正弦波逆变电源设计 电气工程及其自动化.doc
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1、台州学院毕业设计(论文) 摘 要逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置,它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。本文介绍了一种正弦波脉冲宽度调制(SPWM)单项逆变电源,可以将通过SG3525驱动芯片的12V直流电,经DC-DC升压电路升压,再用纯硬件SPWM驱动芯片TDS2285驱动H桥,将高压直流电逆变成正弦波交流电输出,实现了DC-DC-AC变换,提供稳定交流电输出,供负载使用。正弦波逆变电源电路复杂、价格不菲,但谐波干扰小、电磁兼容性好。关键词:逆变电源;SPWM;电磁兼容性AbstractInverter is a kind of devicese which use p
2、ower electronics technology to realize the conversion of mechanical energy and can get the CVCF(Constant Voltage Constant Frequency) AC outlet from AC or DC.This paper presents a sinusoidal pulse width modulation (SPWM) single inverter. It can let the 12V DC step-up which via the DC-DC boost circuit
3、 being controlled by sg3525 chip.After that the DC can be inverted the AC throw the H-Bridge getting the SPWM from the driver chip TDS2285 and achieve a DC-DC-AC conversion.The Inverter is small,efficient and has the advanced technology and superior performance.Sine wave inverter has complex circuit
4、 and high price,but it has the high EMC, low harmonic disturbance.Key words:Inverter;SPWM; EMC目 录1 引言12 SPWM 的产生及常用拓扑结构介绍22.1 PWM 原理及产生方法22.1.1 PWM 原理22.1.2 等效面积法32.1.3 自然采样法42.2 SPWM 控制方式分析42.2.1 单极性正弦脉冲宽度调制42.2.2 双极性正弦脉冲宽度调制52.3 常用拓扑结构62.3.1 常用拓扑结构对比62.3.2 拓扑结构电路变换73 系统设计103.1 系统开发流程103.2 系统设计方案比较
5、103.3 硬件设计113.3.1 功率主板113.3.2 SPWM驱动板133.3.3 保护电路173.3.4 滤波电路模块184 PCB制作及整机调试184.1 PCB制作184.2整机调试194.2.1 SPWM驱动板调试194.3.2 联机调试205 展望22参考文献23谢辞24附 件25 IV台州学院毕业设计(论文) 1 引言石油、天然气和煤等一次性能源日益枯竭,再生能源将逐渐成为人类使用的主体能源,近年来对新能源的开发利用,使得燃料电池、太阳能电池的使用越来越广泛,也使用电方式产生重大变革。在已有的很多种电源中,如蓄电池、太阳能电池等都是直流电源,当需要这些电源向交流负载供电时,就
6、需要把直流电转换成交流电供负载使用,这种把直流电变回交流电的过程,就是逆变1。逆变电源就是这种能进行电能转换的装置。功率半导体器件是逆变电源的关键部件,经历了从不控型、半控型到全控型的过程,现已进入到高频化、大容量、易驱动模块化合智能化的时代。它的发展代表了逆变技术的发展,一般认为,逆变技术的发展可以分为如下两个阶段:19561980年为传统发展阶段。这个阶段的特点是,开关器件以低速器件为主,逆变器的开关频率较低,波形改善以多重叠加为主,体积重量较大,逆变效率低,正弦波逆变器开始出现。1980年到现在为高频化新技术阶段。这个阶段的特点是,开关器件以高速器件为主,逆变器的开关频率较高,波形改善以
