基于PWM的正弦波电源的设计与实现.docx

学校代码：11517学号：2302河由二允厚女HENANINSTITUTEOFENGINEERING毕业设计题目基于PwM的正弦波电源的设计与实现学生姓名韩立业专业班级电气工程及其自动化1123班学号2302系（部）电气信息工程学院指导教师（职称）牛亚莉（副教授）邓丽霞（讲师）完成时刻2013年5月20日河南工程学院论文版权利用授权书本人完全了解河南工程学院关于搜集、保留、利用学位论文的规定，同意如下各项内容：依照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保留论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手腕保留论文；学校有权提供目录检索和提供本论文全文或部份的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版；在不以获利为目的的前提下，学校能够适当复制论文的部份或全数内容用于学术活动。论文作者签名:河南工程学院毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的功效。除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究功效不包括任何他人创作的、已公开发表或没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出奉献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：年月日河南工程学院毕业设计(论文)任务书题目基于PWM的正弦波电源的设计与实现专业电气工程及其自动化学号2302姓名韩立业主要内容、大体要求、主要参考资料等：主要内容：设计一个基于PWM的正弦波电源，包括电源逆变系统的大体结构和控制方式、硬件电路的设计、控制系统软件的设计等。按照仿真模型焊接，并选择各元器件，作出实物,并将实物的实际输出与模型比较，校正并调整，并将此电源在实验室制作出实物。大体要求：一、掌握PWM控制技术，肯定整体设计方案。二、熟悉逆变器工作原理，完成器件选型，绘制系统硬件原理图。3、完成硬件电路的焊接、测试。4、编写软件程序，进行软硬件联机调试。主要参考资料：1刘风君.正弦波逆变器.北京科学出版社,20022王水平等.PWM控制与驱动器利用应用电路.西安电子科技大学出版社,20043王兆安.电力电子技术，第五版.北京机械工业出版社,20094钱照明，叶忠明,董柏藩,电力系统自动化.北京科学出版社,1997(21):35-705李先允，姜宁秋,电力电子技术,中国电力出版社，2007(6):17-29完成期限：指导教师签名：专业负责人签名：年月日摘要IABSTRACTII1绪论1论文的来源目的及意义1设计指标及实现1研究概况2主要内容22逆变器的主要控制方式4逆变器的模拟控制方式4电压型控制方式4单周期控制技术5逆变器的数字控制53逆变系统大体结构及其控制策略7逆变系统的大体结构7SPWM控制技术原理及其实现8SPWM控制技术原理8SPWM控制脉冲的实现方式104系统硬件电路13电源的整体结构和原理13逆变电源主电路的设计及仿真13死区时刻控制电路14输出LC滤波器的计算15功率开关管的选择16驱动电路17缓冲电路20采样调制电路21过欠压保护电路22本章小结245电源的实现256总结27致谢28参考文献29附录31Vll基于PWM的正弦波电源的设计与实现摘要伴随着电力电子技术的进展和变频电源的应用愈来愈普遍，对作为变频电源中重要的部份一逆变器也提出了更高的要求。传统的逆变器多为模拟控制或模数控制相结合的控制系统，结构复杂，集成化程度低，而且价钱高，因此逆变器的数字化成了一种趋势。逆变器主要包括逆变主电路、控制电路、滤波电路及其他辅助电路。本设计第一介绍逆变电源的传统控制及数字化控制方式，接着介绍逆变电源的大体结构，分析逆变电源的SPWM控制原理，编写了SPWM的产生程序。随后进行了逆变系统的硬件设计，主要包括逆变主电路、死区时刻控制电路、DC-DC升压模块等，并肯定了电路中各元器件的型号。