電裝課設—1KVA單相逆變器—武漢理工大學

1、武漢理工大學摘要 電力電子裝置（power electronic equipment）由各類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、各類電源和開關、電機調速裝置、直流輸電裝置、感應加熱裝置、無功補償裝置、電鍍電解裝置、家用電器變流裝置等。 逆變器是一種 DC to AC 的變壓器，它其實與轉化器是一種電壓逆變的過程。轉換器是將電網(wǎng)的交流電壓轉變?yōu)榉€(wěn)定的 12V 直流輸出，而逆變器是將Adapter 輸出的 12V 直流電壓轉變?yōu)楦哳l的高壓交流電；兩個部分同樣都采用了目前用得比較多的脈寬調制（PWM）技術。其核心部分都是一個

2、 PWM 集成控制器，Adapter 用的是 UC3842，逆變器則采用 TL5001 芯片。TL5001 的工作電壓范圍 3.640V，其內部設有一個誤差放大器，一個調節(jié)器、振蕩器、有死區(qū)控制的 PWM 發(fā)生器、低壓保護回路及短路保護回路等。 Altium Designer 是原 Protel 軟件開發(fā)商 Altium 公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要運行在 Windows XP 操作系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設計、電路仿真、PCB 繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術的完美融合，為設計者提供了全新的設計解決方案，使設計者可以輕松進行設計，熟練使用這一軟件必將使

3、電路設計的質量和效率大大提高。 關鍵詞：逆變器 Altium Designer 電力電子器件武漢理工大學目錄1 逆變器設計原理概述.12 設計方案介紹與原理框圖.22.1 設計要求 .22.2 電壓型逆變器 .22.3 觸發(fā)電路 .22.4 保護電路 .32.5 系統(tǒng)原理框圖 .33.各電路模塊設計.43.1 逆變電路的主電路設計 .43.2 驅動電路設計 .53.3 保護電路設計 .93.4 設計電路總圖 .114 參數(shù)計算.124.1 開關管和二級管的選擇 .124.2 并聯(lián)電容的選取 .134.3 LC 濾波器的設計.134.4 開關管驅動信號的形成 .135 總結.14參考文獻.15武

4、漢理工大學10.8KVA 單相逆變器設計1 逆變器設計原理概述逆變器（inverter，又稱變流器、反流器，或稱反用換流器、電壓轉換器）是一個利用高頻電橋電路將直流電變換成交流電的電子器件，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，可分為半橋逆變器、全橋逆變器和三相橋式逆變器。半橋逆變器由兩個開關串聯(lián)組成，輸出端位于兩個開關的中點，由上下兩個開關的開通、關斷來決定輸出的電壓。半橋逆變器配合兩個分壓電容，可以輸出雙端之間的高頻交流電。開關旁一般需要并聯(lián)續(xù)流二極管，以便在感性負載時起到續(xù)流作用。半橋逆變器配合正負雙電壓源，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。

5、全橋逆變器由各含兩個開關的兩個橋臂連接成正方形組成，輸出端的兩端分別位于兩組開關的中點，相當于取兩個半橋的電壓差，因此可以得到正負雙向的交流輸出。全橋逆變器可以不依賴外加器件，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。三相橋式逆變器類似于全橋逆變器，但它有三個橋臂，輸出端的三端分別位于三組開關的中點，取兩兩之間的電壓差就可以得到三相電所需的三個相電壓。根據(jù)三組共六個開關的開通順序，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。武漢理工大學22 設計方案介紹與原理框圖設計方案介紹與原理框圖2.1 設計要求輸入直流電壓：24V。設計容量為 0.8KVA 的

6、逆變器，要求達到：輸出單相 220V 交流電，完成總體系統(tǒng)設計，完成總電路和電力電子器件電壓和電流定額計算。2.2 電壓型逆變器直流側為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關，而交流側輸出電流波形和相位應為負載阻抗的情況不同而不同。當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管，又稱為續(xù)流二極管。2.3 觸發(fā)電路脈寬調制式逆變觸發(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

