電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)-正弦逆變電路的設(shè)計(jì)

汽車(chē)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)第7頁(yè)共12頁(yè)目錄一、設(shè)計(jì)的基本要求………………2二、電路設(shè)計(jì)思路……………………31.總體框架圖………………………32.逆變電路的設(shè)計(jì)………………33.SPWM脈寬調(diào)制電路的設(shè)計(jì)…………………44.驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)…………………75.保護(hù)電路的設(shè)計(jì)…………………96.交流穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)…………97.主電路元器件參數(shù)計(jì)算和選擇……………10三、附錄…………………11四、參考文獻(xiàn)…………12五、總結(jié)與心得……………………12摘要：本系統(tǒng)是根據(jù)無(wú)源逆變的實(shí)用原理，采用單相全橋逆變電路工作方式，實(shí)現(xiàn)把直流電源（100V）轉(zhuǎn)換成交流電源（220V，50HZ），并對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。達(dá)到的性能要求就是轉(zhuǎn)換出穩(wěn)定的工頻電源，供給給汽車(chē)上的一些電器如車(chē)燈，音像等使用。關(guān)鍵字：車(chē)載蓄電池逆變保護(hù)電路一、設(shè)計(jì)的基本要求太陽(yáng)能是可再生、可持續(xù)性發(fā)展的戰(zhàn)略能源。特別是以汽車(chē)產(chǎn)業(yè)為經(jīng)濟(jì)支柱的國(guó)家，尤其在新能源汽車(chē)動(dòng)力上力圖有所創(chuàng)新和發(fā)展，如在電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)領(lǐng)域紛紛投入巨資，而在太陽(yáng)能汽車(chē)領(lǐng)域更是探索不止，力度加大。太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)是利用太陽(yáng)能電池將收集來(lái)的能量?jī)?chǔ)存在汽車(chē)蓄電池中，由蓄電池輸出的直流電經(jīng)過(guò)DC-AC變換轉(zhuǎn)換成工頻交流電，供用電負(fù)載使用。其能量管理系統(tǒng)框圖如圖1所示，而其中DC-AC變換模塊是其核心部分?，F(xiàn)要求完成正弦逆變電路的設(shè)計(jì)。圖1.太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)能量管理系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)正弦逆變電路，提出了一種低成本的基本原理及制作方法；介紹了驅(qū)動(dòng)電路芯片SG3524和IR2110的使用；設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路。本文闡述了要求非常高的正弦逆變電路的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的一些特殊問(wèn)題的解決措施，提出了一些新穎的觀點(diǎn)。二、電路設(shè)計(jì)思路1.總體框架圖正弦波逆變電路由SPWM波形產(chǎn)生電路、驅(qū)動(dòng)電路、逆變功率橋路、輸出變壓器、高頻濾波器、交流穩(wěn)壓電路及保護(hù)電路等環(huán)節(jié)組成。圖2.正弦逆變電路原理框圖主電路的工作原理是給進(jìn)行DC/AC轉(zhuǎn)換的逆變橋加上直流電源，控制逆變橋管子的通斷，而使直流電變成了工頻交流電。而逆變橋上的4個(gè)可控管子的通斷狀態(tài)是由控制電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制，所產(chǎn)生的低壓交流電經(jīng)過(guò)了變壓器的升壓形成了電壓220V，與用電負(fù)載的頻率、相位一致的交流電回饋到電網(wǎng)上。主電路的基本方框圖如圖2。2.逆變電路的設(shè)計(jì)電壓型逆變電路的特點(diǎn)(1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)(2)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同(3)阻感負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。圖3所示的電壓型單相全橋逆變電路，由4個(gè)IRF740構(gòu)成橋式逆變電路，IRF740最高耐壓400V，電流10A，功耗125W，利用半橋驅(qū)動(dòng)器IR2110提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其輸入波形由SG3524提供，同理可調(diào)節(jié)該SG3524的輸出驅(qū)動(dòng)波形的D<50％，保證逆變的驅(qū)動(dòng)方波有共同的死區(qū)時(shí)間。其中H橋和高頻濾波電路完成直流到交流的變換濾去諧波，獲得交流電；控制電路完成對(duì)H橋中開(kāi)關(guān)管的控制，并使輸出交流電的電壓、頻率和波形穩(wěn)定。功率開(kāi)關(guān)管Ｔ1、Ｔ4和Ｔ2、Ｔ3反相，Ｔ1和Ｔ2相位互差１８０°，調(diào)節(jié)Ｔ1和Ｔ2的輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。由于該電路具有能使Ｔ3和Ｔ4共同導(dǎo)通的功能，因而具有續(xù)流回路，即使對(duì)感性負(fù)載，輸出電壓波形也不會(huì)產(chǎn)生畸變。該電路上、下橋臂的功率晶體管不共地，因此必須采用專(zhuān)門(mén)驅(qū)動(dòng)電路或采用隔離電源。另外，為防止上、下橋臂發(fā)生共態(tài)導(dǎo)通，在Ｔ1、Ｔ4及Ｔ2、Ｔ4之間必須設(shè)計(jì)先關(guān)斷后導(dǎo)通電路，即必須設(shè)置死區(qū)時(shí)間。圖3.電壓型單相全橋逆變電路原理框圖3.SPWM脈寬調(diào)制電路的設(shè)計(jì)為了降低成本，使用兩塊集成PWM脈沖產(chǎn)生芯片SG3524和一塊函數(shù)芯片ICL8038，使得控制電路簡(jiǎn)潔，易于調(diào)試。3.1.SG3524的功能及引腳

