單相正弦脈寬調(diào)制逆變電源的設(shè)計(jì)大學(xué)論文

摘 要電源是各種電子設(shè)備的核心，它有如人體的心臟，是所有電類設(shè)備的動力?，F(xiàn)代開關(guān)穩(wěn)壓電源廣泛用于直流電源，交流電源，醫(yī)療和照明電源，雷達(dá)高壓電源，音響和視頻電源等。本文設(shè)計(jì)的逆變電源屬于交流電源(AC-DC-AC逆變)，采用電壓反饋控制。其主電路采用的是Boost電路和全橋電路的組合?？刂齐娐凡捎昧?片集成脈寬調(diào)制電路芯片，一片用來產(chǎn)生PWM波，另一片與正弦函數(shù)發(fā)生芯片做適當(dāng)?shù)倪B接來產(chǎn)生SPWM波，集成芯片比分立元器件控制電路具有更簡單，更可靠的特點(diǎn)和易于調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)。本文詳細(xì)的分析了該逆變電源的工作過程，并推導(dǎo)了重要公式。最后對該逆變電源進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其可行性和有效性。關(guān)鍵詞：逆變器 正弦脈寬調(diào)制 場效應(yīng)管ABSTRACTPoweristhecoreofallkindsofelectronicequipment,itislikethehumanheart,allelectricalequipmentisthedrivingforce.Steadyvoltagepowersupplyofmodernswitchinghasbeenappliedinthefollowingaspectswidely.TheyareDCpowersupply，ACpowersupply，powersupplyofmedicaltreatmentandlighting，highvoltagepowersupplyofradar，powersupplyofsoundandvideofrequencyandsoon.Single-PhaseSinusoidalPulseWidthModulationInverterPowerSupplyinthispaperbelongstoACpowersupply(AC-DC-ACconvert).Controlmodeadoptsfeedbackofvoltagecontrol.Themaincircuitismadeupofcompoundingofboostandthefull-bridgecircuit.Thecontrolcircuitadoptstwochipsofintegratedpulsewidthmodulation.OneproducesPWMwaveform.TheotherconnectschipofproducingsinusoidalsignalproperlywhichbringsSPWMwaveform.integratedchipismoresimple，reliableandlaboratorialthandiscretecomponent.Theoperationofinverterpowersupplyisthoroughlyanalyzedandsomeimportantformulasarededuced.Finally，theprincipleofoperationareillustratedandverifiedonemulationandexperimentalresults.Keywords:inverter SPWM MOSFET目錄第一章緒論......................................................11.1電源技術(shù)概述................................................11.2逆變電源結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀..........................11.3選題的意義..................................................31.4主要內(nèi)容和章節(jié)安排..........................................3第二章PWM波形工作原理...........................................42.1PWM波形的基本原理........................................42.2PWM型逆變電路的控制方式..................................62.3SPWM波形的生成方法.......................................7第三章單相正弦脈寬調(diào)制逆變電源的設(shè)計(jì)..............................83.1系統(tǒng)組成...................................................83.2構(gòu)成主電路的變換器介紹.....................................83.3主電路工作原理............................................113.4控制電路工作原理..........................................11第四章計(jì)算機(jī)仿真工具、電路及結(jié)果................................194.1電路仿真及計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)工具..................................194.2仿真電路、元件、參數(shù)及程序................................19結(jié)論..........................................................27參考文獻(xiàn)..........................................................28致謝..........................................................29-I-第一章 緒 論1.1電源技術(shù)概述1213隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來越多，電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而任何現(xiàn)代電子設(shè)備不可缺少的重要組成部分就是可靠、優(yōu)質(zhì)的電源。