcc的參考地為COM在兩電源之間，電位業(yè)隔離。當(dāng)VB與Vcc利用自舉技術(shù)產(chǎn)生時(shí)，此端分別通過(guò)一電容及二極管接VS及VccIR211

17、7內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理說(shuō)明IR2117的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理框圖如圖7所示。它在內(nèi)部集成有一個(gè)施密特觸發(fā)器，一個(gè)脈沖增益電路，兩個(gè)欠壓檢測(cè)及保護(hù)電路，一個(gè)電平移位網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)與非門(mén)，一個(gè)由兩個(gè)MOSFET&成的互補(bǔ)功放卒&出級(jí)、一個(gè)RS觸發(fā)器以及一個(gè)脈沖濾波器共九個(gè)單元電路。驅(qū)動(dòng)電路總體設(shè)計(jì)如圖8所示圖8驅(qū)動(dòng)電路模塊3.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)保護(hù)電路分為欠壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)。欠壓保護(hù)電路如圖9所示，它監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓狀況，如果蓄電池電壓低于預(yù)設(shè)值，保護(hù)電路開(kāi)始工作，使控制器SG3524勺月卻10關(guān)斷端輸出高電平，停止驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。圖9中運(yùn)算放大器的正向輸入端的電壓由R1和R3分壓得到，而反向輸入

18、端的電壓由穩(wěn)壓管箝位在+7.5V,正常工作的時(shí)候，由三極管V導(dǎo)通，IR2117輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)晶閘管正常工作，實(shí)現(xiàn)逆變電源的設(shè)計(jì)。當(dāng)蓄電池的電壓下降超過(guò)預(yù)定值后，運(yùn)算放大器開(kāi)始工作，輸出跳轉(zhuǎn)為負(fù)，LED丁亮，同時(shí)三級(jí)管V截止，向SG3524勺SD端輸出高電平，封鎖IR2117的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此時(shí)沒(méi)有逆變電壓的輸出。+I2V圖9欠壓保護(hù)電路過(guò)流保護(hù)電路如圖10所示，它監(jiān)測(cè)輸出電流狀況，預(yù)設(shè)為1.5A。方波逆變器的輸出電流經(jīng)過(guò)采樣進(jìn)入運(yùn)算放大器的反向輸入端，當(dāng)輸出電流大于1.5A后，運(yùn)算放大器的輸出端跳轉(zhuǎn)為負(fù)，經(jīng)過(guò)CD4011組成的R擬S觸發(fā)器后，使三級(jí)管V1基級(jí)的信號(hào)為低電平，三級(jí)管截止，向I

19、R2117的SD1端輸出高電平，達(dá)到保護(hù)的目的圖10過(guò)電流保護(hù)電路武漢理工大學(xué)3.4 設(shè)計(jì)電路總圖圖11逆變器設(shè)計(jì)總圖如圖所示為觸發(fā)電路與主電路相連后的效果圖，圖中場(chǎng)效應(yīng)管在觸發(fā)電路的觸發(fā)下，將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為交流輸出，再由變壓器將電壓的幅值以及頻率變換到所需要的值，以供用電器正常工作使用ii武漢理工大學(xué)4參數(shù)計(jì)算在電路中輸入為VD=24VDC輸出為220V,功率因數(shù)為1,則各電路元件選取如下。4.1 開(kāi)關(guān)管和二級(jí)管的選擇開(kāi)關(guān)管的選擇，最大輸出情況下，電流有效值為:開(kāi)關(guān)管額定電流P _ 800V*cos 0_ 220V*1=3.64AICE 1.5* Imax =1.5*3.64 =5.46

20、 cemax(5-1-2)開(kāi)關(guān)管額定電壓Vcer>2*Vm =2*24=48：二級(jí)管的選擇額定電壓Vrrm>24V(5-1 -4)最大允許的均方根正向電流花1 Fms=11 FR =1.571 FR2(5-1-5)二級(jí)管的額定電流為2.321.57 1.574.2 弁聯(lián)電容的選取在功率因數(shù)為1的情況下，等效的濾波電路的負(fù)載電阻為2_2=0.72(5-2-1)Vd_=24P-800周期為電容為T(mén) =1/ f =1/50 =0.02s(5-2-2)C2 =4*T/Rl =4*0.02/ 0.72 = 0.11(5-2-3)4.3 LC濾波器的設(shè)計(jì)最低次諧波為2P-1次，最低次諧波的頻率為：f =(2*200 -1)*50 =19950 Hz以選1/10為例，選濾波吵感為1mH則電容為11；11C= -* = -* =6.36 /L 、2 71*1995 )1*101.57*10 10(5-3-1)(5-3-2)4.4開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的形成載波比N和調(diào)制比M的選擇選取N=200則調(diào)制比M的選擇220*2 220* 2=12.96M 24(5-4一1)選取