基于PWM的正弦波电源的设计与实现

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1、学校代码：11517 学 号：201150712302 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 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 201150712302 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） 完成时间 2013年5月 20日 河南工程学院论文版权使用授权书本人完全了解河南工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存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

2、段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 论文作者签名： 年 月 日 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成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者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贡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：

3、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 201150512302 姓名 韩立业 主要内容、基本要求、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基本结构和控制方式、硬件电路的设计、控制系统软件的设计等。根据仿真模型焊接，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。基本要求: 1、掌握PWM控制技术，确定总体设计方案。 2、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

4、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控制与驱动器使用应用电路. 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）:35-70 5 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 日目 录 摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 论文的来源目的及意义11.2 设计指标及实现11.3 研究概况21.4 主要内

5、容22 逆变器的主要控制方式42.1 逆变器的模拟控制方式42.1.1 电压型控制方式42.1.2 单周期控制技术52.2 逆变器的数字控制53 逆变系统基本结构及其控制策略73.1 逆变系统的基本结构73.2 SPWM控制技术原理及其实现83.2.1 SPWM控制技术原理83.2.2 SPWM控制脉冲的实现方式104 系统硬件电路134.1 电源的整体结构和原理134.2 逆变电源主电路的设计及仿真134.2.1 死区时间控制电路144.2.2 输出LC滤波器的计算154.2.3 功率开关管的选择164.3 驱动电路174.4 缓冲电路204.5 采样调制电路214.6 过欠压保护电路224

6、.7 本章小结245 电源的实现256 总结27致 谢28参考文献29附 录31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发展以及变频电源的应用越来越广泛，对作为变频电源中重要的部分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，并且价格高，因此逆变器的数字化成为了一种趋势。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。本设计首先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基本结构，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

7、间控制电路、DC-DC升压模块等，并确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满足了设计要求，之后完成实物的制作，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Design and Realization of sine wave power supply based on PWMABSTRACT With the development of science and technology, variable frequency power supply applied more widely in our life,

8、but also put forward higher requirements on as an important part of the inverter frequency conversion power. The traditional inverter to control the system, simulation of control or modulus control combined with a complex structure, the integrated degree is low, and the price is high, so the digital

9、 inverter has become a trend.Inverter includes the main circuit, the inverter control circuit, filter circuit and other auxiliary circuit. This design introduces the traditional inverter power control and digital control mode, and then introduces the basic structure of inverter, SPWM control princip

10、le of inverter power supply, the generation process of SPWM. Then the hardware design of inverter system, includes the main circuit, control circuit of inverter dead time, DC-DC converter module, and to identify the components in the circuit model. The simulation and debugging of the system in the P

11、roteus system in the simulation, parameters meet the design requirements, after the completion of production in kind, to complete the material, the test results do not meet the requirements.KEY WORDS Inverter,Digital control,PWM1 绪论电力电子器件产生于20世纪40年代末，随着几十年的发展，电力电子器件在大功率化、高频化、集成化得到了长足的进步，在此期间逆变器技术也飞速

12、发展起来。1.1 论文的来源目的及意义变频电源就是一种交流-直流-交流转换的电源装置，经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。它在我们的生活与工作中应用十分广泛，主要适用于家用电器、电子应用、实验室等方面，并可用来检测各种用电电器。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，逆变器技术也得到了长足的发展，同时对逆变器的要求也越来越高。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，并且价格昂贵。为了解决这些问题，同时随着高性能的数字芯片的产生，逆变器的数字化成为了一种趋势。PWM的全称是Pu

13、lse Width Modulation（脉冲宽度调制），该种控制方式的基本原理就是通过改变逆变主电路中的开关器件的通断时间来得到一系列宽度不等、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优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式。随着电子技术的发展，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得到正弦波的输出。1.2 设计指标及实现 技术指标为:当输入电压为24V10%V时，经过逆变器的输