圖4所示為SG3524的結(jié)構(gòu)框圖和引腳圖。(a).SG3524引腳說(shuō)明(b).SG3524內(nèi)部框圖圖4.SG3524引腳及內(nèi)部框圖SG3524工作過(guò)程是這樣的：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，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(shè)計(jì)將Boost電路的開(kāi)關(guān)頻率定為10kHz，取CT=0.22μF，RT=5kΩ；逆變橋開(kāi)關(guān)頻率定為5kHz，取CT=0.22μF，RT=10kΩ。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)際上是個(gè)差分放大器，腳1為其反向輸入端；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，SG3524-1芯片的腳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?；蚍情T(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PWM脈沖交替送至兩個(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°。當(dāng)V1及V2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，在本系統(tǒng)電路圖中，兩塊SG3524都為并聯(lián)使用。當(dāng)腳10加高電平時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖的封鎖，進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。3.2.利用SG3524生成SPWM信號(hào)

按照上述SG3524的工作原理，要得到SPWM波，必須得有一個(gè)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。我們?cè)O(shè)計(jì)的控制電路框圖，以及實(shí)際電路各點(diǎn)的波形，如圖5所示。(a).控制電路框圖(b).各點(diǎn)波形圖5.控制電路框圖及各點(diǎn)波形

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圖5所示。正弦波的頻率由R1，R2和C來(lái)決定，f=，為了調(diào)試方便，我們將R1及R2都用可調(diào)電阻，R2和R是用來(lái)調(diào)整正弦波失真度用的。在實(shí)驗(yàn)中我們測(cè)得當(dāng)f=50Hz時(shí)，R1＋R2=9.7kΩ，其中C=0.22μF。正弦波信號(hào)產(chǎn)生后，一路經(jīng)過(guò)精密全波整流，得到饅頭波uc，另一路經(jīng)過(guò)比較器得到與正弦波同頻率，同相位的方波ub。uc與1V基準(zhǔn)經(jīng)過(guò)加法器后得到ud，ud輸入到SG3524-2的腳1，腳2與腳9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(mén)74LS08和一塊單輸入非門(mén)74LS05所組成。ub和ue加到分相電路后就可以得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)uf和ug，再將uf和ug加到MOS管驅(qū)動(dòng)電路的光耦原邊，就可以實(shí)現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制。圖6.ICL8038用于正弦波信號(hào)發(fā)生4.驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，起功率開(kāi)關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種方式.美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動(dòng)器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，是大功率MOSFET和IGBT專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)集成電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還具有快速完整的保護(hù)功能，因而它可以提高控制系統(tǒng)的可靠性，減少電路的復(fù)雜程度。圖7.驅(qū)動(dòng)電路原理圖圖8.IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理框圖LO（引腳1）:低端輸出