在Proteus中完成了系统的仿真与调试，在仿真中系统的参数知足了设计要求，以后完成实物的制作，完成实物后，经测试结果并未达到要求。关键词逆变器/数字控制/脉冲宽度调制DesignandRealizationofsinewavepowersupplybasedonPWMABSTRACTWiththedevelopmentofscienceandtechnology,variablefrequencypowersupplyappliedmorewidelyinourlife,butalsoputforwardhigherrequirementsonasanimportantpartoftheinverterfrequencyconversionpower.Thetraditionalinvertertocontrolthesystem,simulationofcontrolormoduluscontrolcombinedwithacomplexstructure,theintegrateddegreeislow,andthepriceishigh,sothedigitalinverterhasbecomeatrend-Inverterincludesthemaincircuit,theinvertercontrolcircuit,filtercircuitandotherauxiliarycircuit.Thisdesignintroducesthetraditionalinverterpowercontrolanddigitalcontrolmode,andthenintroducesthebasicstructureofinverter,SPWMcontrolprincipleofinverterpowersupply,thegenerationprocessofSPWM.Thenthehardwaredesignofinvertersystem,includesthemaincircuit,controlcircuitofinverterdeadtime,DC-DCconvertermodule,andtoidentifythecomponentsinthecircuitmodel.ThesimulationanddebuggingofthesystemintheProteussysteminthesimulation,parametersmeetthedesignrequirements,afterthecompletionofproductioninkind,tocompletethematerial,thetestresultsdonotmeettherequirements.KEYWORDSInverter9Digitalcontrol,PWM1绪论电力电子器件产生于2()世纪40年代末，随着几十年的进展，电力电子器件在大功率化、高频化、集成化取得了长足的进步，在此期间逆变器技术也飞速进展起来。论文的来源目的及意义变频电源就是一种交流一直流交流转换的电源装置，通过转换后的输出信号为纯净的正弦波信号，该种电源可在适当的范围内调节输出信号的频率和电压。它在咱们的生活与工作中应用十分普遍，主要适用于家用电器、电子应用、实验室等方面，并可用来检测各类用电电器。变频电源中的逆变器的作用就是将直流电压转为交流电压，随着科技不断的进步，逆变器技术也取得了长足的进展，同时对逆变器的要求也愈来愈高。采用模拟控制方式或模数相结合的控制方式的逆变电源的结构复杂，集成化程度低，而且价钱昂贵。为了解决这些问题，同时随着高性能的数字芯片的产生，逆变器的数字化成了一种趋势。PWM的全称是PUlSeWidthModUlatiOn(脉冲宽度调制)，该种控制方式的大体原理就是通过改变逆变主电路中的开关器件的通断时刻来取得一系列宽度不等、幅值相同的脉冲，而后用此脉冲替代设计中所需的波形。脉宽调制控制方式因其控制简单，灵活和动态响应好的长处而成为电力电子技术最普遍应用的控制方式。随着电子技术的进展，出现了多种脉冲宽度调制技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等。