當(dāng)代社會出現(xiàn)的許多高新技術(shù)都與市電的電壓、電流、頻率、相位和波形等基本參數(shù)的變換和控制密切相關(guān)，電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對這些參數(shù)的精確控制和高效率的處理，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電能的頻率變換，從而為多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展提供有力的支持。因此，電源技術(shù)不但本身是一項(xiàng)高新技術(shù)，而且還是其他多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。電源技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展必將為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗以及提高生產(chǎn)效率提供重要的手段，并為現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來深遠(yuǎn)的影響。1969年誕生的逆變電源與傳統(tǒng)的電源設(shè)備相比，可靠性高、穩(wěn)定度好、調(diào)節(jié)特性優(yōu)良，而且體積小，重量輕，功耗低，在電子和電氣領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。逆變電源運(yùn)用先進(jìn)的功率電子器件和高頻逆變技術(shù)，使傳統(tǒng)的工頻整流電源材料減少80%-90%，節(jié)能20%-30%，動態(tài)反應(yīng)速度提高2-3個數(shù)量級，并向著高頻化、輕量化、模塊化、智能化和大容量化的方向發(fā)展。許多行業(yè)的用電設(shè)備并不直接使用電網(wǎng)提供的交流電作為電源，而是通過各種形式對電網(wǎng)交流電進(jìn)行變換，得到各自所需要的電能形式。并且，一些重要的用電部門和用電設(shè)備對供電質(zhì)量的要求越來越高：電壓、頻率、波形準(zhǔn)確完好，動態(tài)性能良好，不能受到電網(wǎng)的任何干擾。1.2逆變電源結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀隨著各行各業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展和對操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接使用通用交流電網(wǎng)提供的交流電作為電能源，而是通過各種形式對其進(jìn)行變換，從而獲取各自所需的電能形式。這些供電電源輸出的幅值、頻率、穩(wěn)定度及變化方式因用電設(shè)備的不同而不盡相同，如通信電源、汽車電源、電弧焊電源、電動機(jī)變頻調(diào)速器、加熱電源、化工電源、綠色照明電源、不間斷電源、醫(yī)用電源、充電器等，它們所使用的電能都是通過整流和逆變組合電路對原始電能進(jìn)行變換后得到的。因此，逆變技術(shù)在經(jīng)歷了傳統(tǒng)到現(xiàn)代的轉(zhuǎn)化后，勢必會為各行各業(yè)提供更優(yōu)質(zhì)的電能形式?，F(xiàn)代逆變技術(shù)主要包括三部分：半導(dǎo)體功率集成器件及其應(yīng)用、功率變換電路和逆變控制技術(shù)。因此，在具備高性能的開關(guān)器件的前提下，通過研究與之相-1-適應(yīng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開關(guān)控制方式，便能構(gòu)造出性能優(yōu)良的變流裝置。1.2.1恒頻、恒壓逆變電源結(jié)構(gòu)形式的演變①以快速晶閘管技術(shù)設(shè)計(jì)的逆變電源結(jié)構(gòu)早期的逆變電源，無論是交-交逆變電源還是交-直-交逆變電源，其中的逆變橋功率元件主要由快速晶閘管組成。當(dāng)負(fù)載變化時，通過調(diào)節(jié)整流管導(dǎo)通角的大小，改變直流環(huán)電壓，最終實(shí)現(xiàn)逆變電源的恒頻、恒壓輸出。但是，這種電源結(jié)構(gòu)有明顯的缺點(diǎn)：①關(guān)斷晶閘管必須另外加裝電感、電容或輔助開關(guān)器件組成的強(qiáng)迫換流電路，所以使得電路的控制機(jī)構(gòu)復(fù)雜化，整機(jī)體積重量加大，效率降低；②由于這種電源由分離元件控制，工作頻率的提高受到限制。②以IGBT設(shè)計(jì)的逆變電源結(jié)構(gòu)隨著以IGBT為典型代表的高性能電子器件的發(fā)展，與之相適應(yīng)的逆變電源結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)也出現(xiàn)了。脈寬調(diào)制(即PWM控制)方法具有在一個功率級內(nèi)同時實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓以及調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在逆變電源控制中得到廣泛的應(yīng)用。PWM控制技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了逆變電源的恒頻、恒壓輸出。但是，這種技術(shù)有開關(guān)頻率高造成開關(guān)損耗大的缺點(diǎn)。這一缺點(diǎn)可以通過功率開關(guān)器件性能的不斷提高來克服。③有源鉗位逆變電源結(jié)構(gòu)隨著軟開關(guān)控制技術(shù)的興起，不僅解決了硬開關(guān)工作過程中存在的開通和關(guān)斷時的能量損耗問題，而且也使逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化。利用諧振元件Lr，Cr以及諧振控制開關(guān)Sr的協(xié)同工作，在逆變器輸入的直流電壓電路中產(chǎn)生諧振，從而把輸入的直流電壓轉(zhuǎn)化為一系列高頻脈沖電壓波供給逆變橋，最終實(shí)現(xiàn)逆變橋所有器件的ZVS開關(guān)工作。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)就是器件開關(guān)損耗低、電源能量轉(zhuǎn)換效率高。1.2.2逆變電源控制器的發(fā)展逆變電源的控制器經(jīng)歷了從模擬控制器到數(shù)字控制器的發(fā)展。模擬控制器中存在以下的缺點(diǎn)：控制電路的元器件比較多，電路復(fù)雜，所占的體積較大，控制策略就無法靈活改變，由所使用的器件各自的特性差異導(dǎo)致各電源之間的特性差異等。