7、出電壓的波形。在調制信號發(fā)生器的作用下，脈沖分配器在每個周期產(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關的通斷。調節(jié)這些脈沖的寬度，即可以調節(jié)逆變器的輸出電壓。在一個周期中，將脈沖列中各脈沖的寬度按正弦波規(guī)律調制，可以改善逆變器輸出電壓的波形。正弦波脈寬調制的逆變觸發(fā)電路比較復雜。美國莫拉特公司 1980 年前后研制成功專門用作產(chǎn)生正弦脈寬調制信號的大規(guī)模集成電路HEF4752V。它將正弦脈寬調制觸發(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。整個集成電路是全數(shù)字化的。大約包括 1500 個門電路。利用 HE

8、F4752V 構成的脈寬調制式觸發(fā)電路武漢理工大學3特別適用于交流電動機變頻調速系統(tǒng)。2.4 保護電路電力電子常用的保護有過流保護和過壓保護。過電流保護在電力電子變換和控制系統(tǒng)運行不正?；虬l(fā)生故障時，可能發(fā)生過電流造成開關器件的永久性損壞，快速熔斷器是電力電子變換器系統(tǒng)中常用的一種過電流保護措施。另一種方法是采用電流檢測、比較、判斷，在過流瞬間及時關斷電路。過電壓保護電力電子設備在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。過電壓保護的基本原理是在瞬態(tài)過電壓發(fā)生的時候（滋 s 或 ns 級），通過過電壓檢測電路進行檢測

9、。過電壓檢測電路中主要的元件是壓敏電阻。壓敏電阻相當于很多串并聯(lián)在一起的雙向抑制二極管，起到電壓箝位的作用。電壓超過箝位電壓時，壓敏電阻導通；電壓低于箝位電壓時，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)原理框圖武漢理工大學43.3.各電路模塊設計各電路模塊設計3.1 逆變電路的主電路設計在本次設計中，主要采用單相全橋式逆變電路作為設計的電路。電路結構圖如下圖 2 所示：圖 2 單相全橋逆變電路主電路及升壓結構圖如上圖 2 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

10、可控器件 MOSFET 以及一個反并聯(lián)的二極管組成。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MOSFET Q1、Q4 觸發(fā)信號，使其導通。則電流流過橋臂 1，負載。橋臂 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。但由于負載電感較大，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。武漢理工大學53.2 驅動電路設計MOSFET 是一種電壓控制的單極性器件，它是由金屬氧化物和半導體組成的場效應晶體管

11、，所以也叫絕緣柵型場效應管。應用 VMOSFET 工藝，生產(chǎn)出了大功率的產(chǎn)效應管，并在逆變電路中得到廣泛應用。功率場效應管簡稱 VMOSFET,或 VMOS，作為開關器件，其常態(tài)是阻斷狀態(tài)，即 VMOS 都是增強型MOSFET。MOSFET 分為 N 溝道和 P 溝道兩類。N 溝道 VMOS 的導通電流的方向是從漏極 D 到源極 S；P 溝道 MOS 的導通方向是從源極 S 到漏極 D。VMOS 管的工作原理是，源極 S 接零電位，漏極 D 接正電位，當柵極接正電壓時，由于電荷感應，在 P 區(qū)感應出電子，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

12、的大小，決定了源極 S 與漏極 D之間的電流大小。圖 3 MOFET 結構圖和電氣圖PWM 控制電路芯片 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：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

13、為 10 kHz，取 CT=0.22 滋 F，RT=5 k 贅；逆變橋開關頻率定為 5 kHz。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)觸武漢理工大學6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。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 2.5 V 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

14、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。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

15、頻率的 1/2。SG3524 引腳及內部結構圖如下。SG3524 引腳結構如圖 4 所示：圖 4 SG3524 引腳圖SG3524 內部結構圖如圖 5 所示：武漢理工大學7圖 5 SG3524 內部結構圖IR2117 是美國 IR 公司專為驅動單個 MOSFET 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 CMOS 技術,并采用雙直插式封裝,可用于工作母線電壓高達 600V 的系統(tǒng)中。其輸入與標準的 CMOS 電平兼容,輸出驅動特性可滿足交叉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于母線電壓高達 600V 的、在高邊或