所谓SPWM,就是在脉冲宽度调制的基础上改变了调制脉冲方式，通过改变脉冲的占空比取得正弦波的输出。设计指标及实现技术指标为:当输入电压为24V±10%V时，通过逆变器的输出电压要达到单相交流36V±5%V,400HZ的指标，且输出电流为200mA。按照设计指标肯定逆变系统的主电路，而且肯定系统的控制方式，完成该系统的软件仿真，按照仿真的结果进行调试，取得符合技术指标的输出。按照仿真模型肯定各个元器件，最终做出电源的实物。研究概况逆变电源从出现到此刻共经历了三个阶段的进展，20世纪50年代末是电力电子技术飞速进展的时期，逆变电源也产生于那个时期。逆变电源出现之初逆变电路中采用了ThyriStOr（晶闸管）开关器件，因为电路中采用晶闸管器件，该种逆变电源也称为可控硅逆变电源。这是逆变电源进展的第一个阶段。此种电源的出现使逆变技术向前进展了一大步，同时也带来一些问题：在逆变电源中增加了换流装置，增加了其复杂性，而且有噪声大、体积大等缺点。第二代的逆变电源采用GTO、GTR、IGBT等关断器件作为开关器件。此种电源的长处如下：由于采用了自关断器件，因此电路中不需要换流装置，这就减小了电源的体积，并降低了本钱，使得逆变电源的开关频率、动态压降均减小。可是该种电源也有缺点，就是对非线性负载的适应性不强。第三代的逆变电源是应对前两种电源中出现的缺点而提出的。第三代逆变电源采用MOSFET管，理论上说这种增强型绝缘栅场效应管无需驱动功率，因此不存在驱动电流的多次放大，驱动只要使MOS绝缘栅充电进程中输出必然的脉冲幅度,即可使开关管导通，而且其栅极并非消耗功率。该种逆变电源的出现大大提高了系统对非线性负载的适应性和其动态特性。主要内容通过前期对相关资料的查阅，本文分析和对比了全桥及半桥逆变结构及其控制方式的优缺点，通过比较，本文选用电压利用率较好、实际效果更好的单相全桥逆变电路作为本设计的主电路，随后介绍了系统辅助电路的设计，并给出了产生SPWM波形方式及其程序，最后利用Proteus软件完成了系统仿真，分析其有效性和可行性后做出了相应的实物。本文的内容分为以下几个章节：（1）介绍本课题的来源、目的及其意义，并介绍逆变电源的国内外研究概况及其研究方向。（2）介绍逆变器的各类控制方式，通过对传统的逆变器控制方式与数字化控制方式的比较，得出数字化的逆变器是逆变器进展的趋势。（3）介绍逆变系统的大体结构，具体分析SPWM单相全桥逆变电路的工作原理及单极性、双极性SPWM控制方式，给出了SPWM控制脉冲的实现方式，即利用单片机芯片生成SPWM波。(4)本章主如果对系统硬件的设计，通过度析并计算逆变器中的元器件的参数并选择各元器件的型号，对整个硬件系统平台进行了详细的设计，主要包括逆变主电路、控制电路、主电路的驱动电路及保护电路的设计。(5)逆变电源的制作。(6)总结。2逆变器的主要控制方式传统的逆变器控制方式有模拟控制和模数结合控制两种方式，可是在这两种控制方式下的逆变系统结构复杂、本钱较高。随着对逆变器性能要求的愈来愈高，同传统控制方式比较，数字化的逆变器本钱低、控制简单、可调性强，数字化逆变器的长处使它成了逆变器进展的一种趋势。逆变器的模拟控制方式2.1.1 电压型控制方式电压型控制方式作为传统模拟控制方式中最常利用的控制方式。它的结构及控制图如2-1所示。图中的误差信号Ue是通过基准信号Ur和采样信号Uof相比较再通过相应的处置器而取得的，再将此信号与载波UC相较较，经适当的逻辑变换和驱动电路后控制逆变器，如图2-l(a)所示。图2-l(b)中，GI(S)表示误差放大器的传递函数，d为SPWM信号的占空比，NhN2为耦合电感的原、副边绕组匝数，ku0f为输出信号的反馈系数。(a)单闭环控制框图(b)单闭环控制结构图图2-1电压型单闭环控制方式2.1.2 单周期控制技术在20实际80年代末出现了一种新型的模拟脉冲宽度调制控制技术，该种控制为OCC技术（单周期控制），它是基于脉冲宽度调制的非线性信号控制方式。这种控制理论的大体思路就是通过对开关器件的开关占空比的控制，使得开关变量的平均值等于或正比于基准量。此技术的长处就是输入信号不受负载信号中的谐波的影响，即在有谐波的影响下输入信号也不会发生畸变。