逆变电源设计报告(共19页)

《逆变电源设计报告(共19页)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《逆变电源设计报告(共19页)（19页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、精选优质文档-倾情为你奉上逆变电源设计与总结报告 2013年5月6日星期一 目录专心-专注-专业摘要本设计实现了一种基于的高频链逆变电源。系统由输入欠压保护、推挽升压、全桥逆变、SPWM波产生、低通滤波、输出过流保护、辅助电源等电路组成。12V的直流电通过推挽式变换逆变为高频方波，经高频变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的约320V直流电压。前级DC-DC变换采用SG3525驱动MOSFET得到高压直流电，然后通过产生的SPWM驱动全桥电路，再经低通滤波得到220V的工频正弦交流电。采用反激式开关电源升压再经稳压芯片稳压供电很好的实现隔离，并且具有输入欠压保护和输出过流保护，输出功率可达100

2、W。该电源体积小、效率高、输出电压稳定，非常适用于车载逆变器。关键词：推挽升压 全桥逆变 滤波 反激式 Abstract This design implements a Cortex M3 based on the high-frequency link inverter power supply.System consists of input undervoltage protection, push-pull boost, full-bridge inverter, SPWM wave generator, low pass filtering, output over-current

3、 protection, auxiliary power and other circuit.12V direct current through the push-pull inverter is a high frequency square wave transform, the high-frequency step-up transformer, then rectified and filtered to get a stable DC voltage of about 320V.Former level DC-DC conversion by using SG3525 drive

4、 MOSFET high voltage DC and then generate the SPWM drive M3 full bridge circuit, and then low-pass filter obtained by the frequency sinusoidal AC 220V.With a flyback switching power supply step-up regulator chip re-powering through the realization of good isolation, and with input voltage protection

5、 and output over-current protection, output power up to 100W.The power, small size, high efficiency, output voltage stability, ideal for automotive inverter. Key words: push-pull boost full-bridge inverter flyback M3概述逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳能、风力发电中一个重要部件。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变技术也从通过直流电动机交流发

6、电机的旋转方式逆变技术，发展到二十世纪六、七十年代的晶闸管逆变技术，而二十一世纪的逆变技术多数采用了 MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT 等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器（DSP）控制。各种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用领域也达到了前所未有的广阔，从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站；从日常生活的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备，都少不了

7、逆变电源。毋须怀疑，随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。一、方案论证与比较 1、总体方案的比较方案一：如图1所示，12V的直流电经过DC-AC逆变成10V/50HZ交流电，再经工频变压器升压到220V.如图1 方案一原理框图方案二：系统框图如图2所示，本系统主要由推挽升压电路、全桥逆变电路、SPWM波产生电路、保护电路和辅助电源等电路组成。12V直流电压经过推挽式高频逆变和高频整流得到高压直流电，在经全桥DC-AC逆变和低通滤波输出220V的工频交流电。 图2 方案二电路框图 方案一比较简单，升压斩波电路前后级电压倍数低，可以采

8、用非电气隔离性直流变换器，但采用工频变压器经AC-AC升压，存在体积大，效率低等缺陷。方案二实现了无工频变压器的逆变电路，可以很好的克服方案一存在的问题，同时保证了电源输出电压更稳定、更平滑。通过比较，本设计选择方案二。 2、隔离型DC-DC电路方案方案一：采用半桥式变换电路，该电路对开关管的耐压值要求低，开关管截止时承受电压为电源电压，所用功率变压器的铁芯没有单向偏磁现象，但对电流要求大。方案二：采用推挽式变换电路，这种电路一般需要选择高耐压值的开关管，电流要求低，截止时开关管承受电压为电源电压两倍以上。两组开关管的漏极连在一起，门极驱动电路无需彼此绝缘，驱动电路简单。由于本系统输入只有12

9、V，但电流将近10A,采用方案一获得同样的输出功率要求开关管流过方案二两倍的电流，管子发热严重。而方案二即使要求开关管承受电压为电源的两倍，也不过24V，一般MOSFET完全胜任。通过比较，本设计选择方案二。3、高频变压器后级整流方案方案一：采用全波整流电路，电流回路中只有一个二极管压降，损耗小，整流过程中只需两个二极管。但是，二极管关断时承受反压是二倍的交流电压幅值，对器件耐压值要求比较高，而且变压器二次绕组有中心抽头，制作复杂。方案二：利用全桥整流，二极管断态时承受反压仅为交流电压幅值，而且变压器绕组结构简单。缺点是任意时刻电感的电流总要相继流过两个二极管，损耗大。通过比较，由于逆变后电压

10、较大有300400V，对管子耐压要求较高。为了使变压器绕制简单，管子耐压较低，选择方案二。4、SPWM波产生方案 方案一：采用模拟电路实现SPWM。由模拟元件构成的三角波和正弦波产生电路分别产生三角载波信号ut和正弦调制波信号ur送入电压比较器，从而产生SPWM波，这种利用模拟电路调制方式的优点是完成Ut与ur信号的比较和确定脉冲所用的时间很短，几乎是瞬问完成而且ut和ur的交点是非常精确的，未做任何近似处理。方案二：采样法软件计算实现SPWM，利用msp430g2553通过编程直接生成SPWM波。充分利用M3内部带死区可调的PWM模块和丰富的定时器，轻松实现稳定可靠SPWM波。方案一电路复杂

