15KVA逆變器設計

1、學號：0121111360718課程設計題目學院支業(yè)班級姓名指導教師1.5KVA逆變器設計自動化自動化自動化1103班摘要i1.5KVA逆變器設計21概述及設計要求21.1概述21.2設計要求22總體設計方案介紹及原理框圖32.1方案概述32.2系統(tǒng)原理框圖33升壓斬波電路設計43.1Boost升壓電路原理43.2參數(shù)計算64逆變電路設計74.1逆變電路工作原理74.1.1換流方式74.2電壓型逆變電路104.2.1單相電壓型逆變電路104.3參數(shù)計算124.3.1開關管和二極管的選擇124.3.2輸出濾波器135驅動電路設計145.1igbt工作原理145.2SG3524及IR2110芯片介

2、紹156保護電路設計197逆變器總電路圖218心得體會22參考文獻23摘要本文設計了一個輸入110V直流電，采用PW晰波控制技術升壓，逆變輸出220V交流電的1.5KVA逆變器。系統(tǒng)先將110V直流電通過升壓斬波電路升高為300V,再根據無源逆變的實用原理，采用單相全橋逆變電路工作方式，實現(xiàn)把直流電（300V轉換成交流電（1KVA220V,最后通過低頻濾波器濾波實現(xiàn)輸出為220V的交流電。關鍵字：單相、斬波、升壓、全橋、逆變、濾波1.5KVA逆變器設計1概述及設計要求1.1概述逆變器（inverter）是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉變成交流電（一般為220V50HZ正弦或方波）。應急電源，一般

3、是把直流電逆變成220V交流的。通俗的講，逆變器是一種將直流電（D。轉化為交流電（AQ的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。逆變器的日常用途1.汽車上的逆變器所獲得的220V電，是220V50HZ高檔點的是正弦波的，便宜的一般是方波的。正弦波的那種和接插座上用的電，是一樣的，而方波的其實也可以用，只不過如果用風扇等有電機的設備，會有一些噪音，之所以用方波，就是因為這種調制方式成本比較低。2.接筆記本，電視，碟機之類的東西，只要在他的額定功率下使用，都沒問題。但是需要注意他是接在汽車蓄電池上的，雖然他一般都是11V就自動保護斷電，避免電壓過低導致車無法啟動，但是還是不適宜在引擎不運轉的情況

4、下用，所以如果用負載比較大，還是建議啟動引擎。如果是給手機充電道沒什么問題。3.電動車上，有一個叫DC-DC的模塊，他也叫直流轉換器，這個模塊輸入48V,輸出12V,那么你只要購買一個12V輸入的車載逆變器就可以使用。當然若你能買到48V輸入的逆變器更好，但估計很難買到而且，這個模塊一般只能提供5A電流，最多不過10A,而且車燈什么的也要用，所以很容易過載，建議，如果可以，多買一個直流轉換器，這個轉換器專門給你那逆變器供電，然后如果直流轉換器只能提供5A,那么逆變器輸入就應當小于5A,否則可能會損壞那模塊，當然有一些直流轉換器電流是很大的，如果修車的地方沒有，可以到一些電器店或叫他們修理的給你

5、進一個大電流的，或者多個直流轉換器并聯(lián)也可以，總之，不要讓他過載就可以。1.2設計要求要求設計一個輸入為110V直流電壓，輸出容量為1.5KVA,輸出電壓為220V,頻率50Hz單相交流電的逆變器。2總體設計方案介紹及原理框圖2.1方案概述本次課程設計的主要目標，是設計一個單相橋式逆變電路，且本設計采用電壓型逆變器，同時要設計相應的觸發(fā)電路和過電流過電壓保護電路。根據電力電子裝置及系統(tǒng)的相關知識，單相橋式逆變電路是一種常見的逆變電路模型，在日常生活中有著廣泛的應用。它的電路結構主要是由四個橋臂組成，其中每個橋臂都有一個全控器件IGBT的導通控制需要觸發(fā)電路，通過資料的查詢，找到相關的觸發(fā)電路，

6、從中進行選擇，最終確定方案?？梢杂眯酒琒G3524及IR2110進行觸發(fā)，使換流能夠實行。最后設置過電壓過電流保護電路，通過查詢資料，連出電路圖，將觸發(fā)電路接入，設置參數(shù)，根據設置的參數(shù)進行計算。2.2系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)原理：輸入110V直流電，經PW晰波升壓電路升壓為300V直流電，后經逆變電路變?yōu)?20V交流電。控制電路檢測輸出電壓信息，并對驅動電路進行控制。保護電路檢測電路中電流，故障時封鎖驅動信號。系統(tǒng)原理框圖如下圖1所示：圖1系統(tǒng)原理框圖3/313升壓斬波電路設計3.1Boost升壓電路原理boost升壓電路，開關直流升壓電路（即所謂的boost或者step-up電路）原理theboo

