基于技術(shù)的獨(dú)立逆變電源設(shè)計(jì)

1、摘 要摘要不斷發(fā)展，能源短缺成為人們關(guān)注的重要問(wèn)題之一。風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生的利用，得到廣泛關(guān)注。于是，如何將蓄電池、發(fā)電機(jī)等所供給的直流或交流電轉(zhuǎn)化成設(shè)備所需要的交流電成為逆變電源研制領(lǐng)域所要解決的問(wèn)題。文章首先了逆變過(guò)程中采用的技術(shù)原理，即 SPWM 技術(shù)；其次，對(duì)逆變電源系統(tǒng)的主要電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)，該電路設(shè)計(jì)主要分為高頻升壓電路，整流電路，逆變電路以及保護(hù)電路。文章對(duì)電路設(shè)計(jì)中涉及的各個(gè)做以，重點(diǎn)是通過(guò)采用PIC16F716 對(duì)電路系統(tǒng)的，通過(guò)該實(shí)現(xiàn)了對(duì)反饋電壓的調(diào)節(jié)及短路保護(hù)，更重要的是利用其 PWM 波形輸出功能有效的輸出 SPWM 序列，完成 SPWM做了分析，詳細(xì)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)

2、逆變電路的；文章還對(duì)系統(tǒng)軟件編程部分了程序設(shè)計(jì)中用到的各個(gè)寄存器及其功能，給出了程序設(shè)計(jì)流程圖。隨著高頻技術(shù)的不斷發(fā)展，高頻變壓器的應(yīng)用也日漸豐富，課題設(shè)計(jì)中高頻升壓電路單元中涉及到了高頻變壓器的應(yīng)用，于是文章最后了在本設(shè)計(jì)參數(shù)要求下的高頻變壓器的設(shè)計(jì)，文中了兩種變壓器磁芯選擇法，得出磁芯型號(hào)后通過(guò)計(jì)算得到各個(gè)所需參數(shù)可供實(shí)體設(shè)計(jì)作為參考。本文從硬件和軟件兩方面展開(kāi)分析，對(duì)逆變電源的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。逆變電源SPWM 技術(shù)逆變高頻變壓器IAbstractAbstractWith the development of the social technology, the shortage

3、of energy becomes one ofthe most important issues which are concerned. Wind, solar energies for the use of renewableresources, are widely public concerned. So how will the battery and terator for thesupply of direct or alternating current into device needs to be against the power sector has develope

4、d to solve the problem. AC or DC supply into AC power which are needed for devices become the focus of inverter development to solve the issue. This article is based on this issue analysis.Firstly the article introduces the inverter core technology. The technology which is SPWM technology is used in

5、 the process; Secondly, the circuit design of inverter power system is analyzed in detail, the circuit is mainly composed of a high-frequency step-up circuit, rectifier circuit, level frequency inverter circuit. The article also introduces each control chip which are involved in the circuit design.

6、A focus on the circuit by using PIC16F716 chip plays an important part in the system controlling, which achieves through the chip to control the feedback voltage regulation and short circuit protection. More importantly,it is the use of the PWM waveform output function valid output SPWM sequences to

7、 achieve full-bridge inverter control. The article also analyzes the system of software program, detailing the procedures used in the design and the function of each register.The program flow chart is given. With the continuous development of high-frequency technology, people use high-frequency tran

8、sformer more and more. The paper finally introduces the request of the design parameters of a high-frequency transformer design.It introduces transformer core selection method,which is used commonly. We take each parameter obtained for the physical design as a reference.In this paper, we analy the t

9、echnology and the design on two aspects of hardware andsoftware , we hope that this design of inverter has some reference value.Key words: Inverter power SPWM technology Full-bridge inverter High-frequency transformerII第 1 章引言第1章引言1.1課題研究背景現(xiàn)實(shí)狀態(tài)下，人類努力實(shí)現(xiàn)著和的可持續(xù)發(fā)展，但是在有限和環(huán)保嚴(yán)格要求的雙重制約下，發(fā)展問(wèn)題成為重要話題，而更為突出的卻是能

10、源問(wèn)題。其主要體現(xiàn)在環(huán)境污染、能源短缺、溫室效應(yīng)等問(wèn)題上。于是，人們開(kāi)始試圖通過(guò)依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模地開(kāi)發(fā)利用可再生潔凈能源的途徑來(lái)緩解現(xiàn)實(shí)困境。另一個(gè)就是由于太陽(yáng)能、風(fēng)能等能源具有儲(chǔ)量大、普遍、利用、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此這些資源的利用也越來(lái)越受到人們的關(guān)注，并將這些能源作為理想的替代能源。其實(shí)，從20世紀(jì)90年市場(chǎng)的始，太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的利用技術(shù)已經(jīng)成為世界能源電力迅速發(fā)展起來(lái)了。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池陣列、充電器、蓄電池及逆變電源等組成，其中逆變電源是系統(tǒng)中的重要組成部分，它完成直流電能到交流電能的變換，即將太陽(yáng)能電發(fā)出的直流電能變換為用戶要求的高質(zhì)量定頻定壓正弦交流電