单周期控制技术能够有效地降低系统的本钱，简化系统的结构，动态性能取得了提高，减小了系统的体积，减低了本钱。由于对于非线性负载的适应性较强，因此单周期控制技术控制下系统的抗干扰能力较强。通过非单周期技术的介绍能够看出，此种控制技术多适用于有非线性负载的系统，对系统的跟从性、抗干扰能力要求较高的电路。逆变器的数字控制随着电子技术的快速进展，对逆变电源的技术提出了更高的要求，为了应对各类不同的要求，逆变器的控制方式也愈来愈数字化，这也成为现代逆变技术进展的趋势。数字化的逆变器具有以下明显长处：（I）采用数字化控制能使系统的集成程度更高，集成度越高系统的结构就越简单，同时也越容易控制，使系统的性能变得愈来愈好。（2）数字化控制方式能够使得系统的控制更为灵活，降低了系统的本钱，使得系统的保护更为方便，系统的一致性取得提高。（3）数字化的控制方式不仅能够提高系统的安全性能，而且对于不同的设计要求，在相同的系统基础上，只需要通过调整控制软件的参数即可取得知足要求的系统。（4）系统保护方便，在系统运行进程中若出现故障，能够通过检测系统中各个模型、芯片的运行来进行调试、判断出故障的出处，进行故障维修。在维修进程中能够通过修改系统的参数就可以够完成系统的修护。随着电力电子技术在生活中应用范围愈来愈广，数字化控制的逆变电源也愈来愈受到关注，现今电源领域的研究热点就是逆变电源的数字控制，与数字化相对应,各类各样的离散控制方式也纷纷涌现，包括模糊控制、重复控制、PlD控制、无差拍控制等，随着各类各样的技术的出现，逆变电源技术也取得了长足的进展，不断的完善逆变电源的各类性能。逆变电源的主要控制方式有以下几种方式：(1)模糊控制对于传统的控制方式，系统的控制精度要求的越高，对系统的动态方面的信息要求也就越高，对于变量较少，较简单的系统，大部份的控制方式均能够正确的描述系统的动态性能，但是对于复杂的系统，一般的控制无法正确的描述系统的动态信息，因此人们便尝试着以模糊数学来处置这些控制问题。最近几年来，随着对逆变系统的要求愈来愈高，随之系统的复杂性也增强了，模糊控制在电力电子领域中的应用引发了人们的重视。对于复杂的逆变电源的设计，模糊控制器有着以下长处:对于利用模糊控制的系统，系统不需要有十分肯定的控制对象模型，如此就降低了系统设计的复杂性，同时利用模糊控制的系统的动态响应快速，而且具有较强的自适应性。(2) PID控制比例积分-微分控制(PlD控制)概念明晰，利用中不需要精准的系统模型等先决条件，由于PlD中的参数较易整定，因此是应用最为普遍的控制器，PID控制普遍应用于各类系统的静、动态控制中。由于没有负载的逆变器相当于一个系统中的振荡环节，因此为了保证系统的稳固性，积分控制部份需要再添加一个相位环节来减缓振荡，这就与PlD一般的利用有了专门大的区别，同时也对PID有了新的要求。虽然PID控制能够快速的响应反馈信号，可是无法实现精准的跟踪正弦波信号,同时系统中的非线性负载对PID的影响也较大，因此利用PID控制时系统的稳固性较差，大体上无法知足系统的要求。实际系统往往在PlD控制基础上增设平均值反馈以保证稳态精度。3逆变系统大体结构及其控制策略为了提高逆变系统的性能，必需对逆变系统的整体结构有详细的了解。在对系统调试时，必需选择适合的控制方式。本章详细地介绍逆变系统的结构、控制方式并肯定本设计中的控制方式。逆变系统的大体结构逆变系统包括逆变器及其控制电路、辅助电路等，逆变器的功能就是将直流电转化为交流电，逆变器中最为主要的部份就是逆变主电路也就是利用开关器件的电路部份，逆变主电路的作用就是将直流电逆变成交流电输出。同时逆变主电路还要受到控制电路的控制，通过控制电路的控制逆变主电路中的开关器件的通断时刻的控制，最后取得一个与期望相符的输出波形。在逆变系统中除最重要的逆变主电路和控制电路之外，还包括了滤波电路、死区时刻控制电路、辅助电源、驱动部份、过压过流电路。下面对各个部份做一些简单介绍：(1)逆变主电路作为逆变系统中最重要的部份，逆变主电路主要实现了直流电向交流电的逆变。它的主要原理就是通过对电路中的开关器件的通断时刻的控制来取得期望的输出值，其中开关管的选择也十分重要。逆变主电路控制了输出信号的幅值大小。