這些問題的存在使得生產(chǎn)出來的逆變電源一致性不好、輸出性能指標(biāo)精度較差，控制效果也不理想。因此，逆變電源控制器逐漸朝數(shù)字化方向發(fā)展。而在以前，由于受到控制器及外圍芯片的限制，模擬控制器向數(shù)字控制器的轉(zhuǎn)變始終未得以圓滿實(shí)現(xiàn)。近年來，隨著數(shù)字電路技術(shù)、大規(guī)模集成電路、單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，給數(shù)字控制器的研究提供了機(jī)會，同時數(shù)字智能化 PWM調(diào)制技術(shù)的控制-2-技術(shù)也有了長足的發(fā)展。數(shù)字控制器與模擬控制器相比較，具有可靠性高、參數(shù)調(diào)整方便、更改控制策略靈活、控制精度高、對環(huán)境因素不敏感等優(yōu)點(diǎn)。隨著現(xiàn)有的工業(yè)電氣傳動、自動控制等許多領(lǐng)域?qū)δ孀冸娫串a(chǎn)品需求的增加，用戶也不斷提高對電源控制技術(shù)的要求。在很多領(lǐng)域，用戶都希望使用高效率、高精度的逆變電源。這種電源的控制可以通過使用先進(jìn)的電源控制理論、采用高效的控制算法來實(shí)現(xiàn)。1.3選題的意義目前，電源技術(shù)的發(fā)展使得用新型、高效電源取代傳統(tǒng)電源己成為必然。傳統(tǒng)電源效率低、體積大。隨著技術(shù)的發(fā)展，電源的開關(guān)頻率越來越高，使得電源的小型、輕量化成為可能。本電源就是用新型的數(shù)字化電源取代傳統(tǒng)電源，其特點(diǎn)就是效率高、體積小、保護(hù)完善等。工業(yè)自動化和Internet的發(fā)展，要求處理器的速度越來越高，體積越來越小，數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展正好能滿足這一發(fā)展的要求。由于單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得基于單片機(jī)技術(shù)的逆變電源應(yīng)用于許多速度要求不高，實(shí)現(xiàn)功能完善但是功能不強(qiáng)大，要求低成本的場合。1.4主要內(nèi)容和章節(jié)安排本文的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)一個基于AVR控制的低成本、多功能、易維護(hù)、升級方便的單相正弦脈寬調(diào)制逆變電源的設(shè)計(jì)。第1章為緒論部分，引入了電源技術(shù)的概念，并論述了逆變電源逆變結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀及逆變電源控制器的發(fā)展。第2章深入研究了SPWM的基本原理及控制方式和生成方法。第3章對控逆變電源工作原理進(jìn)行了深入研究，系統(tǒng)主電路的構(gòu)成采用Boost電路(DC-DC)和全橋式逆變電路(DC-AC)的組合?？刂齐娐酚?片集成脈寬調(diào)制電路芯片SG3524和一片正弦函數(shù)發(fā)生芯片ICL8038所構(gòu)成。第4章本文利用OrCAD仿真軟件，對前文所做的理論分析及電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證，同時利用仿真結(jié)果作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。-3-第二章PWM波形工作原理2.1PWM波形的基本原理 20在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如把各輸出波形用傅式變換分析，則其低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖 2-la),b),c)所示的三個窄脈沖形狀不同，圖2-la)為矩形脈沖，圖2-lb)為三角形脈沖，圖2-lc）為正弦半波脈沖，但它們的面積(即沖量)都等于1，那么，當(dāng)他們分別加在具有慣性的同一個環(huán)節(jié)上時，其輸出響應(yīng)基本相同。脈沖越窄，其輸出的差異越小。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D2-ld)的單位脈沖函數(shù) (t)時，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。f(t)f(t)0t0ta)b)c) d)圖2-1形狀不同而沖量相同的各種脈沖上述結(jié)論是PWM控制的重要理論基礎(chǔ)。下面分析如何用一系列等幅而不等寬的脈沖代替一個正弦半波，把圖2-2a)所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于π/N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積(沖量)相等，就得到圖2-2b)所示的脈沖序列。這就是PWM波形?？梢?4-看出，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM波形，也稱為SPWM(SinusoidalPWM)波形。在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可。以上介紹的是PWM控制的基本原理，按照上述原理，在給出了正弦波頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的 PWM波形。圖2-2 PWM控制的基本原理示意圖但是，這種計(jì)算是很繁瑣的，正弦波的頻率、幅值變化時，結(jié)果都要變化。較為實(shí)用的方法是采用調(diào)制的方法， 即把所希望的波形作為調(diào)制信號， 把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的 PWM波形。通常采用等腰三角形作為載波，因?yàn)榈妊切紊舷聦挾扰c高度成線性關(guān)系且左右對稱， 當(dāng)它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波形相交時， 如在交點(diǎn)時刻控制電路中開關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，這正好符合 PWM控制的要求。當(dāng)調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。一般根據(jù)三角波載波在半個周期內(nèi)方向的變化，又可以分為兩種情況。