11、能12。在這個(gè)過(guò)程中，首先需要有合理的電路結(jié)構(gòu)，還要嚴(yán)格的元器件篩選，這是保證逆變電源質(zhì)量不受影響的必備條件，不僅如此，逆變電源還應(yīng)具備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)、交流輸出短路保護(hù)、輸出電壓反饋保護(hù)、蓄電池欠壓保護(hù)、過(guò)載保護(hù)及系統(tǒng)過(guò)熱等3；除此之外，還要求系統(tǒng)能夠適應(yīng)較寬的直流電壓輸入范圍，且其輸出電壓與頻率保持穩(wěn)定狀態(tài)，并且具有良好的負(fù)載變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。高性能的逆變電源還需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行更高要求的高頻濾波處理，以滿足通用電子設(shè)備對(duì) EMI 和 EMC 的指標(biāo)要求。由此可見(jiàn)逆變電源技術(shù)涉及了電力電子技術(shù)、電磁理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，其相關(guān)在工業(yè)應(yīng)用和日常生活方面，具有廣闊的市

12、場(chǎng)和應(yīng)用前景。1.2逆變技術(shù)概況逆變電源的發(fā)展一般認(rèn)為分成兩個(gè)階段。第一個(gè)階段為十九世紀(jì)中后期的傳統(tǒng)發(fā)展階段。這個(gè)階段的開(kāi)關(guān)器件主要以低速器件為代表，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率都比較低，波形以多重疊加法為主，體積重量較大，逆變效率低，于是正逆變器開(kāi)始出現(xiàn)。再一個(gè)階段就是從 1980 年到現(xiàn)在的高頻化新技術(shù)階段，這一階段的開(kāi)關(guān)器件逐漸以高速1河北大學(xué)工學(xué)器件為主，其開(kāi)關(guān)頻率也比較高，用 PWM 法為主要技術(shù)來(lái)波形，體積重量相對(duì)較小，逆變效率明顯提高，逆變技術(shù)經(jīng)歷了不同的階段逐漸發(fā)展起來(lái)，從一開(kāi)始通過(guò)直流電-交流發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方式逆變技術(shù)，發(fā)展到二十世紀(jì)六七十年代的晶閘管逆變技術(shù)，再到 21 世紀(jì)，逆變技術(shù)多

13、數(shù)采用了 MOSFET、GTO、IGCT、MCT 等多種先進(jìn)且易于的功率器件，電路的發(fā)展也從模擬集成電路發(fā)展到單片機(jī)甚至采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。各種現(xiàn)代理論例如神經(jīng)、自適應(yīng)、模糊邏輯、自學(xué)習(xí)等先進(jìn)理論和算法也大量應(yīng)用在逆變技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)代逆變技術(shù)囊括了半導(dǎo)體功率集成器件的應(yīng)用、功率變換電路和逆變技術(shù)三部分內(nèi)容。從毫瓦級(jí)的液晶背光板逆變電路到百兆瓦級(jí)的高壓直流輸電換流站，逆變技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域達(dá)到了前所未有的廣闊。不僅如此，逆變電源在人們的日常生活中起到了不可或缺的作用：變頻空調(diào)、變頻冰箱到航空領(lǐng)域的機(jī)載設(shè)備；發(fā)電設(shè)備從常規(guī)化石能源的火力發(fā)電設(shè)備到可再生能源發(fā)電的太陽(yáng)能風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，也逆變電源的

14、。毋須懷疑，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和各種新型功率器件的不斷發(fā)展，逆變裝置也將向著體積更小、效率更高、性能指標(biāo)更優(yōu)越的方向發(fā)展3。常用逆變器按照直流側(cè)電源性質(zhì)可分為電壓型逆變器和電流型逆變器。直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路，直流側(cè)是直流源的稱為直流型逆變電路。在本課題研究中我們多采用電壓型逆變電路。電壓型逆變電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1) 直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，此時(shí)電容可視為電壓源。直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路表現(xiàn)為低阻抗。2)因?yàn)橹绷麟妷涸淳哂畜槲蛔饔?，所以交流側(cè)輸出電壓般為矩形波，并且與電路負(fù)載的阻抗角沒(méi)有關(guān)系。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因電路負(fù)載阻抗情況的不同而有所不同。3)當(dāng)交流

15、側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)，需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容就起到了緩沖無(wú)功能量的作用。逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管的作用就是為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道。工業(yè)上使用的逆變器一般和市電的樣，均為正輸出，例如電力逆變器，通信逆變器；另外還有一種輸出為方波或階梯波或正的，這一類逆變器一般都可以應(yīng)用在民用場(chǎng)合，如車載式逆變器，太陽(yáng)能家用逆變器，一般均為小功率（1KVA以下），中大功率（1KVA 以上）一般均做成正的了。正逆變器還可以分為兩大類：即高頻逆變器和工頻逆變器兩種。工頻逆變器制作技術(shù)成熟，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，過(guò)載2第 1 章 引言能力強(qiáng)，主要缺點(diǎn)為體積龐大、笨重；然而高頻逆變器是近幾年在市場(chǎng)上才出現(xiàn)的，