16、低端工作的 N 溝道 MOSFET 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 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：圖 6 IR2117 引腳圖IR21117 引腳說明如表 1 所示：武漢理工大學8表 1 IR2117 引腳說明引腳號符號名 稱功能及用法1Vcc輸入級工作電源端供電電源,抗干擾,該端應接一去耦網(wǎng)絡到地2IN控制脈沖輸入端直接按控制脈沖形成電路的輸出3COM輸入級地端及 Vcc 參考地端接供電電源 Vcc 地4,5NC空腳懸空6Vs輸出級參考地端接被驅動的 MOSFET 源極或 IGBT 射極及

17、負載端7HO驅動脈沖輸出端通過一電阻接被驅動的 MOSFET 或IGBY 的柵極8VB輸出級工作電源端（高邊懸浮電源端）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 而 Vcc 的參考地為 COM。在兩電源之間,電位應隔離。當 VB 與 Vcc利用自舉技術產(chǎn)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 7 IR2117 內部結構IR2117 的內部結構及工作原理框圖如圖 7 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,一個電平移武漢理工大學9位網(wǎng)絡,一個與非門,一個由兩個 MO

18、SFET 組成的互補功放輸出級、一個 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 8 所示圖 8 驅動電路模塊3.3 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 9 所示，它監(jiān)測蓄電池的電壓狀況，如果蓄電池電壓低于預設值，保護電路開始工作，使控制器 SG3524 的腳 10 關斷端輸出高電平，停止驅動信號輸出。圖 9 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，IR2117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

19、算放大器開始工作，輸出跳轉為負，LED 燈亮，同時三武漢理工大學10級管 V 截止，向 SG3524 的 SD 端輸出高電平，封鎖 IR2117 的輸出驅動信號。此時沒有逆變電壓的輸出。圖 9 欠壓保護電路 過流保護電路如圖 10 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(jīng)過采樣進入運算放大器的反向輸入端，當輸出電流大于1.5A 后，運算放大器的輸出端跳轉為負，經(jīng)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 IR2117 的 SD1 端輸出高電平，達到保護的目的。圖 10 過電流保護電路武漢理工大學113.4 設計電路總圖

20、逆變器設計總圖如圖 11 所示：圖 11 逆變器設計總圖 如圖所示為觸發(fā)電路與主電路相連后的效果圖，圖中場效應管在觸發(fā)電路的觸發(fā)下，將直流輸入電壓轉換為交流輸出，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武漢理工大學124 4 參數(shù)計算參數(shù)計算在電路中輸入為 VD=24V DC，輸出為 220 V,功率因數(shù)為 1，則各電路元件選取如下。4.1 開關管和二級管的選擇開關管的選擇，最大輸出情況下，電流有效值為： maxP800I=3.64AV*cos220V*1開關管額定電流CEmaxI1.5*1.5*3.645.46I 開關管額定電壓 CERMV2*V =2*24=4

21、8二級管的選擇額定電壓RRMV24V最大允許的均方根正向電流FmsFRFRI=I=1.57I2二級管的額定電流為maxFRI3.64I=2.321.571.57武漢理工大學13220* 2220* 212.9624dMV4.2 并聯(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載電阻為22dLV24R =0.72P800周期為1/1/500.02Tfs電容為24*/4*0.02/0.720.11LCT R4.3 LC 濾波器的設計 最低次諧波為 2P-1 次，最低次諧波的頻率為：(2*200 1)*5019950fHz 以選 1/10 為例，選濾波電感為 1mH,則電容為 2-3101111C=*=*=6.36FL2*19951*101.57*104.4 開關管驅動信號的形成載波比 N 和調制比 M 的選擇選取 N=200 則調制比 M 的選擇選取正弦波的幅值 Vrm=5V,則三角波幅值為 Vcm