7、stconverter,或者叫step-upconverter,是一種開關直流升壓電路，它可以是輸出電壓比輸入電壓高。圖2boost電路圖假定那個開關（三極管或者MO帝）已經斷開了很長時間，所有的元件都處丁理想狀態(tài)，電容電壓等丁輸入電壓。下面要分充電和放電兩個部分來說明這個電路3.1.1充電過程在充電過程中，開關閉合（三極管導通），等效電路如圖3,開關（三極管）處用導線代替。這時，輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。由丁輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個比率跟電感大小有關。隨著電感電流增加，電感里儲存了一些能量。3.1.2放電過程如圖，這是當開關斷開（三極管截止）時

8、的等效電路。當開關斷開（三極管截止）時，由丁電感的電流保持特性，流經電感的電流不會馬上變?yōu)?,而是緩慢的由充電完畢時的值變?yōu)?0而原來的電路已斷開，丁是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時電壓已經高丁說起來升壓過程就是一個電感的能量傳遞過程。充電時，電感吸收能量，放電時電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過程中保持一個持續(xù)的電流。如果這個通斷的過程不斷重復，就可以在電容兩端得到高丁輸入電壓的電壓。inductorcurrenttoff圖5電流電壓波形AA電壓低，反激升壓電路制約功率和效率的瓶頸在開關管，整流管，及其他損耗（含電感上）.開關管導

9、通時，電源經由電感-開關管形成回路，電流在電感中轉化為磁能貯存；開關管關斷時，電感中的磁能轉化為電能在電感端左負右正，此電壓疊加在電源正端，經由二極管-負載形成回路，完成升壓功能。既然如此，提高轉換效率就要從三個方面著手：1.盡可能降低開關管導通時回路的阻抗，使電能盡可能多的轉化為磁能；2.盡可能降低負載回路的阻抗，使磁能盡可能多的轉化為電能，同時回路的損耗最低；3.盡可能降低控制電路的消耗，因為對丁轉換來說，控制電路的消耗某種意義上是浪費掉的，不能轉化為負載上的能量。3.2參數(shù)計算輸入電壓：110V-Vi輸出電壓：300V-Vo因為U。工Etoff(3-1)所以TU0300toffE1102

10、.727(3-2)此處設工作頻率為f=100Hz,即T=0.01s,因此ton=0.01-0.011/2.727=6.3310-3s(3-3)升壓斬波電路部分如下圖所示LIU11N4054InduetorlOmH控制電況各圖6升壓斬波電路4逆變電路設計4.1逆變電路工作原理無源逆變逆變電路的應用丁蓄電池、干電池、太陽能電池等直流電源向交流負載供電時，需要逆變電路。交流電機調速用變頻器、不問斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。(1) 4.1.1換流方式逆變電路的基本工作原理單相橋式逆變電路為例：S1S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。S1、S4閉合，S2、

11、S3斷開時，負載電壓uo為正S1;S1、S4斷開，S2、S3閉合時，uo為負，把直流電變成了交流電。改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率。U0圖7逆變電路及其波形舉例電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負載時，io滯后丁uo,波形也不同。t1前：S1、S4通，uo和io均為正。t1時刻斷開S1、S4,合上S2、S3,uo變負，但io不能立刻反向。io從電源負極流出，經S2、負載和S3流回正極，負載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時刻降為零，之后io才反向并增大(2) 換流方式分類換流電流從一個支路向另一個支路轉移的過程，也稱換相。開通：適當?shù)拈T極驅動信號就可使

12、其開通。關斷：全控型器件可通過門極關斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關斷，一般在晶閘管電流過零后施加一定時間反壓，才能關斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關斷。本章?lián)Q流及換流方式問題最為全面集中，因此在本章講述1、器件換流利用全控型器件的自關斷能力進行換流。2、電網換流由電網提供換流電壓稱為電網換流?？煽卣麟娐贰⒔涣髡{壓電路和采用相控方式的交交變頻電路，不需器件具有門極可關斷能力，也不需要為換流附加元件。3、負載換流由負載提供換流電壓稱為負載換流。負載電流相位超前丁負載電壓的場合，都可實現(xiàn)負載換流。負載為電容性負載時，負載為同步電動機時，可實現(xiàn)負載換流。圖8負載換流電路及其工作波