16、它效率很高、技術(shù)指標(biāo)優(yōu)越，尤其是重量輕、體積小、高功率密度，都是現(xiàn)代電力電子發(fā)展所需要的，現(xiàn)在這種高頻逆變器已經(jīng)搶占了中小功率逆變器一半以上的市場(chǎng)。有些高頻逆變器單元已經(jīng)做到了 30KVA，從技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)成本來(lái)看，高頻逆變器取代工頻逆變器已經(jīng)是必然的。因此，逆變技術(shù)的研究對(duì)于工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和人們的生活都具有重大的意義。1.3本文研究主要內(nèi)容本文主要基于SPWM技術(shù)的逆變電源的電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)24V直流輸入到220V/50Hz正弦交流輸出的功能。結(jié)合現(xiàn)在市面上已有的各種的功能對(duì)SPWM電路進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，在此過(guò)程中利用了性能可靠地可編程單片微型機(jī)PIC16F716進(jìn)行各種及保護(hù)輸出，提高了電路系統(tǒng)

17、的可靠性。本文主要的研究?jī)?nèi)容如下：1.2.3.4.對(duì)基于SPWM技術(shù)的高頻逆變電源進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；應(yīng)用單片微機(jī)PIC16F716完成了基于SPWM技術(shù)的逆變電源的軟硬件設(shè)計(jì)； 高頻變壓器的設(shè)計(jì)；對(duì)文章的總結(jié)。3河北大學(xué)工學(xué)第2章正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)原理2.1脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)原理由于電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，不僅大大簡(jiǎn)化了逆變電路的結(jié)構(gòu)，而且在晶閘管類的半控型器件與策略上也由原來(lái)的相位技術(shù)改變?yōu)槊}沖寬度技術(shù)，這種技術(shù)簡(jiǎn)稱為 PWM 技術(shù)。PWM (Pulse Width Modulation)技術(shù)就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形

18、，其中包含波形形狀及幅值。PWM 技術(shù)理論依據(jù)是采樣定理：即沖量相等但是形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。正弦半波分成 N 等分，就可以形成 N 個(gè)彼此相連的脈沖序列，正弦半波就可以看成是由這些序列彼此相連組成的。這些脈沖的特點(diǎn)是脈沖頂部是曲線，寬度相等(都等于/ N )，但是幅值不等且各脈沖的幅值是按正弦規(guī)律變化的。如果利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替上述脈沖序列，使矩形脈沖和相應(yīng)的正部分面積(沖量)相等，且使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正部分的中點(diǎn)重合。這時(shí)，我們得到的脈沖序列就是 PWM 波形。根據(jù)面積等效原理，正弦半波和 PWM波形是等效的。而且波形5。正的負(fù)半周

19、，也可以用同樣的方法得到 PWM圖2-1PWM 波形圖4第 2 章 正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)原理圖2-2PWM 波形圖PWM 技術(shù)可以非常有效地進(jìn)行諧波抑制，在效率、頻率各方面有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，使逆變電路的可靠性與技術(shù)性能得到了明顯的提高。采用 PWM 方式的逆變器，其輸入端電壓為直流而且是固定不變的，PWM 技術(shù)可以在同一逆變器中既實(shí)現(xiàn)調(diào)頻又實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。由于這種逆變器只有一個(gè)可控的功率級(jí)，簡(jiǎn)化了主回路和回路的結(jié)構(gòu)，因而可靠性高、質(zhì)量輕、體積小。又因?yàn)榧饶軌蛘{(diào)頻又能夠調(diào)壓，所以系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、調(diào)節(jié)速度快。此外，在并網(wǎng)系統(tǒng)中，利用這種技術(shù)不僅可以提供良好的逆變器輸出電流和電壓波形，而且能夠提高

20、逆變器對(duì)交流電網(wǎng)的功率因數(shù)。脈沖寬度按正弦規(guī)律變化并和正等效的 PWM 波形稱為 SPWM 波形。按調(diào)制脈沖極性關(guān)系還可分為單極性 SPWM 和雙極性 SPWM 兩種：SPWM(1)單極性 SPWM 法單極性是指在輸出波形的半個(gè)周期內(nèi)，逆變器的同一橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件只有一個(gè)處于不斷切換的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，另一個(gè)則始終處于關(guān)斷狀態(tài)。所以，輸出波形在任何半周期內(nèi)始終保持一個(gè)極性不變，單極性方式的 SPWM 波形輸出如圖2-3，利用單極性等腰三角形波作為載波信號(hào)uT ，正形作為信號(hào)uc ，倒相信號(hào)ux 用來(lái)處理兩者間的配合關(guān)系。當(dāng)uc > uT 時(shí)，元件開(kāi)通；當(dāng)uc < uT 時(shí)，元件被關(guān)斷，

21、形成的調(diào)制波就是等幅、等距且不等寬的脈沖序列，最后經(jīng)半波倒輸出。如果改變信號(hào)uc 的幅值，調(diào)制波的脈寬也將隨之改變，這樣就可以改變輸出電壓的大小了。如果改變信號(hào)uc 的頻率，則輸出電壓的頻率也將隨之而改變，這樣既可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻又可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的目的。5河北大學(xué)工學(xué)圖 2-3 單極性 SPWM 波形分析(2)雙極性 SPWM 法雙極性則是指在輸出波形的半個(gè)周期內(nèi)，逆變器同一橋臂中的兩只元件都處于不斷切換的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但它們之間是互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即通斷狀態(tài)彼此是相反交替著的。這樣做，最終可以使輸出波形在任何半周期內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)正、負(fù)極性電壓交替的情況，所以稱為雙極性，如圖 2-4 所示。與單極性方式的結(jié)果不