11、，而且正弦波不太稳定，方案二电路极其简单且程序也不复杂，输出SPWM非常漂亮。故本次设计选择方案二。二、理论分析与计算1.高频变压器参数设计1.1 磁芯选择与参数计算 选择铁氧体磁芯，先求出磁芯窗口面积AW与磁芯有效截面积Ae的乘积AP, 根据AP值, 查表找出所需磁芯材料之编号。由于输出要求100W,当效率为0.8时，逆变器输入端应有120W,考虑到温升问题高频变压器功率预留6% 的裕度, 则设计输出功率为Po= 1.06*120= 127W 。由于变压器用于推挽变换电路当中, 由 其中J=400A/cm4, K =0.4,=0.8,=0.8,f=60KHZ,Bm =0.2。求得AP=0.7

12、395cm4，查磁芯参数表知EC42符合设计要求，再根据型号查找对应的有效截面积Ae=2.04cm2。1.2 变压器匝数计算 初级绕组匝数为：1.43取初级匝数N1=2。 次级绕组匝数为：取次级匝数为50匝。1.3 绕组导线线径及股数计算采用铜线考虑集肤效应，由于开关频率为60KHZ,故穿透深度为：可知线径不得超过0.54mm，取线径为0.38mm。根据工程实际情况和绕组损耗, 取J= 4A/mm2,导线直径为=0.38mm,由设计要求知Iimax=12A,IOMAX=0.45A,由公式：可知初级线圈采用26股并绕，同理可求出次级线圈股数为1股。2. LC低通滤波参数设计 为了将SPWM波的谐

13、波分量滤除，在逆变器的输出端加了LC滤波器，从而得到正弦交流信号，滤波器的截止频率一般都是开关频率的1/101/2，设定SPWM波的频率为20K，则f定为1.2kHZ，由公式 取电容C=3.3uF，电容选择聚丙电容，得L=4.7mH。 三、电路与程序设计1.推挽式隔离型直流变换电路如图3，电路由脉宽调制芯片SG3525产生带死区互补PWM波驱动IRF3205，两个开关管经变压器初级绕组的中心端交替导通，每次导通时间小于半个周期。次级整流二极管也轮流导通，交替经滤波电感向负载提供电流并向电容充电。图3 推挽升压电路2.逆变电路由于输出功率较大，达100W所以采用全桥逆变，如图4所示。利用msp4

14、30g2553产生的两路带死区互补的SPWM经IR2110驱动开关管IRF740。IR2111驱动功率器件，采用自举驱动方式，悬浮沟道设计使其能驱动母线电压小于600V的功率管。它可以仅用一个供电电源来实现对全桥电路4个管子的驱动，避免了以往桥式驱动中多独立电源的麻烦，还可以和主电路共地。 由于MOS管通常导通时间要小于截止时间，这样在交替导通的瞬间往往容易发生桥路短路现象，改进的办法是在驱动臂上并联二极管1N4148来加速电流回吸，以起到加速截止的作用，使MOS管的截止加快。为了防止MOS管在开关的瞬间，尖锋电压导致MOS管被击穿，在桥路中加入了起缓冲嵌位作用的二极管，电阻和电容。 图4 逆

15、变电路 3.保护电路如图5所示，电流1在采样电阻上产生的电压经LM358放大10倍后于参考电压比较，超过则输出低电平，向二极管迅速放电使#SID信号被拉低，浮栅型驱动器输出被关闭，向单片机报警。同时I变小，运放1脚输出高低平，5V经过R23对C31充电，经过一段时间达到IR2111的高电平门限，再次打开场效应管。这样可以保证过流时迅速关断输出，关闭一段时间后自行试探，在故障消除后自动恢复。暂无图5 过流保护电路4.辅助电源 由于输入直流电压只有12V，而给芯片供电需要15V,5V,3.3V，需要多路输出。如图6所示，采用反激式变换器再经过稳压芯片稳压，可以很好地隔离并且使损耗较小。本设计中采用

16、电流型脉宽调制芯片sg3525驱动IRF3808控制占空比，经高频变压器和半波整流得到多路直流输出。图6 辅助电源5.SPWM产生程序 如图7所示为程序的流程图，利用msp430g2553产生双极性SPWM波，由于单片机没有负压故需要对脉宽进行抬升到正轴以上。由于频率较高，所以利用内部锁相环模块将系统时钟倍频到50MHZ，利用定时中断按时到按正弦规律变化的表中查询改变输出脉宽。 图7 SPWM波产生程序流程图 四、测试结果及分析1.测试方法与测试条件1.1 测试仪器数字示波器 DS5062MAE；4位半数字万用表 MY65；15M数字信号源 RIGOL DG1011；双路可跟踪直流稳定电源 E