13、形基本的負載換流逆變電路：采用晶閘管，負載：電阻電感申聯(lián)后再和電容并聯(lián)，工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。電容為改善負載功率因數(shù)使其略呈容性而接入，直流側申入大電感Ld,id基本沒有脈動。工作過程：4個臂的切換僅使電流路徑改變，負載電流基本呈矩形波。負載工作在對基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對基波阻抗很大，對諧波阻抗很小，uo波形接近正弦。t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3斷，uo、io均為正，VT2、VT3電壓即為uot1時：觸發(fā)VT2、VT3使其開通，uo加到VT4VT1上使其承受反壓而關斷，電流從VT1、VT4換至UVT3VT2。t1必須在uo過零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成

14、。4、強迫換流設置附加的換流電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強迫換流。通常利用附加電容上儲存的能量來實現(xiàn)，為稱為電容換流。直接耦合式強迫換流一一由換流電路內電容提供換流電壓。VT通態(tài)時，先給電容C充電。合上S就可使晶閘管被施加反壓而關斷。負載圖9直接耦合式強迫換流原理圖電感耦合式強迫換流通過換流電路內電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流。兩種電感耦合式強迫換流:a)b)圖10電感耦合式強迫換流原理圖器件換流一一適用丁全控型器件。其余三種方式一一針對晶閘管。器件換流和強迫換流一一屆丁自換流。電網換流和負載換流一一屆丁外部換流。當電流不是從一個支路向另一個支路轉移，而

15、是在支路內部終止流通而變?yōu)榱悖瑒t稱為熄滅。4.2電壓型逆變電路逆變電路按其直流電源性質不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路,電流型逆變電路或電流源型逆變電路。電路的具體實現(xiàn)。圖11電壓型逆變電路舉例(全橋逆變電路)電壓型逆變電路的特點(1)直流側為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側電壓基本無脈動(2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同阻感負載時需提供無功。為了給交流側向直流側反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管4.2.1單相電壓型逆變電路全橋逆變電路電路結構及工作情況：圖12,兩個半橋電路的組合。1和4一對，2和3另一對，成對橋臂同時導通，交替各導通180°o

16、uo波形同下圖。半橋電路的uo，幅值高出一倍Um=Udio波形和下圖中的io相同，幅值增加一倍，單相逆變電路中應用最多的。輸出電壓定量分析億/廿1一1日代1虬=-Min威*一sin3函*一§1£15飯+兀uo成傅里葉級數(shù)應、-5J(4-1)日心一任。心性=1皿基波幅值1(4-2)基波有效值'(4-3)uo為正負各180。時，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來實現(xiàn)。移相調壓方式?？刹捎靡葡喾绞秸{節(jié)逆變電路的輸出電壓，稱為移相調壓。各柵極信號為180o正偏，180o反偏，且V1和V2互補，V3和V4互補關系不變。V3的基極信號只比V1落后q(0<q<180o

17、),V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180o-q,uo成為正負各為q的脈沖，改變q即可調節(jié)輸出電壓有效值。Moi4酒bl圖12單相全橋逆變電路的移相調壓方式在本次設計中，主要采用單相全橋式逆變電路作為設計的電路。其主電路結構圖如下圖13所示:$控刷電路陲動可保任電路圖13逆變電路圖如上圖13所示，單相全橋逆變電路主電路主要有四個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。其中橋臂1、4為一對，橋臂2、3為一對。每個橋臂有一個可控器件IGBT。在直流側接有足夠大的電容，負載接在橋臂之間。它的具體工作過程如下：舍最初時刻t1時，給IGBTQ1Q4觸發(fā)信號，使其導通。則電流流過橋臂1,負載。橋臂

18、4構成一個導通回路。當t2時刻時，給Q2、Q3觸發(fā)信號，給Q1、Q4關斷信號。但由丁負載電感較大，通過它的電流不能突變，所以二極管D2,D3導通進行續(xù)流。當電流逐漸減小為0,橋臂1、4關斷，橋臂2、3導通，構成一個回路，從而實現(xiàn)換流4.3參數(shù)計算4.3.1開關管和二極管的選擇(1)開關管選擇最大輸出情況下，電流有效值為IP12006.818AmaxVcos2200.8(4-4)開關菅額正電流ICEICE1.5Imax1.56.81810.227A(4-5)開關管額定電壓VCERVceR2Vm2300600V(4-6)(2)二極管的選擇額定電壓VRRVrrm300V最大允許的均方根正向電流IFr