22、同，雙極性的波和載波都變成了有正、負(fù)半周的交流方式，其輸出矩形波也出現(xiàn)了在任意半現(xiàn)正負(fù)交替的情況6。出圖 2-4 雙極性 SPWM 波形分析以看出，單相橋式電路既可以采用單極性調(diào)制，也可以采極性調(diào)制，只規(guī)律不同，輸出波形也有所不同。本文 SPWM 波形采是由于他們對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的6第 2 章 正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)原理用單極性調(diào)制。2.2正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法SPWM技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了 SPWM 技術(shù)。逆變電路是 SPWM技術(shù)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)合。SPWM 逆變電路可以分為電流型和電壓型，目前實(shí)際應(yīng)用的 SPWM 逆變電路幾乎都

23、是電壓型電路，本課題研究中也是以電壓型 SPWM 逆變電路為主要設(shè)計(jì)電路。電壓型 SPWM 逆變電路的算法有以下幾種。2.2.1 計(jì)算法根據(jù) SPWM的基本原理，如果給出了逆變電路的正輸出頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，SPWM 波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出來(lái)了。按照逆變電路中各個(gè)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通及關(guān)斷，就可以得到所需要的 SPWM 波計(jì)算結(jié)果形。這種方法就稱為計(jì)算法5。但是該種方法計(jì)算繁瑣，當(dāng)需要輸出的正幅值或相位發(fā)生變化時(shí)結(jié)果都要改變，因此應(yīng)用較少。的頻率、2.2.2 調(diào)調(diào)又分為自然采樣法和規(guī)則采樣法。自然采樣法：按照 SPWM技術(shù)的基本原理，在三角波和正的自然交點(diǎn)時(shí)刻功率開(kāi)關(guān)

24、管的開(kāi)通與關(guān)斷，由這種方法生成 SPWM 波形的方法稱為自然采樣法。自然采樣法是一種最基本的方法，但是這種方法比其他方法不被采用的是需要求解復(fù)雜的方程，在采用微機(jī)技術(shù)時(shí)必需花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)中的計(jì)算比較；規(guī)則采樣法3：這是一種被廣泛應(yīng)用的方法，其效果接近于自然采樣法，比自然采樣法的計(jì)算量要小很多。規(guī)則采樣的主要原則是，在三角波每一個(gè)周期內(nèi)的固定時(shí)刻，找到正弦調(diào)制波上的對(duì)應(yīng)電壓值，就用此值對(duì)三角波進(jìn)行采樣，那么這個(gè)固定時(shí)刻就作為功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)刻，不用再管正與三角波是否在采樣點(diǎn)上相交。規(guī)則采樣法的原理由下圖表示。圖中 Te 為載波周期，Tc 為正原理得到脈寬時(shí)間為：周期。則根據(jù)

25、相似三角形Tc (1+ MSinWtTe)t2=27河北大學(xué)工學(xué)t = t = 1 (T - t ) = Tc (1 - MSinwtT)間隙時(shí)間13c2e22圖2-5 生成 SPWM 脈寬的規(guī)則采樣法以三角波法為例。生成 SPWM 波形要求按正弦規(guī)律脈沖列的脈寬。其原理是，將等腰三角形載波與正弦波通過(guò)比較器進(jìn)行比較，則在比較器輸出端就形成了SPWM 波?？梢?jiàn)，生成 SPWM 波的電路必須由三部分組成：三角波發(fā)生器、正生器和比較器，其框圖及波形示意如圖 2-6 所示。發(fā)圖 2-6 生成 SPWM 波的電路框圖及波形示意圖以看出，若等腰三角載波的頻率是正頻率的 N 倍時(shí)，N 稱為載由圖中的8第

26、2 章 正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)原理，則正形在一個(gè)周期內(nèi)被劃分為 N 等分，并對(duì)應(yīng)著 N 個(gè)寬度不等的矩形脈沖。當(dāng) N 足夠大時(shí)(例如 N20)， 這一串矩形脈沖序列的面積將非常接近正各矩形脈沖的寬度是可近似形的面積。= 2 ´ Vcm ´ p´ sin( 2pi - p )diVtmNNN式中 Vcm 為正弦波幅值，Vtm 為三角載波的幅值。這種生成 SPWM 形的方法稱為三角波調(diào)?？梢杂媚M電路、數(shù)字電路或者兩者的混合電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.2.3 利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法隨著科學(xué)技術(shù)地不斷更新，單片微型機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，某些系列的微型機(jī)已經(jīng)具備了輸出 PWM 波形

27、序列的功能。由此，在 SPWM 波形實(shí)現(xiàn)方法上有了一定的，使得電子設(shè)備的成本大幅降低、體積更小，并容易提高波形輸出精度。本文即是利用了單片機(jī)內(nèi)部自帶 PWM 模式通過(guò)軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)了 SPWM 輸出。通過(guò)對(duì)單片機(jī)引腳、各個(gè)寄存器初始化，設(shè)定了周期、半橋輸出模式、輸出信號(hào)高有效等信息；然而要得到符合要求的 SPWM 波形，設(shè)置合適的占空比是關(guān)鍵，根據(jù) SPWM技術(shù)原理，其占空比是隨著正弦規(guī)律不斷變化的，因此，載入占空比寄存器的數(shù)據(jù)必須實(shí)時(shí)更新。同時(shí)，單片機(jī)的功能可以在輸出波形的同時(shí)，對(duì)保護(hù)電路起到調(diào)節(jié)作用，提高了系統(tǒng)的效率。9河北大學(xué)工學(xué)2.3常用的幾種逆變電路結(jié)構(gòu)逆變電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)按照主電路