三角波載波在半個周期內(nèi)的方向只在一個方向變化，所得到的PWM波形也只在一個方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式，如圖2-3所示。如果三角波載波在半個周期內(nèi)的方向是在正負(fù)兩個方向變化的，所得到的PWM波形也是在兩個方向變化的，這時稱為雙極性PWM控制方式，如圖2-4所示。-5-圖2-3單極性PWM控制方式原理圖2-4雙極性PWM控制方式原理2.2PWM型逆變電路的控制方式在PWM逆變電路中，載波頻率 f0與調(diào)制信號頻率 fr之比N=f0/fr。根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM逆變電路可以有異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種控制方式。(一)異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不保持同步關(guān)系的調(diào)制方式稱為異步方式。在異步調(diào)制方式中，調(diào)制信號頻率fc變化時，通常保持載波頻率f0固定不變，因而載波比fr是變化的。這樣，在調(diào)制信號的半個周期內(nèi)，輸出脈沖的個數(shù)不固定，脈沖相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，同時，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。當(dāng)調(diào)制信號頻率較低時，載波比N較大，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)較多，正負(fù)半周期脈沖不對稱和半周期內(nèi)前后1/4周期脈沖不對稱的影響都較小，輸出波形接近正弦波。當(dāng)調(diào)制信號頻率增高時，載波比N就減小，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，-6-輸出脈沖的不對稱性影響就變大，還會出現(xiàn)脈沖的跳動，同時輸出波形和正弦波之間的差異就變大，電路輸出特性變壞。因此，在采用異步調(diào)制方式時，希望盡量提高載波頻率，以使在調(diào)制信號頻率較高時仍能保持。(二)同步調(diào)制載波比N等于常數(shù)，并在變頻時使載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。在基本同步調(diào)制方式中，調(diào)制信號頻率變化時載波比 N不變。調(diào)制信號半個周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。2.3SPWM波形的生成方法根據(jù)前面講述的PWM逆變電路的基本原理和控制方法，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定她們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時刻對功率開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波形。但這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制?，F(xiàn)在用來產(chǎn)生SPWM波形的大規(guī)模集成電路芯片已得到了廣泛的應(yīng)用，例如，SG3524，SG3525，HEF4752和SLE4520等這些集成芯片做適當(dāng)?shù)倪B接均可以產(chǎn)生SPWM波形，采用集成芯片可以簡化硬件電路，降低成本，提高可靠性。另外，隨著微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，目前SPWM波形的生成和控制也常采用微機(jī)來實(shí)現(xiàn)。采用軟件來生成SPWM波形的基本算法有自然采樣法、規(guī)則采樣法、低次諧波消去法。較大的載波比，改善輸出特性。-7-第三章 單相正弦脈寬調(diào)制逆變電源的設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)組成16圖3-1示出了系統(tǒng)主電路和控制電路框圖。交流輸入電壓經(jīng)過共模抑制環(huán)節(jié)后，再經(jīng)過工頻變壓器降壓，然后整流得到一個直流電壓，此電壓經(jīng)過Boost電路進(jìn)行升壓，在直流環(huán)上得到一個符合要求的直流電壓 350V(50Hz/220V交流輸出時)。DC-AC變換電路采用全橋變換電路。為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，防止主電路對控制電路的干擾，采用主、控電路完全隔離的方法，即驅(qū)動信號用光耦隔離，反饋信號用變壓器隔離，輔助電源用變壓器隔離。過流保護(hù)電路采用電流互感器作為電流檢測器件，其具有足夠的響應(yīng)速度，能夠在MOS管允許的過流時間內(nèi)將其關(guān)斷。3限流電路 BOOST升壓電路 橋式變換電路共模抑制 濾波電路電流互感器 AC輸出輸入+15V輔助電源電路

+5V

反饋?zhàn)儔浩鬟^流保護(hù)電路過流保護(hù)光耦隔離MOS管驅(qū)動電路分相及光耦驅(qū)SG3524-脈2寬調(diào)制器控制電動路電壓檢測及調(diào)節(jié)SG3524-脈1寬調(diào)制器控制電正弦波信號發(fā)生精密全波加法器電路路電路整流（1V基準(zhǔn)）圖3-1系統(tǒng)主電路和控制電路框圖3.2構(gòu)成主電路的變換器介紹4717電源一般要經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能符合使用的需要。例如，交流轉(zhuǎn)換為直流，或高電壓變成低電壓，大功率中取小功率，粗電轉(zhuǎn)換為精電等。按照電力電子的習(xí)慣稱謂，DC-DC(理解成DC轉(zhuǎn)換為DC，DC表示直流電)是把一種直流電壓變換為另一種直流電壓。常用一個半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，使帶有濾波器的負(fù)載線路與直流電壓一會相接，一會斷開，則負(fù)載上得到另一個直流電壓。 DC-AC理解成DC轉(zhuǎn)換為AC，AC表示交流電稱為逆變，它是把直流電轉(zhuǎn)換為交流電。-8-3.2.1 Boost變換器電路原理Boost變換器的別名又叫升壓變換器、并聯(lián)開關(guān)電路或開關(guān)型升壓穩(wěn)壓器。線路如圖3-2所示由開關(guān)S、電感L、電容C組成。完成把電壓Vs升壓到V0的功能。