17、M1715；OrCAD 10.5。 2.主要测试结果2.1 隔离型直流变换器的测试2.1.1 高频变压器原级波形如图8所示。图8 变压器原级波形2.1.2 效率测试占空比（%）输入电压Ui（V）输入电流Ii(A)输出电压UO(V)输出电流IO(A)效率（%）1411.91.141030.1070.8133121.781940.0900.8245121.962210.0850.7982.2 SPWM波的测试 将msp430产生的两路SPWM波形送入IR2110驱动全桥，用示波器测IR2110输出端波形，如图9所示。图9 SPWM波形元件参数根据计算可知，L=4.7uH,C=2.2Uf.仿真波形如

18、图11所示。五、设计总结 为期近两个星期的电子设计结束了，这次我们设计的是逆变电源，主要是探讨其原理以及实物的制作。一开始对这些觉得很困难，因为以往都是以课本理论知识为主，并未做过太多实践，所以有点无从下手的感觉。不过，好在有很多资源可以利用。无论是网络还是书籍都给了我们很大的帮助，让我们弄懂了很多以前不清楚的知识，从主电路设计，元器件的参数计算到实物的焊接等都有了比较深刻的了解。电子设计大赛虽然结束了，但通过这次电子设计大赛让我们学会了很多东西，对之前的课程也有了更深入的了解，并且运用到实践中来，从理论到实践完成了一个很大的跨越。当然也离不开老师的帮助与辅导，感谢老师的细心教导。参考文献 1

19、杨荫福等编著.电力电子装置及系统.北京:清华大学出版社,2006.92王兆安 刘进军主编. 电力电子技术. 北京:机械工业出版社,2009.53忠炎平主编.电力电子电路设计. 武汉:华中科技大学出版社,2010.44黄智伟编著.全国大学生电子设计竞赛系统设计. 北京:北京航空航天大学出版社,2006.125黄争编著.2009年全国大学生电子设计竞赛优秀作品选集. 上海:德州仪器半导体技术（上海）有限公司大学部,2009.12附件：SPWM程序：#include <msp430g2553.h>char i;unsigned int j=1;int n=0;const int spwm

20、=0, 5 , 10,15,20,25,29,34,39,44, 49,54,59,64,69,73,78,83,88,93,98,102,107,112,117,121,126,131,136,140,145,150,155,159,164,168,173,178,182,187,191,196,200,205,209,214,218,223,227,231,236,240,244,249,253,257,261,265,270,274,278,282,286,290,294,298,302,306,310,313,317,321,325,328,332,336,339,343,347,35

21、0,354,357,360,364,367,370,374,377,380,383,387,390,393,396,399,402,405,407,410,413,416,418,421,424,426,429,431,434,436,439,441,443,446,448,450,452,454,456,458,460,462,464,466,467,469,471,472,474,476,477,478,480,481,483,484,485,486,487,488,489,490,491,492,493,494,495,495,496,497,497,498,498,498,499,49

22、9,499,500,500,500,500,500,500,500,500,500,499,499,499,498,498,498,497,497,496,495,495,494,493,492,491,490,489,488,487,486,485,484,483,481,480,478,477,476,474,472,471,469,467,466,464,462,460,458,456,454,452,450,448,446,443,441,439,436,434,431,429,426,424,421,418,416,413,410,407,405,402,399,396,393,39

23、0,387,383,380,377,374,370,367,364,360,357,354,350,347,343,339,336,332,328,325,321,317,313,310,306,302,298,294,290,286,282,278,274,270,265,261,257,253,249,244,240,236,231,227,223,218,214,209,205,200,196,191,187,182,178,173,168,164,159,155, 150,145,140,136,131,126,121,117,112,107,102,98,93,88,83,78,73

24、,69,64,59,54, 49,44,39,34,29,25,20,15,10,5 ;void TimerB_Init() P1SEL |= BIT3+BIT2; / Set for Timer A1 P1DIR |= BIT3+BIT2; TACCR0 = 500; / Init TACCR0 w/ sample prd=CCR0+1 TACCR1=TACCR2=spwmn; / Trig for ADC12 sample & convert TACCTL1 = OUTMOD_6; / Set/reset TACCTL2 = OUTMOD_2; TACCTL0=CCIE; TACT

25、L = TACLR + MC_1 + TASSEL_2; / clear TAR, up mode*/void delay(unsigned long i) while(i-);void ini_sys(void) WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; /STOP W D T BCSCTL1=0x00;/Set 430 clk 开启XT2，DOC的标称频率为最低 且不分频；XT1为低速晶体（32.768K） / BCSCTL2=SELM_2+SELS+DIVS_3;/选择MCLK SCLK的时钟源为高速时钟 不分频，均为8M BCSCTL2=SELM_2+SELS; do IFG1&=OFIFG; for(i=0xff;i>0;i-); while (IFG1&OFIFG)!=0);void main() WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; ini_sys(); TimerB_Init(); _EINT(); /_BIS_SR(LPM0_bits + GIE); while(1);#pragma vector=TIMER1_A0_VECTOR _interrupt void TimerB(void) n=(n+1)%320; TACCR1=spwmn; 总电路如下：