14、出电压要达到单相交流36V5%V，400Hz的指标，且输出电流为200mA。根据设计指标确定逆变系统的主电路，并且确定系统的控制方式，完成该系统的软件仿真，根据仿真的结果进行调试，得到符合技术指标的输出。根据仿真模型确定各个元器件，最终做出电源的实物。1.3 研究概况逆变电源从出现到现在共经历了三个阶段的发展，20世纪50年代末是电力电子技术飞速发展的时期，逆变电源也产生于这个时代。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。这是逆变电源发展的第一个阶段。此种电源的出现使逆变技术向前发展了一大步，同时也带来一

15、些问题：在逆变电源中增加了换流装置，增加了其复杂性，并且有噪声大、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。此种电源的优点如下：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，并降低了成本，使得逆变电源的开关频率、动态压降均减小。但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，理论上说这种加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绝缘栅充电过程中输出一定的脉冲幅度，即可使开关管导通，并且其栅极并不消耗功率

16、。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以及其动态特性。1.4 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波形方法及其程序，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）介绍逆变器的各种控制方式，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

17、字化的逆变器是逆变器发展的趋势。（3）介绍逆变系统的基本结构，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控制脉冲的实现方法，即利用单片机芯片生成SPWM波。（4）本章主要是对系统硬件的设计，通过分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，但是在这两种控制方式下的逆变系统结构复杂、成本较高。随着对逆变器性能要求的越来越高，同传统控

18、制方式比较，数字化的逆变器成本低、控制简单、可调性强，数字化逆变器的优点使它成为了逆变器发展的一种趋势。2.1 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使用的控制方式。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理器而得到的，再将此信号与载波Uc相比较，经适当的逻辑变换和驱动电路后控制逆变器，如图2-1(a)所示。图2-1(b)中，G1(S)表示误差放大器的传递函数，d为SPWM信号的占空比，N1、N2为耦合电感的原、副边绕组匝数，kuof为输出信号的反馈系数。（a）单闭环控制框图（b）单

19、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。这种控制理论的基本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。此技术的优点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。单周期控制技术可以有效地降低系统的成本，简化系统的结构，动态性能得到了提高，减小了系统的体积，减低了成本。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

20、技术的介绍可以看出，此种控制技术多适用于有非线性负载的系统，对系统的跟随性、抗干扰能力要求较高的电路。2.2 逆变器的数字控制随着电子技术的快速发展，对逆变电源的技术提出了更高的要求，为了应对各种不同的要求，逆变器的控制方式也越来越数字化，这也成为现代逆变技术发展的趋势。数字化的逆变器具有以下明显优点：（1）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，使系统的性能变得越来越好。（2）数字化控制方式可以使得系统的控制更为灵活，降低了系统的成本，使得系统的维护更为方便，系统的一致性得到提高。 （3）数字化的控制方式不仅可以提高系统的安全性能，而且对于不同的

21、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得到满足要求的系统。（4）系统维护方便，在系统运行过程中若出现故障，可以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。在维修过程中可以通过修改系统的参数就可以完成系统的修护。随着电力电子技术在生活中应用范围越来越广，数字化控制的逆变电源也越来越受到关注，当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，各种各样的离散控制方法也纷纷涌现，包括模糊控制、重复控制、PID控制、无差拍控制等，随着各种各样的技术的出现，逆变电源技术也得到了长足的发展，不断的完善逆变电源的各种性能。逆变电源的主要控制

22、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，大部分的控制方式均可以正确的描述系统的动态性能，然而对于复杂的系统，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理这些控制问题。近年来，随着对逆变系统的要求越来越高，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起了人们的重视。对于复杂的逆变电源的设计，模糊控制器有着以下优点：对于使用模糊控制的系统，系统不需要有十分确定的控制对象模型，这样就降低了系统设计的复杂性，同时使用模糊控制的系统的动态响应快速，并且具有较强

23、的自适应性。（2）PID控制比例-积分-微分控制（PID控制）概念明晰，使用中不需要精确的系统模型等先决条件，由于PID中的参数较易整定，因此是应用最为广泛的控制器，PID控制广泛应用于各种系统的静、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定性，积分控制部分需要再添加一个相位环节来缓解振荡，这就与PID一般的使用有了很大的区别，同时也对PID有了新的要求。尽管PID控制可以快速的响应反馈信号，但是无法实现精确的跟踪正弦波信号，同时系统中的非线性负载对PID的影响也较大，因此使用PID控制时系统的稳定性较差，基本上无法满足系统的要求。实际系统往往在 PID