iLV2i0A++iTRVSCV1V0_iLa)D1L+++RVsTV0DC_b)圖3-2a)Boost電路原理圖b)由晶體管和二極管組成的 Boost電路Boost電路的工作過程是這樣的。當(dāng)開關(guān)S在位置A時，如圖3-3a)電流ia流過電感線圈L，在電感線圈未飽和前，電流線性增加，電能以磁能形式儲在電感線圈L中。此時，電容 C放電，R上流過電流I0，R兩端為輸出電壓V0，極性上正下負(fù)。由于開關(guān)管導(dǎo)通，二極管陽極接VS負(fù)極，二極管承受反壓狀態(tài)。所以電容不能通過開關(guān)管放電。開關(guān)S轉(zhuǎn)換位置到B時，構(gòu)成電路如圖3-3b)，由于線圈中的磁場將改變線圈L兩端的電壓極性，以保持iL不變。這樣線圈L磁能轉(zhuǎn)化成的電壓VL與電源VS串聯(lián)，以高于V0電壓向電容C、負(fù)載R供電。高于V0時，電容有充電電流;等于V0時，充電電流為零，當(dāng)V0有降低趨勢時，電容向負(fù)載R放電，維持V0不變。iLi0iLi0LLC++CVsV0RVsRa) b)圖3-3 Boost變換器電路工作過程-9-基本輸入、輸出電壓關(guān)系式的推導(dǎo)。設(shè)開關(guān)動作周期為TS，D1接通時間占空比，D2為斷開時間占空比，它們各自小于1，連續(xù)狀態(tài)時D1+D2=1。則閉合時間為T1=D1T，斷開時間為T2=D2T。ss在輸入輸出電壓不變前提下，當(dāng)開關(guān)S在圖3-2a)A位置時，iL線性上升，其增益為：iL1VSD1TS(3-1)L開關(guān)在3-2a)B位置時，iL線性下降，其增益為：iL2V0VSD2TS(3-2)L由于穩(wěn)態(tài)時這兩個電流變化量絕對值相等iL1iL2，所以VSD1TS(V0VS)D2TSLL化簡得：V01VS1VS(3-3)1D1D23.2.2 橋式逆變器基本原理圖3-4示出了橋式變換器的主電路。橋?qū)堑膬蓚€功率 MOS管作為一組，每組同時接通或斷開，兩組開關(guān)輪流工作，在一個周期中的短時間內(nèi)，四個開關(guān)將處于斷開狀態(tài)。四個開關(guān)導(dǎo)通(或關(guān)斷)占空比值均相等。T1T22D1D24L1輸入 C1T4D4T3D35

6C2AC交流輸出1圖3-4橋式變換器主電路圖在給T1、T3加觸發(fā)脈沖，這兩個MOS管導(dǎo)通，電流流過T1的漏極，經(jīng)過輸出濾波電路回到T3的漏極。當(dāng)T2，T4加觸發(fā)脈沖時，此時T1，T3的觸發(fā)脈沖消失，T2和T4這兩個MOS管導(dǎo)通，但不能立即導(dǎo)通，先經(jīng)過D2和D4續(xù)流，等電流下降到零時再開始導(dǎo)通。另外，這四個二極管還有限制過電壓的作用。-10-3.3 主電路工作原理3.3.1 主電路拓?fù)渲麟娐返耐負(fù)淙鐖D 3-5所示。此主電路由以下幾個環(huán)節(jié)組成，共模抑制環(huán)節(jié)，工頻變壓器，整流電路，限流電路，Boost升壓電路，橋式逆變電路和濾波電路。3.3.2 主電路工作過程輸入電壓通過共模抑制環(huán)節(jié)，去掉高頻燥聲，然后工頻變壓器降壓。變壓器降壓后的電壓經(jīng)整流電路得到一個直流電壓，此直流電壓的數(shù)值大概為 150V，要注意的是整流后的直流電壓要先經(jīng)過限流電路，以防止剛開始給電容充電時沖擊電流過大會減短電容C0的使用壽命(有時甚至被損壞)。同時，此直流電壓作為Boost電路的輸入，經(jīng)Boost電路升壓后得到的直流環(huán)電壓大概為315伏，此電壓經(jīng)橋式逆變電路，得到一系列的脈沖寬度不同的、幅值一樣的方波(即以正弦波為基波的SPWM波)，然后在經(jīng)過輸出濾波環(huán)節(jié)，則可得到符合要求的交流輸出電壓(220V/50Hz或110V/60Hz)。整流電路限流電路Boost升壓電路橋式逆變電路K?L1D9共模抑制M1D1M2D2D5D6濾波電路FR1L2C2輸入C1工頻變壓器12+C3+C4C5交流輸出M5D7D8R2M4D4M3D3圖3-5主電路拓?fù)?.4 控制電路工作原理3.4.1 輔助電源設(shè)計(jì)小型直流穩(wěn)壓電源在當(dāng)前眾多的電子設(shè)備中是用途最廣、用量最多的一種。本次設(shè)計(jì)的逆變電源同樣也不例外。輔助電源設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如下圖 3-6所示。輔助電源主要由一個多組抽頭的變壓器、6個集成橋塊及6個三端固定穩(wěn)壓集成塊(7805，7815及7915各一塊，7820三塊)。變壓器的原邊接主電路共模抑制環(huán)節(jié)的輸出端。副邊輸出6組電壓，分別為7V，17V及22V三個等級。這6組電壓分別經(jīng)過橋式整流電路、濾波電路后輸出到三端固定集成穩(wěn)壓芯片。然后從集成穩(wěn)壓芯片輸出端就能得到符合要求的直流工作電壓。其中 +5V用來供給74LS08和74LS05。 15V電壓用來供給 ICL8038及兩片SG3524集成芯片做工作電壓。三組+20V電壓用來供給主電路中 5個MOS管的驅(qū)動電路做工作電壓的，-11-7V7805+Ca1Ca2Ca3+5VD117V+7815Cb1Cb2+15VCb3D2D3+Cc1Cc2Cc3-15V17V7915220V22V+7820Cd1Cd2Cd3+20VD422V+7820Ce1Ce2Ce3+20VD522V+7820Cf1Cf2Cf3+20VD6圖3-6輔助電源結(jié)構(gòu)圖橋式電路的上面兩個MOS管(M1，M2)各用一組，剩下的一組用來供給Boost電路中的開關(guān)管(M5)和橋式電路下面的兩個MOS管(M3，M4)，這樣使用的目的是為了使驅(qū)動電路不互相共地，減少彼此間的干擾。3.4.2 控制電路框圖控制電路的框圖如圖3-7所示。910UfUgUbUe比較器分相及光耦SG3524脈寬驅(qū)動調(diào)制器UaUdUaUc正弦波信號精密全波整加法器發(fā)生器流1V基準(zhǔn)圖3-7控制電路框圖3.4.3 控制電路工作過程由圖3-7可知，由正弦波信號(由集成芯片ICL8038產(chǎn)生)發(fā)生電路產(chǎn)生的正弦信號分兩路，一路到精密全波整流電路，經(jīng)過精密全波整流后，產(chǎn)生饅頭波，此饅頭波再與帶有 1V基準(zhǔn)的加法器相加，得到幅值抬高了的饅頭波， 即Ud，使-12-其控制在1V-3.6V范圍內(nèi)。Ud再輸入到集成芯片 SG3524，然后產(chǎn)生一系列經(jīng)過脈沖寬度不等、幅值相等的矩形波，即經(jīng)過調(diào)制后的 SPWM波。另一路正弦信號到比較器，經(jīng)過比較器后，產(chǎn)生正負(fù)半波對稱的方波，此方波和前面產(chǎn)生的SPWM波共同輸入到分相電路，然后產(chǎn)生兩路只在每個半周期內(nèi)具有 SPWM波的信號Uf和Ug，再用Uf、Ug來分別驅(qū)動橋式電路的兩對對角臂上的MOS管(中間要經(jīng)過光耦隔離和驅(qū)動放大)。