19、ms-Ifr1.57Ifr1.574.346.814A2(4-7)二極管的額定電流為,Imax6.818IFR業(yè)竺4.34A1.571.57(4-8)通過控制PW相壓斬波電路，使輸入電壓由110V升高到300V,后由逆變電路進行逆變，調節(jié)給定電壓和控制電路，使得交流輸出為220V電壓。4.3.2輸出濾波器輸出濾波器的作用是減小輸出電壓中的諧波，并保證基波電壓傳輸。因濾容電容和負載并聯(lián)，它可以補償感性電流，但是，濾波電容過大，反而會增加變壓器的負擔。因此，在設計濾波電路時，首先確定濾波電容的值。設計基本原則就是在額定負載時，使容性電流補償一半的感性電流。(4-9)Psin12000.62.045

20、A2U0cos22200.82.045100000022025029.60F(4-10)取C=30uF選擇50Hz,500V的交流電容；50H的交流電容用丁400Hz時,耐壓降低，應降壓使用，一般按50Hz額定電壓的60咖用。對單級倍頻SPWIMB制方式進行理論分析，逆變橋輸出電壓出除了基數(shù)外，還含有告辭諧波，其中最低次諧波借此為2P-1,P為半周期內單級性波頭數(shù)，本裝置開關頻率fs,選用7.2kHz,P=144,因此，最低此諧波頻率fi(2144D5014350Hz,考慮死區(qū)影響，一般去輸出濾波的諧振頻率為最低次諧波頻率的0.50.2，取2kHz,可得23211mH

21、(4-11)5驅動電路設計5.1igbt工作原理絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFE刑雙極型晶體管復合而成的一種器件，其輸入極為MOSFETft出極為PNP晶體管，因此，可以把其看作是MOS俞入的達林頓管。它融和了這兩種器件的優(yōu)點，既具有MOSFE器件驅動簡單和快速的優(yōu)點，乂具有雙極型器件容量大的優(yōu)點，因而,在現(xiàn)代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用。在中大功率的開關電源裝置中，IGBT由丁其控制驅動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點，已逐步取代晶閘管或GTO但是在開關電源裝置中，由丁它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下，使得它容易損壞，另外，電源作為系統(tǒng)的前級，由丁受電網波動、雷擊等

22、原因的影響使得它所承受的應力更大，故IGBT的可靠性直接關系到電源的可靠性。因而，在選擇IGBT時除了要作降額考慮外，對IGBT的保護設計也是電源設計時需要重點考慮的一個環(huán)節(jié)IGBT的等效電路如圖14所示。C?E圖14IGBT等效電路圖由圖14可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅動正電壓，則MOSFET通,這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOSFE截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止由此可知，IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定：IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓；IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓；流

23、過IGBT集電極一發(fā)射極的電流；IGBT的結溫。如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓，即驅動電壓過低，則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作，如果過高超過柵極-發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞；同樣，如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過集電極-發(fā)射極之間的耐壓，流過IGBT集電極一發(fā)射極的電流超過集電極一發(fā)射極允許的最大電流，IGBT的結溫超過其結溫的允許值，IGBT都可能會永久性損壞。5.2SG3524及IR2110芯片介紹PWr®制電路芯片SG3524是一種電壓型開關電源集成控制器，具有輸出限流，開關頻率可調，誤差放大，脈寬調制比較器和關斷電路。SG3524的工作原理如下所述

24、：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，產生穩(wěn)定的+5V基準電壓。+5V再送到內部（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,腳6須外接電阻RT。振蕩器頻率f由外接電阻RT和電容CT決定，f=1.18/RTCT。本設計將Boost電路的開關頻率定為10kHz,取CT=0.22滋F,RT=5k贅；逆變橋開關頻率定為5kHz。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端，比較器的反向端接誤差放大器的輸出。誤差放大器實際上是差分放大器，腳1為其反相輸入端；腳2為其同相輸入端。

25、通常，一個輸入端連到腳16的基準電壓的分壓電阻上（應取得2.5V的電壓），另一個輸入端接控制反饋信號電壓。本系統(tǒng)電路圖中，在DC/DC變換部分，G3524的腳1接控制反饋信號電壓，腳2接在基準電壓的分壓電阻上。誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進行比較，從而在比較器的輸出端出現(xiàn)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?；蚍情T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)器的兩個輸出端互補，交替輸出高低電平,其作用是將PWM脈沖交替送至兩個三極管V1及V2的基極，鋸齒波的作用是加入了死區(qū)時間，保證V1及V2兩個三極管不可能同時導通。最