24、控制基础上增设平均值反馈以保证稳态精度。3 逆变系统基本结构及其控制策略为了提高逆变系统的性能，必须对逆变系统的整体结构有详细的了解。在对系统调试时，必须选择合适的控制方式。本章详细地介绍逆变系统的结构、控制方式并确定本设计中的控制方式。3.1 逆变系统的基本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分就是逆变主电路也就是使用开关器件的电路部分，逆变主电路的作用就是将直流电逆变为交流电输出。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间的控制，最后得到一个与期望相符的输出波形。在逆变系统中

25、除了最重要的逆变主电路和控制电路以外，还包括了滤波电路、死区时间控制电路、辅助电源、驱动部分、过压过流电路。下面对各个部分做一些简单介绍:（1）逆变主电路作为逆变系统中最重要的部分，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间的控制来得到期望的输出值，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按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。

26、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理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，采样调理电路就不再工作。（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合适的直流电压，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，保证系统的稳定性。（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

27、才能运行，SPWM波的产生电路中也需要驱动电路才可以正常的运行。3.2 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，可以调节逆变电源的频率，本章详细介绍SPWM波的各种生成方式，确定设计中所使用的SPWM实现方式。3.2.1 SPWM控制技术原理正弦波脉宽调制（SPWM）即通过按正弦波变化的脉冲控制逆变主电路中的开关器件的通断来得到正弦波等效的PWM波形。如图3-1中所示为PWM波的产生过程，图3-1a中为一正弦波形，为了通过正弦波得到一个正弦波形，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，这样就得到了一系列宽度相同且等

28、于/M的脉冲，这些脉冲彼此相连就形成了脉冲波形。图3-1 用PWM波替代正弦半波由于脉冲波形是由正弦波确定的，因此个各脉冲的幅值不同，各脉冲的幅值是按照正弦规律变化的。将上述所得到的的脉冲序列使用一系列宽度不等，幅值相同的脉冲替代，由于是等效的替代正弦波，因此所得到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确定的，通过等效替代就得到图3-1b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

29、这种通过单极性控制方式得到的SPWM波形的调制方式为单极性调制方式。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，因此经过调制后的SPWM波同样也是有正有负，不再是单极性的变化了。在双极性控制方式下，ur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间控

30、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，所得到的的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变化，所得到的PWM波有正也有负。根据设计要求，逆变电源所得到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为控制方式构成的逆变器，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可以简化系统结构、提高系统的响应速度。SPWM波的形成方法主要有：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

31、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不会使用此种方法。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。该种方法的基本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理后再与调制信号进行比较，直到与调制信号一致为止。使用硬件调制法得到SPWM波时，一般情况下使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。此种方法简单，但由于模拟电路的复杂性使得所得到的的信号准确性不高。（2）软件生成法随着微机技术的发展，利用软件生

32、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法，图3-4所示为规则采样法的示意图。取三角波的两个正峰值之间为一个采样周期Tt。在自然采样法中，每个脉冲的中点并不和三角波一个周期的中点重合。而规则采样法中则使两者重合，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得到M点，过M点作一水平直线和三角波分别交与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分别是和，周期分别是和，脉宽和间

33、隙时间t1和由下式计算： (3-1) (3-2) (3-3)由公式3-1和3-2可以很容易求得和值，从而确定相应的脉冲宽度。 图3-4 规则采样示意图上面对PWM控制技术的原理进行了分析，同时对能生成SPWM 控制脉冲的各种方法进行了介绍。比较以上几种方式可以看出软件生成法具有抗干扰强，电路简单等优点，是一种比较理想的控制方案。一般情况下均采用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不高，同时考虑到成本问题，使用单片机完全可以满足设计的要求。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定时器的设定来实现