3.4.4 SG3524與ICL8038芯片介紹(一)SG3524芯片SG3524是一種應(yīng)用極為廣泛的PWM波形發(fā)生器集成電路，最先由美國硅通公司(SiliconGeneralComp)生產(chǎn)，現(xiàn)世界上許多公司都生產(chǎn)這種產(chǎn)品，如美國UNITRODG公司的UC3524、國產(chǎn)的CW3524(北京半導(dǎo)體五廠、驪山微電子研究所生產(chǎn))等。其改進(jìn)型性能更優(yōu)良的型號為SG3524A，該系列同樣分為軍品、工業(yè)品與民品。SG3524采用標(biāo)準(zhǔn)雙列直插式16引腳(DIP-16)集成電路封裝，其反相輸入116Vinf同相輸入Vc215振蕩器輸出B管E314電流限制檢測+B管C413電流限制檢測-A管C512RTA管E611CT封鎖端710地補(bǔ)償端89a）SG3524引腳說明155V基準(zhǔn)調(diào)節(jié)器168112V12誤差+放大器119比較器4電流雙穩(wěn)5態(tài)觸限制器13發(fā)器+V210147振蕩器36SG3524內(nèi)部原理圖圖3-8SG3524引腳排列和內(nèi)部框圖-13-軍品與工業(yè)品型號分別為SG1524和SG2524，而民品為SG3524。它的引腳排列和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。誤差放大器實(shí)際上是個差分放大器，1號引腳為其反向輸入端;2號引腳為其同相輸入端。一般地，一個輸入端連到16號引腳的基準(zhǔn)電壓的分壓電阻上(應(yīng)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，SG3524-1芯片的1號腳接控制反饋信號電壓，2號腳接在基準(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(bǔ)交替輸出高低電平，其作用是將PWM脈沖交替送至V1、V2的基極，鋸齒波在此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出現(xiàn)同時導(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度。當(dāng)V1及V2并聯(lián)應(yīng)用時，其輸出脈沖的占空比為0%-90%;當(dāng)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，在本系統(tǒng)電路圖(圖3-1)中，兩塊SG3524都為并聯(lián)使用。當(dāng)號引腳上加高電平時，可實(shí)現(xiàn)對輸出脈沖的封鎖，可用來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。(二)ICL8038芯片1415ICL8038的引腳排列和內(nèi)部原理電路框圖如圖3-9所示。ICL8038由恒壓源I1，I2，電壓比較器C1，C2和觸發(fā)器等組成。在圖3-14中，電壓比較器C1、C2的門限電壓分別為2Vr和Vr(VrVccVee)，電流源I1和33I2的大小可通過外接電阻調(diào)節(jié)，且I2必須大于I1。當(dāng)觸發(fā)器的Q端輸出為低電平時，它控制開關(guān)S使電流源I2斷開。而電流源I1則向外接電容C充電，使電容兩端電壓Vc隨時間線性上升，當(dāng)Vc上升到Vc2Vr時，比較器C1輸出發(fā)生跳3變，使觸發(fā)器輸出Q端由低電平變?yōu)楦唠娖?，控制開關(guān)S使電流源I2接通。由于I2>I1，因此電容 C放電，Vc隨時間線性下降。當(dāng)Vc下降到Vc Vr時，比較3器C2輸出發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出端 Q又由高電平變?yōu)榈碗娖剑琁2再次斷開，I1再次向C充電，Vc又隨時間線性上升。如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。若I2=2I1，Vc上升時間與下降時間相等，就產(chǎn)生三角波輸出到腳 3。而觸發(fā)器輸出的方波，經(jīng)緩沖器輸出到腳 9。三角波經(jīng)正弦波變換器變成正弦波后由腳 2輸出。當(dāng)I1 I2 2I1時，Vc的上升時間與下降時間不相等，管腳 3輸出鋸齒波。因此，ICL8038能輸出方波、三角波、正弦波和鋸齒波等四種不同的波形。本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用ICL8038，主要是用來產(chǎn)生正弦波信號發(fā)生的。具體的電路的連接方式和設(shè)-14-計(jì)的參數(shù)在利用 SG3524生成SPWM波的中介紹。ADJ-SINE1114NCSWNC213TRIADJ-SINE1312ADJ-F/DR1-VEE/GND11ADJ-F/DR24外接電容510C+VccSQ69FM-BFM-IN78(a)ICL8038引腳圖+VccRI1比較器C1R比較器C1C三角波容R緩沖器電正接QR弦正弦波外SQ觸發(fā)器S變換器方波I2緩沖器-VEEICL8038內(nèi)部原理圖圖3-9ICL8038引腳圖和電路原理圖3.4.5 控制電路參數(shù)設(shè)計(jì)(一)利用SG3524生成SPWM信號按照上述SG3524的工作原理，要得到 SPWM波，必須得到一個幅值在 1～3.5V，按正弦規(guī)律變化的饅頭波，將它加到 SG3524-2內(nèi)部，并與鋸齒波比較，就可得到正弦脈寬調(diào)制波。關(guān)鍵是正弦波信號的發(fā)生，我們設(shè)計(jì)的正弦波信號發(fā)生電路如圖3-10所示。正弦波電壓Ua由函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生。ICL8038引腳和具體的接法如-15-R115VR3R274569方波3ICL8038三角波81011122正弦波CR15V圖3-10正弦波信號發(fā)生電路圖3-9所示，正弦波的頻率由R1、R2和C來決定，f0.15，為了調(diào)試方(R1R2)C便，我們將R1、R2都用可調(diào)電阻，R2和R是用來調(diào)整正弦波失真度用的。在實(shí)驗(yàn)中我們測得當(dāng)f50HZ時，R1R29.7K，其中C0.22F。正弦波信號產(chǎn)生后，一路經(jīng)過精密全波整流，得到饅頭波UC(圖3-12)，另一路經(jīng)過比較器得到與正弦波同頻率，同相位的方波Ud。UC與1V基準(zhǔn)經(jīng)過加法器后得到udu。