(2)控制电路控制电路的功能是依照输出要求通过调节控制脉冲控制开关器件的通断，使得逆变主电路顺利的完成逆变，控制电路控制了逆变系统的频率的大小，通过改变系统的控制就可以够改变系统的频率。(3)滤波电路滤波电路分为输入滤波电路和输出滤波电路。滤波电路的主要作用就是滤除波形中的谐波，其中逆变系统中的输出滤波电路主要采用低通滤波电路。(4)采样调理电路采样调理电路的主要作用就是将输出电压采样并就将采样的信号与基准信号比较后，然后将比较后的信号通过处置器后再作为输入送人逆变主电路中，直到输出信号与基波信号一致时，采样调理电路就再也不工作。(5)辅助电源与过欠压保护电压辅助电源的主要作用就是将交流输入信号转换为适合的直流电压，保证逆变主电路的正常运行。过欠压保护电路的主要作用就是在系统出现过压，欠压时还能使得系统正常的运行，保证系统的稳固性。(6)驱动电路驱动电路的主要作用是保证系统中芯片的正常运行。逆变系统中的控制电路中的芯片需要驱动电路才能运行，SPWM波的产生电路中也需要驱动电路才能够正常的运行。SPWM控制技术原理及其实现SPWM控制技术是正弦波电源的主要控制方式，通过对SPWM波占空比的改变，能够调节逆变电源的频率，本章详细介绍SPWM波的各类生成方式，肯定设计中所利用的SPWM实现方式。3.2.1 SPWM控制技术原理正弦波脉宽调制(SPWM)即通过按正弦波转变的脉冲控制逆变主电路中的开关器件的通断来取得正弦波等效的PWM波形。如图3-1中所示为PWM波的产生进程，图3-la中为一正弦波形，为了通过正弦波取得一个正弦波形，将正弦波分为M等份，将这M等份的正弦波等效为M个脉冲系列，如此就取得了一系列宽度相同且等于兀/M的脉冲，这些脉冲彼此相连就形成了脉冲波形。图31用PWM波替代正弦半波由于脉冲波形是由正弦波肯定的，因此个各脉冲的幅值不同，各脉冲的幅值是依照正弦规律转变的。将上述所取得的的脉冲序列利用一系列宽度不等，幅值相同的脉冲替代，由于是等效的替代正弦波，因此所取得的的矩形波脉冲序列的面积与正弦波面积相同，各个矩形脉冲的宽度是由相应的正弦波等份肯定的，通过等效替代就取得图3-lb所示的脉冲序列，即PWM波形。SPWM分为单极性与双极性两种调制方式。(1)单极性调制方式图3-2是采用IGBT作为开关器件的单相桥式PWM逆变电路。单极性控制方式的原理是只在正半周期或负半周期控制IGBT管的通断，像这种通过单极性控制方式取得的SPWM波形的调制方式为单极性调制方式。D3D4图3-2单相桥式PWM逆变电路(2)双极性调制方式图3-2的单相桥式PWM逆变电路在采用双极性控制方式时的波形如3-3所示。当采用双极性调制方式时，由于载波UC在基波的半个周期内的波形出现了有正有负的现象，因此通过调制后的SPWM波一样也是有正有负，再也不是单极性的转变了。在双极性控制方式下，U的一个周期内输出的PWM波只有±Ud两种电平，IGBT管的通断控制也是在Ur与UC的交点时刻。图3-3双极性PWM控制方式波形对于逆变电源而言，不同的要求所采用的调制方式也不同。上述两种调制方式对于逆变主电路中的开关器件通断的时刻控制不同，单极性控制方式中的载波只在正极性或负极性这一种极性变化，所取得的的PWM波也只有一种极性。而双极性控制方式的载波是在正极性与负极性这两种极性之间转变，所取得的PWM波有正也有负。按照设计要求，逆变电源所取得的输出波形为正弦波，因此，本设计中采用双极性控制方式。3.2.2 SPWM控制脉冲的实现方式以SPWM为控制方式组成的逆变器，其输入为恒定不变的直流电压，通过SPWM技术在逆变电路中同时实现调压和调频。因此，以SPWM为控制方式的控制方案能够简化系统结构、提高系统的响应速度。SPWM波的形成方式主要有：等面积法、硬件调制法、软件生成法。下边主要介绍硬件调制法与软件生成法。(1)硬件调制法上述所介绍的等面积法需要大量的繁琐的计算，因此在一般的设计中并非会利用此种方式。下边介绍一种为了解决等面积法计算繁琐而出现的方式-硬件调制法。该种方式的大体原理就是将调制信号与载波信号进行比较，通过对比较后的信号进行处置后再与调制信号进行比较，直到与调制信号一致为止。利用硬件调制法取得SPWM波时，一般情形下利用的载波为等腰三角波，而调制信号一般为正弦波。