28、拓樸結(jié)構(gòu)分類，可以分為推挽逆變結(jié)構(gòu)、半橋逆變結(jié)構(gòu)、逆變結(jié)構(gòu)三種。2.3.1推挽式逆變電路圖 2-7 推挽式電路結(jié)構(gòu)圖 2-8 推挽電路波形10第 2 章 正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)原理圖 2-9 推挽電路感性負(fù)載波形圖2-7是單相推挽式逆變器的拓樸結(jié)構(gòu)，該電路由兩只共負(fù)極的功率開(kāi)關(guān)元件和一個(gè)初級(jí)帶有中心抽頭的升壓變壓器組成，若交流負(fù)載為純阻性負(fù)載，當(dāng)t1tt2 時(shí)，VT1 功率管加上柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug1，VT1 導(dǎo)通，VT2 截止，變壓器輸出端感應(yīng)出正電壓；當(dāng)t3tt4 時(shí)，VT2 功率管加上柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug2，VT2 導(dǎo)通，VT1 截止，變壓器輸出端感應(yīng)出負(fù)電壓，波形如圖 2-8 所示，若負(fù)

29、載為感性負(fù)載，則變壓器內(nèi)的電流波形連續(xù)， 輸出電壓、電流波形如圖 2-9 所示，推挽逆變器的輸出只有兩種狀態(tài) +U0 和 -U0 ，實(shí)質(zhì)上是雙極性調(diào)制，通過(guò)調(diào)節(jié) VT1 和 VT2 的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。2.3.2半橋式逆變電路圖 2-10 半橋電路拓樸結(jié)構(gòu)半橋式逆變電路的拓樸結(jié)構(gòu)如圖 2-10 所示，兩只串聯(lián)電容的中點(diǎn)作為參考點(diǎn)，當(dāng)開(kāi)關(guān)元件 VT1 導(dǎo)通時(shí)，電容 C1 上的能量到負(fù)載 RL 上，而當(dāng) VT2 導(dǎo)通時(shí)，電容 C2上的能量到負(fù)載 RL 上，VT1 和 VT2 輪流導(dǎo)通負(fù)載兩端獲得了交流電能，半橋11河北大學(xué)工學(xué)逆變電路在功率開(kāi)關(guān)元件不導(dǎo)通時(shí)承受直流電源電壓 Ud，由于電容 C1

30、 和 C2 兩端的電壓均為 Ud/2（假設(shè) C1=C2），因此功率元件 VT1 和 VT2 承受的電流為 2Id。2.3.4單相式逆變電路圖 2-11單相電路拓樸結(jié)構(gòu)圖 2-12輸出電壓、電流波形單相逆變電路又稱為“H橋”電路，圖2-11為單相逆變電路的拓樸結(jié)構(gòu)，該電路由兩個(gè)半橋電路組成，我們以方波為例說(shuō)明單相電路的工作原理。功率開(kāi)關(guān)管Q1 與 Q4 的關(guān)斷狀態(tài)是互補(bǔ)的，Q2 與 Q3 的關(guān)斷狀態(tài)是互補(bǔ)的，當(dāng)Q1 與Q3 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓Uo= +Ud；當(dāng)Q2 與Q4 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載兩端Uo= -Ud。由此可得， 當(dāng)Q1、Q3 和Q2、Q4 輪流導(dǎo)通，最終負(fù)載兩端就能夠得到交流電能。如果

31、負(fù)載帶有一定電感，即負(fù)載電流滯后于電壓電角度，則在Q1、Q3 功率柵極加上驅(qū)動(dòng)信號(hào)之后，由于電流的滯后，此時(shí)D1、D3仍會(huì)處于導(dǎo)通續(xù)流階段，當(dāng)經(jīng)過(guò)電角度時(shí)，電流過(guò)零，電源向負(fù)載輸送有功功率，同樣，當(dāng)Q2、Q4 加上柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，D2、D4 仍會(huì)處于續(xù)流狀態(tài)，此時(shí)能量從負(fù)載饋送回直流側(cè)，再經(jīng)過(guò) 電角度后，Q2，Q4 才能真正流過(guò)電流。12第 2 章正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)原理該電路結(jié)構(gòu)定量分析5如下：把幅值為Ud 的矩形波uo 展開(kāi)葉級(jí)數(shù)得：4Upæ11öu =sin wt +sin 3wt +sin 5wt + ¼ç÷d(2-1)o

32、32;35ø其中，的幅值Uo1m 和有效值Uo1 分別為= 4Ud= 1.27UU(2-2)o1mpd= 2 2Ud= 0.9UU(2-3)o1pdUo 為正負(fù)各180°時(shí)，要改變輸出電壓有效值只能通過(guò)改變Ud 的值來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.3.5三種電路的比較推挽式方波逆變器的電路拓樸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兩個(gè)功率管可共地驅(qū)動(dòng)，但功率管承受開(kāi)關(guān)電壓為 2 倍的直流電壓，適合應(yīng)用于直流母線電壓較低的場(chǎng)合。另外，變壓器的利用率較低，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載。半橋型逆變電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于兩只串聯(lián)電容的作用，產(chǎn)生磁偏或直流分量，非常適合后級(jí)帶動(dòng)變壓器負(fù)載。另外，當(dāng)該電路工作在工頻（50 或者 60Hz）時(shí)，電容必須選