26、后，晶體管V1及V2分別輸出脈沖寬度調制波，兩者相位相差180毅。當V1及V2脈沖并聯(lián)應用時，其輸出脈沖的占空比為0%90%當V1及V2分開使用時，輸出脈沖的占空比為0%45%脈沖頻率為振蕩器頻率的1/2。SG3524引腳及內部結構圖如下。SG3524引腳結構如圖15所示：SG3524PINCONFIGURATIONVREFV|NEMITTERBCOLLECTORDCOLLECTORAEMITTERASHUTDOWNCOMPENSATIONTOPVIEWD,RNPackagesINVERTINPUTMON-INVINPUT叵OSCOUTPUT3(*|CLSENSEhclsen$e2RtICTZ

27、GROUND圖15SG3524引腳圖SG3524內部結構圖如圖16所示:BLOCKDIAGRAM圖16SG3524內部結構圖IR2117是美國IR公司專為驅動單個MOSFE或IGBT而設計的柵極驅動器，它采用高壓集成電路技術和無閂鎖CMO皴術，并采用雙直插式封裝，可用丁工作母線電壓高達600V的系統(tǒng)中。其輸入與標準的CMOSI平兼容,輸出驅動特性可滿足交義導通時間最短的大電流驅動輸出級的設計要求。其懸浮通道與自舉技術的應用使其可直接用來驅動一個工作丁母線電壓高達600V的、在高邊或低端工作的N溝道MOSFE或IGBT。IR2117采用標準的雙列直插式DIR-8或小型雙列扁平表面安裝SOIC-8

28、圖17IR2117引腳圖IR21117引腳說明如表1所示:表1IR2117引腳|符口口名稱蘭號1 Vcc輸入級工作電源端引腳說明功能及用法供電電源，抗干擾,該端應接一去耦TypicalConnection網絡到地2 IN控制脈沖輸入端直接按控制脈沖形成電路的輸出COM輸入級地端及Vcc參考地端接供電電源Vcc地4,5NC空腳6Vs輸出級參考地端7HO驅動脈沖輸出端VB輸出級工作電源端浮電源端）懸空接被驅動的MOSFE源極或IGBT射極及負載端通過一電阻接被驅動的MOSFETIGBY的柵極當VB與Vcc使用獨立電源時，接用戶提供的電源，此時VB的參考地為VS（高邊懸:而Vcc的參考地為COM在兩

29、電源之間,電位應隔離。當VB與Vcc利用自舉技術產生時，此端分別通過一電容及二極管接VS及VccIR2117內部結構及原理說明圖18IR2117內部結構IR2117的內部結構及工作原理框圖如圖18所示。它在內部集成有一個施密特觸發(fā)器，一個脈沖增益電路，兩個欠壓檢測及保護電路，一個電平移位網絡，一個與非門，一個由兩個MOSFEffl成的互補功放輸出級、個RS觸發(fā)器以及一個脈沖濾波器共九個單元電路驅動電路總體設計如圖19所示:圖19驅動電路模塊6保護電路設計保護電路分為欠壓保護和過流保護。欠壓保護電路如圖20所示，它監(jiān)測蓄電池的電壓狀況，如果蓄電池電壓低丁預設的10.8V，保護電路開始工作，使控制

30、器SG3524的腳10關斷端輸出高電平，停止驅動信號輸出。圖20中運算放大器的正向輸入端的電壓由R1和R3分壓得到，而反向輸入端的電壓由穩(wěn)壓管箝位在+7.5V，正常工作的時候，由三極管V導通，IR2110輸出驅動信號，驅動晶閘管正常工作，實現(xiàn)逆變電源的設計。當蓄電池的電壓下降超過預定值后，運算放大器開始工作，輸出跳轉為負，LED燈亮，同時三級管V截止，向SG3524的SD端輸出高電平，封鎖IR2110的輸出驅動信號。此時沒有逆變電壓的輸出。+I2V圖20欠壓保護電路過流保護電路如圖21所示，它監(jiān)測輸出電流狀況，預設為1.5A。方波逆變器的輸出電流經過采樣進入運算放大器的反向輸入端，當輸出電流大丁1.5A后，運算放大器的輸出端跳轉為負，經過CD4011組成的RS觸發(fā)器后，使三級管V1基級的信號為低電平，三級管截止，向IR2011的S