在实际的应用中，通过模拟电路就可以够实现载波与调制信号的比较，然后再参考调制信号对比较后的信号进行调制，直到与调制信号一致为止。此种方式简单，但由于模拟电路的复杂性使得所取得的的信号准确性不高。(2)软件生成法随着微机技术的进展，利用软件生成SPWM波形变得容易起来，因此软件生成法就应运而生。软件生成法就是利用软件来实现调制，软件生成法包括：自然采样法、规则采样法。本设计中主要介绍一下规则采样法。1)规则采样法规则采样法以一种应用较广的方式，图3-4所示为规则采样法的示用意。取三角波的两个正峰值之间为一个采样周期Tt0在自然采样法中，每一个脉冲的中点并非和三角波一个周期的中点重合。而规则采样法中则使二者重合，这就使得计算大为简化。在图3-4中，三角波的负峰值时刻对正弦信号波采样而取得M点，过M点作一水平直线和三角波别离交与A、B两点，在A、B两点所对应的时刻控制开关器件的通断。设三角波和正弦波的幅值别离是U”和周期别离是7；和脉宽J和间隙时刻U和4由下式计算：t2=(2)*(l+a*sin(2rZ)*)(3-1)(3-2)a=UrJU"4j=(Z-2)/2=(7；/4)*(la*sin(2»/7；)*z)(3-3)由公式3-1和3-2能够很容易求得乙和r,值，从而肯定相应的脉冲宽度。上面对PWM控制技术的原理进行了分析，同时对能生成SPWM控制脉冲的各类方式进行了介绍。比较以上几种方式能够看出软件生成法具有抗干扰强，电路简单等长处，是一种比较理想的控制方案。一般情形下均采用DSP芯片作为SPWM波产生的主要形式，但本设计中的功率参数要求并非高，同时考虑到本钱问题，利用单片机完全能够知足设计的要求。本设计中采用了AT89S52生成SPWM波的方式，如图3-5所示。在图3-5所示的仿真中，主要通过对单片机中的按时器的设定来实现SPWM波的产生，图中的X1为晶振，晶振大小为IoKHZ,由它来控制单片机的输出频率。通过单片机取得的SPWM波形如图3-6所示。C1HlUlIQ>XTAL1C2!卜I1×1XTAL2R1。"-RST10kC3dzrIoUEAP1.0/T2P1.1/T2EXP12P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7ADPO.O/ADOPO.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2 4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0 P3.3INTP3.4/T0 P3.5/T1P3.6.WR P3.7/FDBAT89C52图3-5SPWM产生电路图3-6SPWM波形4系统硬件电路逆变系统包括逆变主电路、滤波电路、升压电路、SPWM生成电路等，按照设计技术指标来肯定各个电路中元器件型号，完成对系统的整体结构的设计。电源的整体结构和原理通过上述对单相正弦波逆变电源的数学模型及其控制器的分析基础上，设计逆变电源的整体结构。电源的整体框图如图4-1所示：图4-1电源整体框图逆变电源的工作进程为：输入为直流电压24V,经过升压电路后电压供给逆变器主电路。逆变主电路的控制方式为SPWM控制方式，即通过单片机芯片产生的SPWM信号，通过隔离驱动电路进行隔离放大后来控制开关功率管的通断，通过逆变器逆变后再通过滤波电路就取得输出为36V400Hz的交流电。逆变电源主电路的设计及仿真逆变电源主电路如图4-2所示，逆变电路的输入为直流电压E=51V,是由升压模块取得的，本实验中的升压模块采用的是推挽式升压模块，它的主要长处是能够将输入电压升压至任何值，利用推挽式升压电路完全能够知足设计要求。输入电压通过推挽升压电路后取得的输出电压作为DC-AC电路的输入，通过逆变H桥的逆变后取得知足设计要求的正弦波输出。QLQ4为四只IGBT管，它的开关频率高，13损耗小，参数离散小，靠得住性高，高温性能稳固，气动性能稳固，由IGBT组成的逆变器效率高，输出电压与电流的波形失真小，噪音低。开关电源的开关频率越高，所需要的LC滤波器的体积越小，逆变器的输出电压谐波畸变越小，本设计中 的开关频率选用为IoKHz。