34、SPWM波的产生，图中的X1为晶振，晶振大小为10KHZ，由它来控制单片机的输出频率。经过单片机得到的SPWM波形如图3-6所示。图3-5 SPWM产生电路图3-6 SPWM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，根据设计技术指标来确定各个电路中元器件型号，完成对系统的整体结构的设计。4.1 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过程为：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S

35、PWM控制方式，即通过单片机芯片产生的SPWM信号，经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，经过逆变器逆变后再经过滤波电路就得到输出为36V/400Hz的交流电。4.2 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，是由升压模块得到的，本实验中的升压模块采用的是推挽式升压模块，它的主要优点是可以将输入电压升压至任何值，使用推挽式升压电路完全可以满足设计要求。输入电压经过推挽升压电路后得到的输出电压作为DC-AC电路的输入，经过逆变H桥的逆变后得到满足设计要求的正弦波输出。Q1-Q4为四只IGBT管，它的开关频率高，损耗小，参数离散小，

36、可靠性高，高温性能稳定，气动性能稳定，由IGBT构成的逆变器效率高，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10KHz。图 4-2 逆变主电路4.2.1 死区时间控制电路的设计死区时间控制电路就是为了防止输出信号失真，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间的延时。使用死区时间控制电路可以防止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。死区时间的计算公式为： （4-1）式中：TD死区时间； ToffIGBT关断

37、延时时间；TonIGBT导通延时时间。死区时间控制电路如图4-3所示。图4-3 死区时间控制电路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，但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过低。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，但是逆变器的无功电流随之也增大，使得系

38、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： (4-2)式中： fc滤波电路的转折频率， fs系统输出信号的频率滤波器的转折频率fc的计算公式为： (4-3)根据上述将式4-4改写为： (4-4) 令上式中的，为阻抗特性。由公式4-4可得： (4-5) (4-6)与负载阻抗RL的关系为：- (4-7)其中RL的值为： (4-8)取=0.6RL，则=108。又fc的值已知，根据式4-5,4-6可得滤波器的电感，电容的大小为： L=17.197mH, C=1.474F (4-9)根据上述所求出的电感电容值，本设计中的电感L的值取18 mH，

39、电容C取为2F。4.2.3 功率开关管的选择开关器件IGBT的选择主要是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个IGBT器件所承受的最高电压即为Udmax。实际中要考虑电压尖峰的影响，实际开关器件所承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100V。由于流过IGBT的电流IIGBT之后通过滤波电路，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

40、：Icf滤波电容电流的有效值; Io逆变器输出电流的有效值。当系统短路时，输出电流Io的值为：Iomax (4-11)Icf的计算值如式4-12所示： (4-12)则根据式4-10可得IGBT的电流的最大有效值为：ILmax=0.4390A (4-13)考虑IGBT管的裕量，则IGBT的电流值为： (4-14)4.3 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。常用的有：（1）TTL电路驱动方式 该种方法最为简单，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

41、中最常用的电路，可以很好地对开关器件的栅极充电。（2）隔离驱动 此种驱动电路主要是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，由于集成模块的使用，使得系统的集成度得到了提高，简化了电路，提高了系统的稳定性，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IGBT。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，具备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IR2112芯片驱动全桥逆变电路，电路图如图4-5所示：

42、图4-5 IR2112驱动电路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。根据上述对IR2112芯片的介绍，可以看出采用该种芯片可以减少系统中的驱动电源的数目，IR2112还具有独立的低端和高端的输入通道，工作频率高，并且还能实现光耦隔离及电磁隔离。 （a）内部框图（b）引脚图图4-6 IR2112引脚图及内部框图图中： LO （引脚1）低端输出 Nc（引脚8） 空端 COM（引脚2） 公共端 VDD（引脚9） 逻辑电源电压 VCC（引脚3） 低端固定电源电压 HIN（引脚10） 逻辑高端输入 Nc（引脚4）空端 SD（引脚11）

43、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） 高端输出 LIN（引脚12） 逻辑低端输入VSS（引脚13）逻辑电路地电位端。 4.4 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复浪涌电压，保护系统防止出现短路现象，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分。缓冲电路之所以能减小功率器件的损耗是因为它可以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