33、取較大的容量以兩個(gè)電容器電壓的均衡，使電路的成本上升，因此該電路主要用于高頻逆變場(chǎng)合。逆變電路共有四個(gè)橋臂，可以看兩個(gè)半橋電路組合而成。其輸出電壓 Uo的波形與半橋電路的波形形狀相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，Um=Ud。其在直流電壓和負(fù)載都相同的情況下，其輸出電流 io 的波形也和半橋輸出電流波形相同，僅幅值增加一倍。關(guān)于無(wú)功能量的交換，對(duì)于半橋逆變電路的分析也完全適用于逆變電路。因此，逆變電路是單相逆變電路中應(yīng)用最多的。鑒于上述分析，本文逆變電路設(shè)計(jì)中采用逆變電路。13河北大學(xué)工學(xué)第3章基于SPWM技術(shù)的逆變電源設(shè)計(jì)3.1逆變電源的主要技術(shù)指標(biāo)和電路的組成該逆變電源的主要技術(shù)指標(biāo)：輸入

34、電壓 DC24V；純正輸出；輸出電壓 AC220V、50Hz； 最大輸出電流 2.5A；最大輸出功率不低于 500W；具有保護(hù)和欠壓指示功能。該逆變電源的原理框圖56如圖3-1所示。濾波電路SPWWMB2圖 3-1 基于PIC16F716 的逆變電源原理框圖該逆變電源的組成包括了 DC24V 電源、PWM 波生成電路、推挽驅(qū)動(dòng)升壓電路、整流濾波電路、SPWM 波生成電路、驅(qū)動(dòng)電路、SPWM 逆變電路、濾波電路、保護(hù)電路等組成。該逆變電源的整機(jī)電路原理圖見(jiàn)附錄。逆變電源的工作原理是電源提供 DC24V，升壓電路是將 DC24V 提升到 DC390V 左右，SPWM 逆變電路將 DC390V 逆變

35、成幅度 390V 的單極性 SPWM 波，濾波后得到有效值 AC220V/50Hz 的純正。在逆變電源中，PWM 波生成電路輸出 50KHz 的 PWM波用于升壓，SPWM 波生成電路輸出單極性 20KHz 的 SPWM 波用于逆變，保護(hù)電路可14保護(hù)電路PWM1PWMSG3525驅(qū)動(dòng)及PWM輸出電路MASPSPWM生成電路負(fù)載SPWM逆變電路整流濾波電路高頻升壓電路24V直流輸入第 3 章 基于 SPWM 技術(shù)的逆變電源設(shè)計(jì)完成保護(hù)檢測(cè)和欠壓檢測(cè)。下面將詳細(xì)各個(gè)單元的組成及工作原理。3.2升壓電路升壓電路是將DC24V提升到DC390V左右，該電路是由PWM波生成電路、推挽驅(qū)動(dòng)升壓電路、整流

36、濾波電路組成8，如圖3-2所示。200K200K200KD11 FR307F1+24V390VT1C2210420H30A+ C212200u/25VIRFP250N Q1IRFP250N Q2C20 630V/2.2FL1D12 FR307R26TRANS4150KR24R25D13 FR307R35 39R363910K1K1U216151K R32INV- INV+ SYNC OSC-OUT CTVREF VCC OUTBVCC23D14 FR307+24V1413R23 10K45VC+24VC25 104GND 12 6 711IRFP250N Q3IRFP250N Q4R27RTO

37、UTADCHAR SHUTD 10 R33 200/1W8SOFTCOMP 9 R34 1K100+ C23 SG3525 4.7uC24C*R28R*R37 39R3839圖 3-2 升壓電路升壓電路的PWM波生成電路是由PWM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-3。SG3525及電路組成。SG3525圖3-3SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖SG35259-16是SGS-Thomson 公司生產(chǎn)的PWM集成器，可用于直接驅(qū)動(dòng)推挽輸出的N溝道功率MOSFET。它采用恒頻脈寬調(diào)制方案，適合各種開(kāi)關(guān)電源、斬15河北大學(xué)工學(xué)波器的。SG3525其內(nèi)部包含了精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器等。包括了實(shí)現(xiàn)PWM

38、的所需的基本電路，并含有保護(hù)電路。輸出恒頻相差180°PWM 波，其脈沖寬度可以開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)，也可閉環(huán)調(diào)節(jié)。圖3-2升壓電路利用PWM器SG3525上的誤差放大器一個(gè)反向比例調(diào)節(jié)器與反饋誤差電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)PWM輸出的脈沖寬度。SG3525中的振蕩器頻率由下式進(jìn)行計(jì)算：1= (F(3-1)0.7 ´ R + R )´ C OSCTDT振蕩器頻率為輸出 PWM 波頻率。上式中電阻 RD 為 SG3525 的 Discharge(引腳 7)與 CT(引腳 5)之間外接的一只放電電阻，樣本參考值 100，RD、RT 和 CT 決定了振蕩器頻率。當(dāng) Fosc=50KHz、RD=1