+12VVolaTQ6HI10kGNDIR211266O-IaFMOX3VSNCCCOMLOVC图4-2逆变主电路4.2.1死区时刻控制电路的设计死区时刻控制电路就是为了避免输出信号失真，由于IGBT等功率器件内部存在结电容，会造成功率器件通断时刻的延时。利用死区时刻控制电路能够避免H桥中的功率器件同时出现开通或关断，通常由与非门组成。本设计中采用74HC08与 74HC14组成的与非门。死区时刻的计算公式为：TD=TW(ImX) -Tfn (max)(4-1)式中：TD一死区时刻；Tofi-IGBT关断延不时亥I；Ton-IGBT导通延不时刻。死区时刻控制电路如图4-3所示。图4-3死区时刻控制电路4.2.2输出LC滤波器的计算经过逆变器后的输出信号要经LC滤波器滤除输出信号中的谐波分量。本设计中LC滤波器采用如图4-4所示的低通滤波器：图4-4低通滤波器输出电压的波形主要和滤波电路中的电感与电容的值有关，滤波器中的电感值得大小主要影响输出波形中的谐波，电感的值越大，输出波形中的谐波越少，可是增大电感的同时会使系统的动态性能降低，增大了输出波形的畸变程度，因此电感不能过大也不可太低。滤波电容的作用是用来滤除输出电压的高次谐波，电容越大，输出的纹波越小，可是逆变器的无功电流随之也增大，使得系统的效率降低。滤波器中电感与电容值的选择与滤波电路的转折频率有关，滤波电路转折频率的值如式4-2所示：IL=QkHz=kHz(4-2)c1010式中：fc一滤波电路的转折频率，fs一系统输出信号的频率滤波器的转折频率fc的计算公式为：f=c2yLC按照上述将式4-4改写为：f=I=I但Jc2JTc2LC令上式中的把二夕，0为阻抗特性。由公式4-4可得：L=工2忒(4-3)(4-4)(4-5)(4-6)(4-7)(4-8)0与负载阻抗RL的关系为：p=(0.5-0.8)R1其中RL的值为：R1=180LPo7.2取0=,则夕=108Q。又fc的值已知，按照式4-5,4-6可得滤波器的电感，电容的大小为：L=,C=F(4-9)按照上述所求出的电感电容值，本设计中的电感L的值取18mH,电容C取为2F04.2.3功率开关管的选择开关器件IGBT的选择主如果由系统主电路的输入电压与输出电流决定的。设逆变主电路的直流输入电压为UdmaX,则采用全桥逆变电路时电路中每一个IGBT器件所经受的最高电压即为UdmaxO实际中要考虑电压尖峰的影响，实际开关器件所经受的最高电压要高于Udmax,其值的大小与吸收电路吸收电压尖峰的能力有关。本文中的直流输入电压E=51V,考虑安全裕量，则功率开关管IGBT的额定电压应大于等于IoOV。由于流过IGBT的电流Iigbt以后通过滤波电路，因此IGBT管中的电流值就等于滤波电感的电流的有效值Il,而Il的计算公式如式4-10所示。(4-10)式中：Lf-滤波电容电流的有效值；I。一逆变器输出电流的有效值。当系统短路时，输出电流L的值为：P7?VAIomax2X=2X-=OAA(4-11)U036VLf的计算值如式4-12所示：Icf=uf×2f'C=36×2×40Q×2×0QS0A(4-12)则按照式4-10可得IGBT的电流的最大有效值为：ILmaX=yjIcf÷onax-(4-13)考虑IGBT管的裕量，则IGBT的电流值为：4.nax=(1+0.5)×2Zmax0.93IlA(4-14)驱动电路的设计驱动电路的作用就是将控制信号放大并驱动功率开关管。驱动电路的设计主要从功率器件、电气隔离、开关信号的频率等方面加以考虑。目前的IGBT的驱动电路有多种形式。常常利用的有：(1) TTL电路驱动方式该种方式最为简单，就是利用晶体管-晶体管逻辑电路来驱动开关器件，是数字电子中最常常利用的电路，能够专门好地对开关器件的栅极充电。(2)隔离驱动此种驱动电路主如果利用耦合器将逆变主电路与控制电路隔离起来，然后驱动开关器件。(3)集成模块驱动该种驱动方式在数字化的逆变器中应用的最广，由于集成模块的利用，使得系统的集成度取得了提高，简化了电路，提高了系统的稳固性，当系统出现故障时也容易进行维修，该种驱动电路适用于大容量、开关频率高的IGBTo在本设计中选用IR2112作为开关器件的驱动芯片。