44、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，容易引起振荡，因此这种缓冲电路比较适用于小功率等级。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况下不会出现谐振，但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，该缓冲电路既可以有效地抑制振荡且回路电感较小的优点，缺点是成本高。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R2使C1充电，当IGBT由

45、导通变为截止时，输出电流Io将通过C1、VD1流向逆变器的输出端，这样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由导通变为截止时，主电路的电感L中储存的能量基本上都转移到电容C1上，即： （4-15）式中， L-主电路的电感； Io-IGBT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。图4-7缓冲电路本设计中取(VCEP-E)=12V，杂散电感L=0.5F，集电极电流IO=6A,由以上数据可得吸收电容的值为C=0.09F，取C的值为0.1F。（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

46、前将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： f-IGBT开关频率。由上述数据可求得4.5R167,这里R取10。 电阻的功率P的计算可有以下公式求得： (4-17)这里的电阻功率取P=0.5W。（3）缓冲器二极管的选择：二极管在缓冲电路中的作用就是防止产生尖峰电压、防止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(1A/30V)。缓冲电路设计的好坏直接关系到逆变器等功率电路能否正常运行，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可以有效地降低开关应力、很好的抑制高频振荡、降低开关损耗、提高工作频率。

47、4.5 浪涌短路保护电路的设计涌电流是指电源接通瞬间或是在电路出现异常情况下产生的远大于稳态电流的峰值电流或过载电流，为了防止出现浪涌短路电流，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0.1进行采样电压，通过470k电阻得到电流，此电流流过光电耦合器，当电流高于光藕内二级管导通电流时光藕输出端导通，U3990的10脚变成低电平，使SPWM波不输出，关闭场效应管，形成保护，此过程非常快，当故障排除后，光电耦合器输出关断，逆变器正常工作。图 4-8 浪涌短路保护电路4.6 过欠压保护电路在系统设计过程中为了保证系统的安全运行，防止逆变器输出过

48、压或欠压所造成负载损坏，必须采用过欠压保护。当系统运行过程中出现故障时，保护电路就会动作，禁止控制信号的动作，直到解除故障后才恢复控制信号。过流保护的主要目的就是防止输出过载或短路而造成逆变器损坏。当系统过压时对负载的影响较大，因此在过压时需要迅速关断逆变器中的功率管，欠压保护还应设置有延时动作，这样就可以避免在启动欠压保护是出现误保护。过欠压保护电路如图4-10所示，过欠压保护电路中参数的选择如下。（1）过欠压保护基准电压的选择。本设计中电压允许的波动范围,36V5%，因此输出电压波动上限值、下限值的有效值分别为37.8、34.2，由于霍尔传感器的匝数比为2500:1000，所以经过传感器后

49、的电压分别为：14.4、15.12、13.68。经全桥滤波与电容滤波后可得： (4-21) 过压保护电压： （4-22）欠压保护电压： （4-23）（2）光耦TLP521的参数：将IF的取值取在线性工作区内,一次侧：,连续正向电流IF（max）=10mA。二次侧：当IF=1mA时，电流传数比CTR=70%。（3）电路参数计算：本设计中IF=1mA,VF=1.2V时 (4-24)为了计算方便取R2=1.2k,则 (4-25) (4-26) (4-27)因此R1的取值为10K/1W。取RP1=10K时，过压基准电压的设置为： (4-28)欠压基准电压的设置： (4-29)图4-10过欠压保护电路霍

50、尔电流传感器可以将检测到的电流信号直接化为电压信号输出，因此过电流保护电路原理与过压保护类似。4.7 本章小结本章的主要内容是对整个逆变电源系统的硬件设计的完成，给出了逆变电源的整体框图，然后通过设计的要求对系统中的元器件经行选择，最后完成整个逆变电源的设计，其中主要的硬件电路的设计包括逆变主电路中的IGBT管的选择，保护电路及驱动电路等。5 电源的实现经过上述对逆变系统中电路器件的计算，得到了满足设计所需要的各个器件的型号，通过在面包板上按照电路图经行连线，完成连线后经行调试。系统硬件部分的元器件如表5-1所示。表5-1 元器件表名称型号数量单片机AT89S521个场效应管驱动芯片IR211