7、PWM(PulseWidm Modulation,脉宽调制)为主,体积重量小,逆变效率高,正弦逆变技术发展日趋完善2。现在看来影响逆变技术未来发展的主要因素主要由以下两点: (1) PWM软开关技术逆变器的脉宽调制(PWM)技术早在晶闸管时代就已经出现了,正弦脉宽调制(SPWM)在全控型器件出现以后得到了迅速的发展,这种技术是用一种参考波(通常是正弦波,有时也用阶梯波或方波等)为“调制波”,而以N倍于调制波频率的正三角波或锯齿波为“载波。由于正三角波或锯齿波的上下宽度是线性变化的波形,因此它与调制波相交时,就可以得到一组幅值相等,而宽度正比于调制波函数值的矩形脉冲序列来等效调制波。用开关量取代
8、模拟量,并通过对逆变器开关管的通断控制,把直流电变成交流电。因为当调制波为正弦波时,输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦函数规律变化,因此,这种调制技术通常又称为正弦脉宽调制(SPWM)技术3。随着大功率高频全控开关器件大量出现,逆变器的PWM控制技术受到了人们的高度重视并且得到了飞速的发展。尤其是最近几年,微处理器用于实现PWM控制技术后,使得现代控制理论的控制方法能够应用于逆变器的PWM控制,大大提高了现代逆变器的性能。而且由于采用了数字电路实现PWM控制,使得逆变器的控制电路简化,稳定性提高,逆变器的数字化控制已成为逆变器发展的主流。PWM软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之
9、一4,是实现电力电子技术高频化的最佳途径,也是一项理论性很强的研究工作5。它的研究对于逆变器性能的提高和进一步推广应用,以及对电力电子学技术的发展,都有十分重要的意义,是当前逆变器的发展方向之一。但这里必须指出,软开关并不是没有损耗的,它只是把开关器件本身的一部分开关损耗转移到了为实现软开关而附加的谐振电路中的谐振元件上,总量上可能有所减少。软开关逆变技术研究的重要目的之一是实现PWM软开关技术,也就是将软开关技术引进到PWM逆变器中,使它既能保持原来的优点,又能实现软开关工作。为此,必须把LC与开关器件组成一个谐振网络,使PWM逆变器只有在开关切换过程中才产生谐振,实现开关的零电压开通和关断
10、,一般工作情况下则不发生谐振,以保持PWM逆变器工作特点3,4。(2) 数字化控制技术逆变电源的数字化极大地简化了硬件电路,提高了系统的稳定性、可靠性和控制精度,这是现代逆变技术发展的趋势。但这数字化并不是简单地指在系统中应用了数字器件,如单片机等,而是指整个系统的控制都是由数字器件(主要指微处理器)的计算算法和控制算法来完成。为了与数字化相适应,各种各样的逆变电源离散控制方法纷纷涌现,包括数字PD控制、无差拍控制、数字滑变结构控制、模糊控制、神经网络控制等,有力地推动逆变电源控制技术的发展。2 SPWM 的产生及常用拓扑结构介绍2.1 PWM 原理及产生方法2.1.1 PWM 原理正弦波脉冲
11、调制的控制思想是利用开关元件来控制线路,按一定的规律控制开关元件的通断,从而在逆变器的输出端获得一组等幅、等距而不等宽的脉冲序列。其脉冲基本上按正弦分布,以此脉冲列来等效正弦电压波,又称SPWM 波6。2.1.2 等效面积法面积等效法是产生脉宽调制波的一种基本方法,是把一个正弦波的每个半周分成N 等分,这样就可把正弦半波看成由N 个彼此相连的脉冲所组成的波形,如图2-1 所示的脉冲序列。这样,由N 个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形与正弦波的正半周等效,正弦波的负半周也可用相同的方法来等效7。 图2-1 PWM 面积等效正弦波基本原理图 根据正弦波划分的模块等效成矩形的面积S,计算出高脉冲的
12、时间6。 调制深度,U s 直流电源电压,脉冲面积: 2-1 2-2 将正弦信号的正半周N 等分,设脉冲宽度为 k ,则第K 份 2-3正弦波面积与对应的第K 个SPWM 脉冲面积相等,解得: 2-4 每个脉冲的计数点: 2-52.1.3 自然采样法自然采样法的基本原则是直接根据正弦波与三角波的交点来确定脉冲宽度和间隔时间8,其PWM波的自然采样法波形图如图2-2所示。 图2-2 PWM 波的自然采样法波形图自然采样法直接通过三角波与正弦波的交点A、B 来确定脉冲的起止时间,从图中可知,A、B 两点之间的t2 部分对应SPWM 控制信号的高电平,功率开关管导通;t1 和t3 对应SPWM的控制
13、信号的低电平,功率开关管关断。 2-6需要确定式中(2-6)的未知数t2a 和t2b 才能求出t2 ,但是由于其函数的复杂性,同时计算t2a 与t2b 在微处理器上并不适合实现,运行比较繁琐且不易操作。2.2 SPWM 控制方式分析2.2.1 单极性正弦脉冲宽度调制采用单极性控制时,在正弦波的半个周期内,其电压输出幅值为单极性,在开关状态切换时,负载端电压先变为零,负载电流在零电压下自然续流衰减,在控制时间内,再恢复到输出直流电压,其半周期的脉冲列是由零和正(负)直流电压组成9。该控制方式的特点是功率开关管承受的电压应力较小,电流变化率小,功耗也要小,因此对系统及外部设备干扰小,但是系统的静、