COM（引腳2）:公共端

Vcc（引腳3）:低端固定電源電壓

Nc（引腳4）:空端

Vs（引腳5）:高端浮置電源偏移電壓

VB(引腳6):高端浮置電源電壓

HO（引腳7）:高端輸出

Nc（引腳8）:空端

VDD（引腳9）:邏輯電源電壓

HIN（引腳10）:邏輯高端輸入

SD（引腳11）:關(guān)斷

LIN（引腳12）:邏輯低端輸入

Vss（引腳13）:邏輯電路地電位端，其值可以為0V

Nc（引腳14）:空端汽車(chē)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)第12頁(yè)共12頁(yè)IR2110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理框圖如圖8所示。圖中HIN和LIN為逆變橋中同一橋臂上下兩個(gè)功率MOS的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)輸入端。SD為保護(hù)信號(hào)輸入端，當(dāng)該腳接高電平時(shí)，IR2110的輸出信號(hào)全被封鎖，其對(duì)應(yīng)的輸出端恒為低電平；而當(dāng)該腳接低電平時(shí)，IR2110的輸出信號(hào)跟隨HIN和LIN而變化，在實(shí)際電路里，該端接用戶的保護(hù)電路的輸出。HO和LO是兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，驅(qū)動(dòng)同一橋臂的MOSFET。IR2110的自舉電容選擇不好，容易造成芯片損壞或不能正常工作。VB和VS之間的電容為自舉電容。自舉電容電壓達(dá)到8.3V以上，才能夠正常工作，要么采用小容量電容，以提高充電電壓，要么直接在VB和VS之間提供10～20V的隔離電源，本電路采用了1μF的自舉電容。IR2110的具體工作原理：IR2110內(nèi)部功能由三部分組成：邏輯輸入；電平平移及輸出保護(hù)。如上所述IR2110的特點(diǎn)，可以為裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)許多方便。

高端側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)的自舉原理：

IR2110驅(qū)動(dòng)半橋的電路如圖所示，其中C1，VD1分別為自舉電容和自舉二極管，C2為VCC的濾波電容。假定在S1關(guān)斷期間C1已經(jīng)充到足夠的電壓（VC1VCC）。

當(dāng)HIN為高電平時(shí)如圖9：VM1開(kāi)通，VM2關(guān)斷，VC1加到S1的柵極和源極之間，C1通過(guò)VM1，Rg1和柵極和源極形成回路放電，這時(shí)C1就相當(dāng)于一個(gè)電壓源，從而使S1導(dǎo)通。由于LIN與HIN是一對(duì)互補(bǔ)輸入信號(hào)，所以此時(shí)LIN為低電平，VM3關(guān)斷，VM4導(dǎo)通，這時(shí)聚集在S2柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過(guò)Rg2迅速對(duì)地放電，由于死區(qū)時(shí)間影響使S2在S1開(kāi)通之前迅速關(guān)斷。當(dāng)HIN為低電平時(shí)如圖10：VM1關(guān)斷，VM2導(dǎo)通，這時(shí)聚集在S1柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過(guò)Rg1迅速放電使S1關(guān)斷。經(jīng)過(guò)短暫的死區(qū)時(shí)間LIN為高電平，VM3導(dǎo)通，VM4關(guān)斷使VCC經(jīng)過(guò)Rg2和S2的柵極和源極形成回路，使S2開(kāi)通。在此同時(shí)VCC經(jīng)自舉二極管，C1和S2形成回路，對(duì)C1進(jìn)行充電，迅速為C1補(bǔ)充能量，如此循環(huán)反復(fù)。圖9.狀態(tài)一圖10.狀態(tài)二5.保護(hù)電路的設(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11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的腳10關(guān)斷端輸出高電平，停止驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。圖11.欠壓保護(hù)電路圖圖11中運(yùn)算放大器的正向輸入端的電壓由R1和R3分壓得到，而反向輸入端的電壓由穩(wěn)壓管箝位在一值，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燈亮，同時(shí)三級(jí)管V截止，向SG3524的SD端輸出高電平，封鎖IR2110的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。過(guò)流保護(hù)電路如圖12所示，它監(jiān)測(cè)輸出電流狀況。正弦波逆變電路的輸出電流經(jīng)過(guò)采樣進(jìn)入運(yùn)算放大器的反向輸入端，當(dāng)輸出電流大于預(yù)設(shè)值后，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-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IR2011的SD1端輸出高電平，達(dá)到保護(hù)的目的。圖12.過(guò)流保護(hù)電路圖6.交流穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)交流穩(wěn)壓器是一種能夠使用電設(shè)備的工作電壓基本穩(wěn)定的穩(wěn)壓設(shè)備。交流穩(wěn)壓器種類(lèi)固然很多，主回路工作原理有所不同，但基本上(交流參數(shù)穩(wěn)壓器例外)基本都是輸入開(kāi)關(guān)取樣電路,控制電路,電壓調(diào)節(jié)裝置，輸出保護(hù)裝置,驅(qū)動(dòng)裝置，顯示器及及組成,其基本工作原理框圖如下：