39、00 時(shí)，RT=2800、CT=0.01uF。SG3524 PWM器有一個(gè)5.1V的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源Vref，最大輸出電流50mA，可作為逆變電源系統(tǒng)電源Vcc。Vcc最大耗電流17.4mA。(74LS08/8.8mA，74LS04/6.6mA，PIC16F716/2mA)。SG3524PWMMOSFET 的柵極。升壓電路輸出電壓的確定：器的PWM波輸出可直接驅(qū)動(dòng)后極推挽電路的功率逆變輸出電壓有效值為 220V，其半波峰值為 1.414 倍，即220V ´1.414 » 311V當(dāng) SPWM當(dāng) SPWM波對(duì)應(yīng)正峰值，調(diào)制度m=1時(shí)，要求直流母線電壓為311V。峰值，調(diào)制度m=0

40、.9時(shí)，要求直流母線電壓為：波對(duì)應(yīng)正311V» 350V0.9當(dāng) SPWM波對(duì)應(yīng)正峰值，調(diào)制度m=0.8時(shí)，要求直流母線電壓為：311V» 390V0.8升壓電路中推挽輸出功率MOSFET 參數(shù)及型號(hào)的確定：該逆變電源功率為500W，則 DC24V 電源電流大約為 500W » 21A ，加上10%的損24V耗最大電流約23A。推挽驅(qū)動(dòng)每只臂上的平均電流為總電流的一半，兩只功率 MOSFET管并聯(lián)每上的平均電流為該支路總電流的一半。這樣圖3-2升壓電路中每只功率16第 3 章 基于 SPWM 技術(shù)的逆變電源設(shè)計(jì)MOSFETMOSFET管的平均電流為總電流的四分之一

41、，約6A。漏源電壓大于24V。選用功率管 IRFP250N，其主要參數(shù)見(jiàn)表3-1。表3-1IRFP250N 參數(shù)表高頻升壓變壓器的設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇將在第五章說(shuō)明。高頻整流選用快恢復(fù)二極管 FR307 組成的整流橋。FR307表3-2FR307 參數(shù)表的主要參數(shù)見(jiàn)表3-2。3.3逆變電路逆變電路是將 DC390V 逆變成有效值為 220V/50Hz 的純正。該電路是由 SPWM波生成電路、驅(qū)動(dòng)電路、SPWM 逆變電路和濾波電路組成。如圖 3-6 驅(qū)動(dòng)電路、逆變和濾波電路。A1圖 3-9 SPWMD3 FR157R8 39C101uF+12VU374ALS08 U6A897654C91uFNC VD

42、D HIN SDHO VB VS NC1D4 4.7VU5AVCC3PWMA21011COM2R4PWMA 122CONT 121332R9 2K4.7KLINVCC+12VC5 100pVSS COM NC LO74ALS04141 A2+R10 39 74ALS08IR2110R11 2KU6B4C11 10uF6PWMA1COM1R55D5 4.7V4.7KC6 100pC121uFR12 39 B1 D6 FR157C141uF+12VU474ALS08 U6C8976C131uFNC VDD HIN SD LINHO9D7 4.7VU5BVCCVB8PWMB110115COM3VS

43、4 R6PWMB 3410CONT NC VCC1213324.7K+12VC7 100pR13 2K74ALS04VSS COM NC LO141 B2 R14+ 74ALS08IR2110R15 2K39U6D12C15 10uF11 PWMB2COM1R713D8 4.7V4.7KC8 100pC161uF圖 3-4驅(qū)動(dòng)電路17+IF (AV )VRRMTjVF (typ)Trr (typ)3A1000V551.3V500nsVDSSRDS(on)ID200V0.07530A河北大學(xué)工學(xué)SPWM 波生成電路是單片機(jī) PIC16F716的產(chǎn)生相差為 180°的單中說(shuō)明。極性 SP

44、WM 波。其工作原理將在第四章內(nèi)容專門的驅(qū)動(dòng)電路是由死區(qū)電路和驅(qū)動(dòng)組成，如圖 3-4 驅(qū)動(dòng)電路。3.3.1死區(qū)電路1718死區(qū)電路的功能是為了防止逆變橋的每個(gè)橋臂上有兩個(gè)電力電子器件同時(shí)導(dǎo)通，如果兩個(gè)電力電子器件同時(shí)導(dǎo)通，就會(huì)出現(xiàn)電源的短路。理論分析，對(duì)于單相橋，SPWM 逆變橋的每一橋臂上有兩個(gè)電力電子器件是交替導(dǎo)通和截止，而且是同時(shí)發(fā)生。如果某種使一橋臂的一端導(dǎo)通變截止出現(xiàn)延遲，而另一端截止變導(dǎo)通正常發(fā)生，其結(jié)果這一橋臂出現(xiàn)瞬間短路。解決的方法是設(shè)計(jì)帶死區(qū)的SPWM 波可以防止同一橋臂的上下兩個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通。同一橋臂上，電力電子器件柵極電壓的 SPWM 波低變高（即前沿）延遲一段時(shí)間，使截