輸入到SG3524-2的1腳，2腳與9腳相連，這樣Ud和鋸齒波將在SG3524-2內(nèi)部的比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生SPWM波Ue。分相電路用一塊二輸入與門74LS08和一塊單輸入非門74LS05所組成。Ub和Ue加到分相電路后就可以得到驅(qū)動信號Ut和Ug，再將Uf和Ug加到MOS管驅(qū)動電路的光耦原邊，就可以實(shí)現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制。(二)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路如圖3-11所示。本驅(qū)動電路由驅(qū)動脈沖放大和5V基準(zhǔn)兩部分組成。脈沖放大包括光耦V01，R1和R2，中間級的Vt1，推挽輸出電路Vt2和Vt3;對高頻干擾信號進(jìn)行濾波的C1;5V基準(zhǔn)部分包括R4，Vz1和C2，既為MOS管提供-5V的反向電壓，又為輸入光耦提供副邊電源。其工作原理是：1)當(dāng)光耦原邊有控制電路的驅(qū)動脈沖電流流過時，光耦導(dǎo)通，使Vt1基極電位迅速下降，Vt1截止，導(dǎo)致Vt2導(dǎo)通，Vt3截止，電源通過Vt2，柵極電阻R5使MOS管導(dǎo)通。2)當(dāng)光耦原邊無控制電路的驅(qū)動脈沖電流流過時，光耦不導(dǎo)通，使 Vt1基極電位上升，Vt1導(dǎo)通，Vt2截止，MOS管柵極電荷通過Vt3，柵極電阻R5迅速放電，-5V偏置反壓使之可靠的關(guān)斷。-16-3)電阻R5和穩(wěn)壓管Vz2，Vz3用以保護(hù)MOS管柵極不被過高的正、反向電壓所損壞。4)光耦Vo1，采用組合光敏管型光耦6N136，具有光敏二極管響應(yīng)速度快，線性特性好，電流傳輸大的優(yōu)點(diǎn)，能滿足實(shí)驗(yàn)的要求。R2R4R3VT2VT1R5M1VDR1VT3VZ2C1R6VZ3VO1VZ1C2圖3-11MOS管驅(qū)動電路原理圖(三)過流保護(hù)電路過流保護(hù)是利用 SG3524的10腳加高電平封鎖脈沖輸出的功能。當(dāng) 10腳為高電平時，SG3524的腳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。過流信號取自電流互感器(對SG3524-1芯片取在主電路中工頻變壓器的副邊，對SG3524-2芯片取在濾波電路前)，經(jīng)整流后得到電流信號加至如圖3-12所示過流保護(hù)電路上。過流信號加至電壓比較器LM339的同相端。當(dāng)過流信號使同相端電平比反相端參考電平高時，比較器將輸出高電平，則二極管 D1將從原來的反向偏置狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎驅(qū)ǎ淹喽穗娢惶嵘秊楦唠娖?，這一變化將使得電壓比較器一直穩(wěn)定輸出高電平封鎖脈沖，則Boost電路停止工作，在正常狀態(tài)下，比較器輸出零電平，不影響B(tài)oost電路工作。+15VR2 R5R1+5V過流

D2信號R3D1R4C SG3524-10圖3-12過流保護(hù)電路-17-(四)反饋調(diào)壓電路反饋調(diào)壓電路如圖 3-13所示：16R1u0D51D1D3W1R3SG3524C接反饋?zhàn)儔浩鱎22D2D4R4圖3-13反饋調(diào)壓電路當(dāng)逆變器正常工作時，逆變器的輸出信號接反饋?zhàn)儔浩鳎穗妷航?jīng)整流、濾波及分壓得到反饋電壓 U0，顯然，調(diào)節(jié)U0可調(diào)節(jié)負(fù)反饋電壓的大小， U0的大小是正比于逆變器的輸出電壓的。從而調(diào)節(jié) W1可調(diào)節(jié)反饋電壓的大小，從而調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值。U0控制信號被送到SG3524-1芯片的誤差放大器的反相端腳1。誤差放大器的同相端腳2接參考電平。這樣，SG3524的輸出脈沖的占空比就受到反饋信號的控制。調(diào)節(jié)過程是這樣的，當(dāng)逆變器輸出因突加負(fù)載而降低時，它會使加在SG3524-1的腳1的輸入反饋電壓下降，這會導(dǎo)致SG3524-1輸出脈沖占空比增加，從而使得Boost電路輸出電壓升高，逆變橋的直流電壓升高，逆變器輸出交流電壓升高。反之亦然?？梢?，正是通過SG3524-1的脈寬調(diào)制組件的控制作用，實(shí)現(xiàn)了整個逆變器的輸出自動穩(wěn)壓調(diào)節(jié)功能。-18-第四章 計(jì)算機(jī)仿真工具、電路及結(jié)果4.1 電路仿真及計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)工具 6 78隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用。電氣系統(tǒng)工程規(guī)模日益龐大，線路日益復(fù)雜，而設(shè)計(jì)研制的期限卻日益縮短。電氣技術(shù)人員逐漸體會到購買元器件動手實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)先做一下仿真，即仿真成了設(shè)計(jì)的第一步。其中，電子電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (ComputerAidedDesign)技術(shù)己經(jīng)成為電子電路分析設(shè)計(jì)中不可缺少的有力工具，以集成電路 CAD為基礎(chǔ)的電子設(shè)計(jì)自動化(ElectronicDesignAutomation)已經(jīng)成為電子學(xué)科領(lǐng)域中的重要學(xué)科。本文仿真及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具選用的是 OrCAD 公司于 1998年推出的OrCADRelease9.0，它包括以下四個部分的功能。①原理圖輸入、器件信息管理系統(tǒng) OrCADCapture9.0;②模擬/數(shù)字混合電路分析與設(shè)計(jì) OrCADPspiceA/D9.0;③印刷板電路設(shè)計(jì) OrCADLayoutPLuse9.0;④可編程邏輯設(shè)計(jì) OrCADExpressProduct9.0;本文利用OrCAD仿真軟件，對前文所做的理論分析及電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證，同時利用仿真結(jié)果作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。