圖13.交流穩(wěn)壓器工作原理框圖1、輸入開(kāi)關(guān)：作為穩(wěn)壓器輸入工作開(kāi)關(guān)，一般都采用有限流保護(hù)的空氣開(kāi)關(guān)式小型斷路開(kāi)關(guān)，它能對(duì)穩(wěn)壓器和用電設(shè)備起到保護(hù)作用。2、電壓調(diào)節(jié)裝置：是一種可以調(diào)節(jié)輸出電壓的裝置,它能將輸出電壓升高或降低是穩(wěn)壓器最主要的部件。3、取樣電路：它對(duì)穩(wěn)壓器輸出電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)，將輸出電壓變化的情況給傳送給控制電路。4、驅(qū)動(dòng)裝置：由于控制電路的控制電信號(hào)較弱,所以需要用驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)進(jìn)行功率放大和轉(zhuǎn)換。5、驅(qū)動(dòng)保護(hù)裝置：一種連通和斷開(kāi)穩(wěn)壓器的輸出的裝置，一般常用繼電器或接觸器或保險(xiǎn)器等。6、控制電路：它將取樣的電路檢測(cè)型號(hào)進(jìn)行分析,當(dāng)輸出電壓偏高時(shí)，則向驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送將電壓降低的控制信號(hào)，則驅(qū)動(dòng)裝置將驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置將輸出電壓調(diào)低，當(dāng)輸出電壓偏低時(shí)，則向驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送將電壓升高的控制信號(hào)，則驅(qū)動(dòng)裝置將驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置將輸出電壓調(diào)高，而使輸出電壓穩(wěn)定達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。當(dāng)檢測(cè)到輸出電壓或電流超出穩(wěn)壓器的控制范圍時(shí)?？刂齐娐穼⒖刂戚敵霰Ｗo(hù)裝置使之?dāng)嚅_(kāi)輸出而保護(hù)用電設(shè)備，而在正常時(shí)輸出保護(hù)裝置是連通輸出的，用電設(shè)備可以得到穩(wěn)定的電壓供給。7.主電路元器件參數(shù)計(jì)算和選擇正弦逆變變換電路的輸入電壓Ui限定在80-200V，取Ui＝100V作為計(jì)算參數(shù)來(lái)進(jìn)行器件的選擇。主電路中需要確定參數(shù)的元器件有MOSFET、驅(qū)動(dòng)器、電感、電容。1.MOSFET(1)．MOSFET類(lèi)型由于電力MOSFET管大都是N溝道MOSFET，因此本課題中也選擇這種類(lèi)型。(2)．額定電流的選擇選用MOSFET時(shí)，由于存在電容濾波，考慮沖擊電流的存在，管子額定電流為沖擊電流的1～2倍。因?yàn)槌潆婋娏鳛?～2C，考慮最大的情況，即正常充電脈沖為8C，所以開(kāi)關(guān)管的額定電壓為(1～2)×8A=(8～16)A。此處選擇最大值則為16A。即MOSFET的額定電流為16A。(3)．額定電壓的選擇在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方案的主電路中可以看出，開(kāi)關(guān)管的最大正向電壓為100V，最大反向電壓為100√2V=141V，考慮2～3倍的裕量，則額定電壓為282～423v。(4)．具體MOsFET選擇從上面的電壓電流額定參數(shù)計(jì)算可以看出，額定電壓比較低，因此主要選擇電流標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)選擇，我采用了IRF740型MOSFET管，其具體參數(shù)如上。由于在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室充電測(cè)試中，采用了lC的電流進(jìn)行充電，因此選用了10A的額定電流參數(shù)，從上面參數(shù)看出IRF740完全滿足需要。2.驅(qū)動(dòng)器IR2110的自舉電容選擇不好，容易造成芯片損壞或不能正常工作。VB和VS之間的電容為自舉電容。自舉電容電壓達(dá)到8.3V以上，才能夠正常工作，要么采用小容量電容，以提高充電電壓，要么直接在VB和VS之間提供10～20V的隔離電源，本電路采用了1μF的自舉電容。3.電感L為工頻電感,選擇大電感L，使得電路能夠續(xù)流。定MOSFET導(dǎo)通頻率為f=50kHz，此時(shí)的臨界電感為，所以電感L>=，取L=。4.電容C為工頻電容,選擇的電容不能取的太大，否則會(huì)使電路的速度變得很慢。，這里取C=。為減小噪聲，選閉合鐵芯，C為工頻電容，可以選標(biāo)稱(chēng)值。三、附錄元器件明細(xì)表元器件名稱(chēng)數(shù)量元器件名稱(chēng)數(shù)量電阻R20電力三極管2放大器4IRF7404電容C10CD40112電解電容5IR21102電力二極管VD10SG35242電感L1LED1四、參考文獻(xiàn)[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.8[2]廖冬初，聶漢平.電力電子技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007.9[3]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）[M].5版.北京：高等教育出版社，2009.12[4]王