45、止變導(dǎo)通時(shí)間后移。而 SPWM變低（即后沿）不變，使導(dǎo)通變截止時(shí)間不變。這樣可防止同一橋臂上的上下兩個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通。圖 3-4驅(qū)動(dòng)電路中，U5、U6 組成死區(qū)驅(qū)動(dòng)19-27電路，延遲時(shí)間由相應(yīng)的 R、C 決定。3.3.2驅(qū)動(dòng)采用了兩塊驅(qū)動(dòng)電路IR2110。IR2110是IR公司生產(chǎn)的高速逆變電路的高壓浮動(dòng)MOS柵極驅(qū)動(dòng)集成電路，可驅(qū)動(dòng)中小功率和MOSFET。IR2110具有的低端和高端輸入通道，懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V，器件的輸入端可與TTL，CMOS相匹配。IR2110最大特點(diǎn)是可以分時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂上的分別處于高壓端和低壓端的兩個(gè)功率器件。圖3-5 為IR2110內(nèi)部

46、功能框圖。圖3-5IR2110內(nèi)部功能框圖18第 3 章 基于 SPWM 技術(shù)的逆變電源設(shè)計(jì)IR2110高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)的自舉原理：VddVccVD16VBVM1C17HOS1VM25VS3VCC1LOS2C22COM圖3-6IR2110驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂上的兩只IR2110驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂上的兩只，如圖3-6 所示。圖中C1、VD1分別為自舉電容和二極管，C2為VCC 的濾波電容。假定在 S1關(guān)斷期間 C1 已充到足夠的電壓（VC1VCC）。當(dāng)HIN為高時(shí)VM1開(kāi)通，VM2關(guān)斷，VC1通過(guò)VM1加到S1的柵極和發(fā)射極之間，使S1導(dǎo)通。此時(shí)VC1可等效為一個(gè)電壓源。當(dāng)HIN為低時(shí)，VM2開(kāi)通，VM1斷開(kāi)，

47、相當(dāng)于S1柵極短接發(fā)射極，S1關(guān)斷。經(jīng)短暫的死區(qū)時(shí)間之后，LIN為高，S2導(dǎo)通，VCC經(jīng)VD1，導(dǎo)通的S2給C1充電。如此循環(huán)反復(fù)。當(dāng)S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷時(shí)，上通道通過(guò)內(nèi)部高轉(zhuǎn)換電路懸浮在高壓側(cè)。圖3-4驅(qū)動(dòng)電路中D3、D6選用快恢復(fù)二極管FR157，參數(shù)見(jiàn)表3-3。表 3-3 FR157 參數(shù)表圖3-4偏。驅(qū)動(dòng)電路中加入D4、D5、D7和D8可使逆變橋的相應(yīng)截止時(shí)柵極處于反19IF (AV )VRRMTjVF (typ)Trr (typ)1.5A1000V-65 TO +1751.3V250ns河北大學(xué)工學(xué)3.3.3逆變電路AC220-1PORT11mH3uF/630V C17AC220-2P

48、ORT2390VIMBH60DIMBH60DQ5 A1Q6B16R18 20KCOM2COM3IMBH60D IMBH60D Q7Q8A2B27R19 20KCOM1R20 51/10W圖 3-7逆變電路圖 3-7 為逆變電路原理圖，其主開(kāi)關(guān)器件選用絕緣柵雙極型晶體管（）。綜合了 MOSFET 和 GTR 的優(yōu)點(diǎn)，其具有開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率低， 通流能力強(qiáng)的特點(diǎn)24。逆變電源輸出功率為 500W，輸出電壓為 220V，其額定輸出電流為 2.27A，峰值電流最高可達(dá)到 3A 左右，考慮負(fù)載類型以及電源輸出的過(guò)載倍數(shù)及瞬間短路等情況，型號(hào)為 1MBH60D。1MBH60D 的 CE 封

49、有續(xù)流二極管，在逆變電路中不需外選用接。其參數(shù)見(jiàn)表 3-4。逆變電路的基本工作原理是 Q5、Q7 通斷狀態(tài)互補(bǔ)，Q6、Q8 通斷狀態(tài)也互補(bǔ)。工作過(guò)程是假如在 50Hz 的正半周 Q5 導(dǎo)通，Q7 截止；那么在 20KHz 的 SPWM 波Q6、Q8 交替導(dǎo)通或截止。在 50Hz 的負(fù)半周 Q6 導(dǎo)通，Q8 截止；那么在 20KHz 的 SPWMQ5、Q7 交替導(dǎo)通或截止。結(jié)果在逆變電路輸出為單極性 SPWM 波，半波波幅度為直流母線電壓，頻率包含了 50Hz 和 20KHz 及 20KHz 的波后得 50Hz 的波形序列。諧波。加電抗器濾20R120KR120K第 3 章 基于 SPWM 技術(shù)的逆變電源設(shè)計(jì)表 3-41MBH60D 參數(shù)表3.4保護(hù)電路的設(shè)計(jì)該模塊主要功能由單片微型機(jī) PIC16F716實(shí)現(xiàn)。其電路結(jié)構(gòu)原理圖如下 3-8。AHIGHVDOWN1 18 ACK 17OSC2RA2 RA3 RA4 VPP VSS RB0 RB1 RB2 RB3RA1 RA0 OSC1 OSC2 VDD RB7 RB6 RB5 RB4VCK VDOWN231615OSC1 OSC2 Y1 2