51、02个与门74HC084个非门74HC142个IGBTCT 15SM-244个二极管UF40072个晶振12KHZ1个电解电容10uf6个电感20MH2个电容30P4个电阻10K11个电阻154个电解电容330Pf4个上述表中的IGBT管在计算过程中的电压大小为100V，但由于市场上大部分的IGBT管的电压的电压为600V，所以设计中采用型号为CT 15SM-24。在实际的元器件连接过程中，按照Proteus中的仿真图作出的逆变电源实物不一定会有输出，因为在Proteus中芯片的供电电源引脚并不显示，在实际过程中要把芯片的供电电源引脚与相应的电源连接，使得芯片正常工作。完成连线后就要进行对系统

52、的检测、调试。系统的硬件图如图5-1所示。用示波器检测系统的输出信号，测量时并未见的有标准的正弦波出现，经过分析可能出现的问题是SPWM控制信号，所测得结果未到达设计指标36V。分析实物失败的原因如下。（1）在完成实物连线前，未检测元器件是否正常工作。（2）在连线过程中出现连接线松动，或者出现连接线连接错误。（3）未出现正弦波的原因可能是逆变主电路中的H桥工作不正常。（4）所测得输出电压值为达到设计指标36V，可能出现的原因是由于IGBT等元器件的耗能造成的。图5-1 系统硬件实物实物完成后连接示波器得到的结果应与仿真得到一致。仿真结果如图5-1所示。图5-1 仿真结果6 总结本文主要介绍了逆

53、变电源的各个部分的设计，包括逆变主电路、驱动电路、缓冲电路、采样调理电路、过欠压保护电路等硬件设计。同时还介绍了逆变电路的控制方式，通过对当前各种控制方式的分析与比较，最后提出了以重复控制为控制方式、基于PWM的正弦波电源方案。本文中主要完成了以下几个方面的工作：（1）分析了并比较了SPWM逆变器的工作原理，确定了文本所使用的逆变器为单相全桥SPWM逆变器，最后建立了逆变电源的仿真模型。（2）分析了SPWM波的各种产生方式，比较了各种方式的优缺点，确定了本文的SPWM的实现方式为软件生成法即利用单片机产生SPWM波。（3）完成了系统的硬件部分逆变主电路、SPWM产生电路等的设计，给出了系统的P

54、roteus仿真。由于时间、条件等的限制，本文中还有大量的问题没有解决：本文中的硬件部分还有很多部分未分析和实现仿真，对于最后的实现功能由于经济、时间等的问题而没有在论文中体现出来，还需要在以后中进一步探讨。致 谢衷心感谢我的导师邓丽霞老师，在完成毕业设计的这段时间内，邓老师从本设计的选题、开题答辩一直到论文的完成过程中对我进行了认真悉心的指导。在论文的写作过程中，邓老师对我严格要求，在邓老师的指导下，我的理论水平和实际动手能力都得到了很大的提高。通过写作毕业论文，使我在本科阶段所学到的知识在本次毕业论文中得到了温故与巩固，加深了我对所学的知识了解，与此同时我的学习能力得到了很大的提高。在温故

55、所学过的知识的同时，通过对论文中涉及新知识的学习，开阔了自己的眼界，丰富了自己的知识。谨在本论文完成之际，向邓老师表示最真诚的敬意！同时还要感谢在同一个实验室的同学们，在完成论文的过程中，通过与同学们的交流与学习，使我学到了许多的知识，对所学知识有了一个整体的认识，在遇到问题时同学们的建议给了我很大的帮助。在实验室的时间同学们相互帮助，相互讨论，共同解决了很多问题，使我的毕业论文顺利的完成了。参考文献1 易龙强,戴瑜兴.正弦逆变电源的数字脉宽调制技术J.湖南大学学报,2007,01(2):1000-2472.2 朱朝霞,杨启华,徐德鸿.正弦波输出变压变频电压调制方式的研究J.电源技术应用,20

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