4.2 仿真電路、元件、參數(shù)及程序4.2.1 主電路仿真圖4-1示出了逆變器的仿真電路。為了能更好地貼近實(shí)際情況，此逆變器的輸入電源為交流電源220V/50Hz，但含有3次、5次奇次諧波，以及偶次諧波中的2次諧波。工頻變壓器的鐵芯用非線性鐵芯來模擬。Boost電路中的電感為2mH，在穩(wěn)態(tài)工作時的導(dǎo)通占空比D1為0.6，D1由下式確定：VS,又VS902127V,Ve315V,即D11270.6D111V0315橋式電路的驅(qū)動信號是這樣產(chǎn)生的。電源V2用來產(chǎn)生三角波，電源V3用來產(chǎn)生正弦波作為基波(即調(diào)制波)，然后這兩路信號共同輸入到電壓比較器（DIFF1）用來產(chǎn)生一系列脈沖寬度不同的三角波(幅值也不同)，此三角波輸入到GLIMITI(其正向幅值為 15V及負(fù)向幅值為 0，這樣當(dāng)輸入的信號大于 15時輸出為15V，當(dāng)輸入小于0時輸出為0)，從GLIMITI的輸出信號是一系列等幅不等寬的SPWM波。然后此SPWM波一路直接輸入到M2和M4管(其中到M2驅(qū)動信號為了隔離要經(jīng)過電壓受控源E1)；另一路則輸入到M6管(進(jìn)行分相處理)，經(jīng)過M6管后再供給M1和M3管(其中到M1的驅(qū)動信號為了相互隔離要經(jīng)過電壓受控-19-源E2)做驅(qū)動信號。仿真時用到的各元件型號及參數(shù)如圖4-1所示。L32mHD5M1M2E1R10.8VOFF=0V1M5EVAMPL=311D2D1FREQ=50V1=0V10C4M4M3VOFF=0V5L1L2V2=151000uTD=020mHR31VAMPL=704mHC1TR=1nV4FREQ=1501000uTF=1nM615VdcD4PW=50uVOFF=0V6D3PER=100uVAMPL=42FREQ=250E2V1=-15V2V2=15V7VOFF=0TD=0VAMPL=10ETR=50uFREQ=100L4TF=50u400mHPW=2nPER=100uR2C31005uVOFF=0V3DDIFF1VAMPL=12GLIMIT1R4FREQ=5010圖4-1仿真電路原理圖4.2.2 驅(qū)動電路仿真電路如圖4-2所示，此驅(qū)動電路模擬的是當(dāng)一個驅(qū)動脈沖到達(dá)光耦的原邊時，其副邊能否很快的響應(yīng)，以及后面的功率放大電路(驅(qū)動場效應(yīng)管的驅(qū)動信號需具有一定的功率)的輸出能否滿足要求。 19R2R5470470V3Q2R620VdcR3PN3565V1=15100470V2=0V1DIN4733TD=0D3TR=50uR4Q5Q3R1TF=50uPN424013KPN3565PW=5n470D4PER=100u-5nDIN4744Q45VdcV2DIFF1PN3565DC1GLIMIT1D2C25nDIN4733100u圖4-2驅(qū)動電路原理圖-20-脈沖發(fā)生器由三角波K、直流電源K、DIFF1及GLIMIT1所組成。在V(3)點(diǎn)可以得到一個脈沖，其幅值為3V。D3為15V的穩(wěn)壓管，D2，D4均是5V的穩(wěn)壓管。此電路的具體工作原理在前文中已有介紹。下面給出V3和V1V2(即驅(qū)動電壓)的仿真波形如下圖4-3所示：圖4-3驅(qū)動電路輸入輸出波形4.2.3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果（一）當(dāng)逆變器輸入為交流電220V/50Hz(含有2次、3次及5次諧波);工頻變壓器的變比為2.2:l，穩(wěn)態(tài)時Boost電路工作時的導(dǎo)通占空比D10.6;輸出交流電壓峰值311V(交流輸出電壓為220V)，頻率為50Hz的正弦波;載波信號為l0kHz的三角波;功率開關(guān)管采用IRF640，輸出高頻濾波電容C5F，負(fù)載R100。有如下仿真波形。圖4-4輸入電壓波形圖4-5輸入電壓頻譜圖從圖4-4和圖4-5中可以看出輸入的電壓波形已經(jīng)發(fā)生了畸變，波形里面含-21-有2次、3次、5次及7次諧波。此時的輸出電壓的波形和頻譜圖分別如圖4-6，4-7所示。圖4-6輸出電壓波形圖4-7輸出電壓頻譜圖從圖4-6的輸出電壓波形及圖4-7的輸出電壓頻譜圖中可以看出，電路輸出電壓的頻率主要集中在50Hz附近，其他諧波分量較小，其中輸入電壓中本來含有的2次、3次、5次及7次諧波幾乎沒有了，逆變電源很好的實(shí)現(xiàn)了它的功能。穩(wěn)態(tài)時，Boost電路等效環(huán)節(jié)的輸入電壓IL2IL3VM5:dVM5:s、ISM5及輸出電壓的波形分別如下所示：圖4-8Boost等效電路輸入電壓-22-圖4-9升壓電感I(L3)波形圖4-10開關(guān)管城上的電壓波形圖4-11開關(guān)管M5上的電流波形圖4-12 Boost等效電路輸出電壓波形上面的波形驗(yàn)證了前文中理論分析的正確性。用公式 (3-4)，即：D11D12L12RTS-23-計(jì)算出的電感值可以滿足設(shè)計(jì)的要求。從開關(guān)管上的工作電流和工作電壓的波形可以為我們提供選擇合適參數(shù)的場效應(yīng)管提供參考，考慮到一定的裕量，可選用IRF840(電壓等級為 500V，電流為 8A)。逆變橋的場效應(yīng)管驅(qū)動電壓的波形 (即SPWM波)、工作電壓和電流波形以及逆變橋輸出電壓和頻譜波形如下圖所示：圖4-13M2管的柵極驅(qū)動電壓波形圖4-14 M2管的工作電壓波形圖4-15 M2管的工作電流波形-24-圖4-16逆變橋輸出電壓波形圖4-17逆變橋輸出電壓頻譜分析圖4-13示出了給場效應(yīng)管M2驅(qū)動信號的SPWM波形，另外M4管的驅(qū)動信號和M2管一樣，M1和M3的驅(qū)動信號與峽管在相位上相差 180度。圖4-14和4-15為逆變器中場效應(yīng)管的選取提供了依據(jù)，我們在實(shí)驗(yàn)選用的 MOS管為IRF840。圖4-16和4-17給出了逆變橋的輸出電壓和頻譜，為后面輸出濾波參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，同時圖4-17中的頻譜圖也驗(yàn)證了公式(3-5)，即：2Ud JnmMUabt MUdsin t cosm sinmN n tm1n 1,3 m奇數(shù)(二)由于此電源是為電網(wǎng)諧波含量多、電壓嚴(yán)重畸變的地方的電力用戶設(shè)計(jì)的。考慮到這些實(shí)際的情況，我們在做樣品之前，也對一系列可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行了最壞的估算，在做仿真分析時，我們用各種各樣的電壓源作為輸入電源均仿真過，輸出電壓波形效果都能令人滿意。下面給出最為典型的，用方波作為輸入信號時輸出電壓的波形。-25-圖4-18