该芯片内部设计有过流、过压及欠压保护等功能，具有快速保护功率电路的功能，同时该芯片的输出引脚可被引入做软件保护。本设计中采用两个IR2U2芯片驱动全桥逆变电路，电路图如图4-5所不：IR2112芯片的内部框图及引脚图如图4-6所示。IR2112芯片主要由逻辑输入、电平平移及输出保护组成。按照.上述对IR2112芯片的介绍，能够看出采用该种芯片能够减少系统中的驱动电源的数量，IR2U2还具有独立的低端和高端的输入通道，工作频率高，而且还能实现光耦隔离及电磁隔离。（a）内部框图9nLCOMVSSLVCCLIN-SD工-VSHlNy-VBVDD-HU（b）引脚图图4-6IR2112引脚图及内部框图图中：LO（引脚1）一低端输出Nc（引脚8）一空端COM（引脚2）一公共端Vdd（引脚9）一逻辑电源电压Vcc（引脚3）-低端固定电源电压Hin（引脚10）一逻辑高端输入Nc（引脚4）一空端Sd（引脚11）一关断Vs（引脚5）高端浮置电源偏移电压Nc（引脚14）-空端Vb（引脚6）-高端浮置电源电压Ho（引脚7）一高端输出Lin（引脚12）一逻辑低端输入Vss（引脚13）一逻辑电路地电位端。缓冲电路的设计为了减小开关器件的损耗，充分利用IGBT的功率，减小IGBT中的涌浪电压与续流二极管的回答浪涌电压，保护系统避免出现短路现象，在设计中加入缓冲电路，它是大功率变流技术中不可缺少的组成部份。缓冲电路之所以能减小功率器件的损耗是因为它能够将开关损耗从器件本身转移至缓冲器上。在一般设计中共有三种缓冲电路应用较广，如图4-7所示。图4-7(a)所示的缓冲电路为C级电路,该种电路的原理是由一个电容并在IGBT的集电极C和发射极E之间，能够有效地抑制IGBT中的瞬变电压，但随着功率级别的增大，电容所起的作用也就随之减小，容易引发振荡，因此这种缓冲电路比较适用于小功率品级。图4-7(b)中的缓冲电路为RC缓冲电路，此种缓冲电路在功率增大的情形下不会出现谐振，可是由于缓冲电路中增加了电感，随着功率的增大，电感也随之增大，这就使得系统的瞬时电压不能有效地被控制。图4.7(C)所示的缓冲电路适用于大电流电路，该缓冲电路既能够有效地抑制振荡且回路电感较小的长处，缺点是本钱高。本设计中采用图4-7(C)所示的电路图。其工作原理为：在IGBT导通时，直流电源E通过Rz使Cl充电，当IGBT由导通变成截止时，输出电流L将通过Ci、VDl流向逆变器的输出端，如此电容上的电压可二极管上的电压就都加到了IGBT管上。(1)缓冲器电容的计算：当IGBT由导通变成截止时，主电路的电感L中贮存的能量大体上都转移到电容Cl上，即：1 91CLC=-C(Vcep-E)2(4-15)式中，L-主电路的电感；bIGBT关断时的集电极电流；Vcep-IGBT关断时的集电极-发射机电压；E-直流电源电压。(a)c缓冲电路(b)RC缓冲电路(C)放电阻止型缓冲电路图4-7缓冲电路本设计中取(VCEP-E)=12V,杂散电感L=F,集电极电流Io=6A,由以上数据可得吸收电容的值为C=F,取C的值为F0(2)缓冲器阻抗R的计算：缓冲阻抗的作用就是在IGBT关断信号来之前将2唇心缓冲器电容上的电压放至电流电压E。吸收电路中电阻R的计算公式为:(4-16)式中：fTGBT开关频率。由上述数据可求得。<<Q,这里R取10。电阻的功率P的计算可有以下公式求得:P=MLEYCf=12?X(WxloOo0=0072W(4-17)2 2这里的电阻功率取P=O(3)缓冲器二极管的选择：二极管在缓冲电路中的作用就是避免产生尖峰电压、避免二极管在反向恢复时期产生电压波动，本设计中的二极管选用SML4751(lA30V)o缓冲电路设计的好坏直接关系到逆变器等功率电路可否正常运行，本实验中的电容选用无感电容，电阻选用无感电阻。一个合理的缓冲电路不仅能够有效地降低开关应力、专门好的抑制高频振荡、降低开关损耗、提高工作频率。浪涌短路保护电路的设计涌电流是指电源接通刹时或是在电路出现异样情形下产生的远大于稳态电流的峰值电流或过载电流，为了避免出现浪涌短路电流，系统中设计了浪涌短路保护电路。本设计中的浪涌短路保护电路如图4-8所示，此电路是短路保护电路，用Q进行采样电压，通过47OkQ电阻取得电流，此电流流过光电耦合器，当电流高于光藕内二级管导通