14、动态性能会略有降低10。2.2.2 双极性正弦脉冲宽度调制双极性PWM 控制方式时,载波为全波三角波11。用正弦波与三角波进行比较,正弦波大于三角波的部分,输出为正脉冲,小于部分,输出负脉冲。在开关切换时,负载端电压极性非正即负,电流变化率较大,对外部干扰较强。负载端电压脉冲列是由不同宽度调制的正负直流电压组成,如图2-3 所示。在工作时,四个开关管可能同时处于开通状态,且开关损耗大,而且在切换时可能发生上下桥臂直通的事故,为防止直通,在上下桥臂的驱动脉冲之间应该设置逻辑延时10。 图2-3 双极性正弦脉冲宽度调制图本设计的驱动电路中采用了纯硬件的SPWM驱动芯片TDS2285,该芯片采用经过
15、改良的双极性SPWM调制,经过外部死区时间生成后,输入经MOSFET或IGBT驱动电路至H逆变桥电路。芯片的内部原理框图如图2-4所示。功能特性简介: 芯片晶圆采用CMOS工艺制程,采用5V电源供电。 只需简单外围零件即可完成成高性能SPWM发生及逆变控制。 工业级和扩展级温度范围。 SPWM输出引脚上连续20mA的负载能力。 10位SPWM精度,载波频率为20Khz。 内置短路保护。 可以单独的控制关闭前极的引脚。 芯片供电电压稳定性检测。 独立的交流输出电压、电流反馈控制。 蓄电池供电电压检测。 工作状态指示输出。图2-4 TDS2285内部原理框图2.3 常用拓扑结构2.3.1 常用拓扑
16、结构对比表2-1为常用拓扑结构对比表,VC E为功率开关器件承受电压;IC为相同输出功率时的电流;P0为相同IC时输出功率;U1为主变压器原边电压;U0为输出电压;m为功率开关器件数量;E为加入电路的直流电压;D为功率开关器件导通占空比;K为主变压器Tr的变比。表2-1 常用拓扑结构比较 2.3.2 拓扑结构电路变换(1) 单端正激式变换电路单端正激式变换电路图如图2-5所示。在单端正激变换电路中,当功率开关器件VT导通时,则通过变压器Tr向负载传递能量。变换电路主要由开关管VT、变压器Tr、输出整流二极管D1、续流二极管D2以及输出滤波电感L和电容C组成。变压器Tr 原边绕组中分去磁绕组NR
17、与原边绕组N1(通常NRN1),NR与D0组成磁通复位电路。当开关管VT在关断期间,绕组N1 的储能转移至NR中,并通过D0反馈到输入端电源E中。因在单端变压器原边线圈流过的是脉动激磁电流,如果在每个脉动工作磁通周期不采取去磁措施,则磁芯剩磁通的累加会迅速使变压器出现饱和。如果没有去磁绕组NR,变压器二次绕组因D1反偏截止,原边绕组中储能无处释放,将会引起很高的反电压与输入电压E迭加至VT上。此时开关管VT在导通时流过的大电流,关断时承受高电压,导致VT损坏。该电路特点:变压器Tr有变换电参数和隔离作用,因变压器磁芯在单象限内工作,所以体积较大,适用于小功率电源中使用。图2-5 单端正激式变换
18、电路(2) 推挽式变换电路推挽式变换电路如图2-6 所示。推挽式变换电路其实由两个相位相反的正激变换电路叠加而成,相当于两个正激电路交替工作,且两个开关管交替导通和截止,并在各自导通的半个周期内把能量分别通过变压器Tr 传递给负载。该变换电路主要由VT1、VT2以及并联至开关管的二极管D1和D2组成输入端,经变压器Tr,在输出端由整流二极管D3、D4与输出滤波电感和电容组成。 图2-6 推挽式变换电路推挽电路中开关器件的耐压是输入电压的2倍,工作是随着开关管的开通和关断、变压器原边绕组交替工作,与半桥和全桥变换电路相比变压器利用率低,而且输出电压随输入电压和负载变换而变化。因此在输入电压高时,
19、一般不易采用这种变换电路。与单端变换电路相比较,推挽电路的优点是输出功率大、输出滤波电感可减小,两组开关驱动脉冲Vg1、Vg2不需隔离,控制简单。(3) 半桥式变换电路半桥式变换电路如图2-7 所示。在半桥式变换电路输入端串接电容C1、C2 且C1 = C2以便当两个开关器件VT1、VT2 均截止时,VC1= VC2= 1/2E。VA = 1/2E,VB = 1/2E,VAB = 0,保证开关器件均为截止时所受耐压相同和均衡( 输入电压一半)。D1、D2起到反馈和续流作用,变压器副边电路由D3和D4构成全波输出整流,L、C3 构成输出滤波电路。图2-7 半桥式变换电路半桥式变换电路开关管上最高
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