单相全桥逆变电路讲解（课件）

单相全桥逆变电路讲解,首先介绍学习硬件电路的重要性和必要性,重要性：找工作面试、考研面试和在以后工作中都是很好的基础，起到良好的作用。 以此为基点，展开，引用李泽元老师的话：“现在知识面很宽很大，不可能面面具到，且搞的人很多，要找一个自已感兴趣的点，深入研究，动手实践做实验，在实验中发现问题和解决问题，然后再扩展。”,首先介绍学习硬件电路的重要性和必要性,必要性：这个电路的选取有代表性，由于桥式逆变电源在选择功率开关器件耐压要求可以稍低，并有较高的功率输出，现通常采用全桥式逆变电路来实现较大功率输出。单相三相全桥逆变电路应用范围广（各种开关电源如电源车载电源、航空电源、电信电源等；各种电机调速如空调、电焊机等；变频器；牵引传动等领域）。,整体安排,一、基础知识讲解（计划两至三个半天） 开关管（MOSFET和IGBT）知识、电阻 电容等基本知识、芯片 管脚功能（IR2110 、 SG3525、LM339、 MUR8100 、IRFP450 ） 主电路、控制电路的工作原理、参数的确定,整体安排,二、PROTEL介绍 、原理图绘制（计划三个半天） 两个图，主电路和控制电路（各1.5个半天） 初步认识元器件封装，画原理图尽量选正确的封装 三、 生成PCB、手动布线（计划两个半天） 两个PCB图，主电路和控制电路（各一个半天） 认真核对元器件封装，检查PCB的各种规则,整体安排,四、焊板调试 （计划两个半天） PCB画好后，制板需要一周左右的时间，可休息） 在同学画的板当中选一个PCB去腐蚀 调试需要两个半天或更长时间，调好为止，完成后将自已的作品带走。 以上时间可随工作进展情况调节,基础知识介绍 （晶闸管）,晶闸管:只能控制开，不能控制关,基础知识介绍 （晶闸管）,基础知识介绍 （MOSFET）,MOSFET:可控开，可控关 什么是MOSFET “MOSFET”是英文MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor的缩写，译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。它是由金属、氧化物(SiO2或SiN)及半导体三种材料制成的器件。所谓功率MOSFET(Power MOSFET)是指它能输出较大的工作电流(几安到几十安)，用于功率输出级的器件。,基础知识介绍 （MOSFET）,MOSFET的结构,基础知识介绍 （MOSFET）,MOSFET体内电容和二极管,基础知识介绍 （MOSFET）,为什么要在MOS管前串接一个电阻?有什么作用? MOS导通瞬间,由于D、S近似短路,G、D间电容可看作变成G、S间电容,G极驱动电路立刻对其进行充电,这样就产生了驱动电压振荡现象.为了防止MOSFET产生震荡而串接的,一般情况下阻值较小, 过高的振荡有可能击穿G,S间的氧化层.也可以接一个稳压管防止产生振荡,基础知识介绍 （MOSFET）,为什么MOSFET G-S之间往往并联一个电阻,这个电阻选择依据什么? 这个电阻的主要作用是防止静电损坏MOS，静电损伤是因为GS之间结电容太小导致(U=Q/C)也就是即使有很小的静电电荷就有可能产生很大的电压, 使的MOSFET损坏，这个电阻提供寄生电容电荷泻放通道 ，这个电阻是需要的，并且很重要 。 一般情况，取个10k或5.1K已能适应大部分情况,基础知识介绍 （IGBT）,IGBT:可控开，可控关,基础知识介绍 （IGBT）,IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，（输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管 ） GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大; MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，即：驱动功率小和开关速度快,且饱和压降低和容量大的优点 。,基础知识介绍 （IGBT）,IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同 IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。 非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件,基础知识介绍 （电阻）,电阻：导电体对电流的阻碍作用称为电阻，用符号R 表示，单位为欧姆、千欧、兆欧，分别用、k、M表示。 电阻器的分类 一种分类:固定电阻器（R）、电位器（W）、敏感电阻器、贴片电阻器,基础知识介绍 （电阻）,另一种分类如下： 1、线绕电阻器：通用线绕电阻器、精密线绕电阻器、大功率线绕电阻器、高频线绕电阻器。 2、薄膜电阻器：碳膜电阻器、合成碳膜电阻器、金属膜电阻器、金属氧化膜电阻器、化学沉积膜电阻器、玻璃釉膜电阻器、金属氮化膜电阻器。 3、实心电阻器：无机合成实心碳质电阻器、有机合成实心碳质电阻器。 4、敏感电阻器：压敏电阻器、热敏电阻器、光敏电阻器、力敏电阻器、气敏电阻器、湿敏电阻器。,基础知识介绍 （电阻）,电阻主要特性参数：标称阻值 、允许误差 、额定功率、额定电压 、最高工作电压、温度系数 、老化系数、电压系数 、噪声 等。 1、标称阻值：电阻器上面所标示的阻值。 2、额定电压：由阻值和额定功率换算出的电压。 3、最高工作电压：允许的最大连续工作电压。在低气压工作时，最高工作电压较低。 4、温度系数 ：阻值随温度升高而增大的为正温度系数，反之为负温度系数。,基础知识介绍 （电阻）,5.额定功率 ：在正常的大气压力90-106.6KPa 及环境温度为5570的条件下，电阻器长期工作所允许耗散的最大功率。 线绕电阻器额定功率系列为（W）：1/20、1/8、1/4、1/2、1、2、4、8、10、16、25、40、50、75、100、150、250、500 非线绕电阻器额定功率系列为（W）：1/20、1/8、1/4、1/2、1、2、5、10、25、50、100 固定电阻器额定功率标称系列为：1/8、1/4、1/2、1、2、5、10W，小电流电路一般采用1/8、1/4、1/2的电阻器，而大电流电路中的常采用1W以上的电阻器。,基础知识介绍 （电阻）,电阻器额定功率的识别 方法一：对于标注了功率的电阻器，可根据标注的功率值来识别功率大小，如“10W330RJ”表示额定功率为10W，阻值为330，误差 。 方法二：对于没有标注功率的电阻器，可根据长度和直径来判别其功率大小。长度和直径越大，功率越大。见下表：,基础知识介绍 （电阻）,电阻器额定功率的识别 电阻功率与长度和直径关系,基础知识介绍 （电阻）,电阻器额定功率的识别 方法三，在电路图中，为了表示电阻器的功率大小，一般会在电阻器符号上标注一些标志，电阻器上标志与功率值如图所示，1W以下用线条表示，1W以上的直接用数字表示功率大小。,基础知识介绍 （电阻）,电阻器阻值标示方法 1、直标法：用数字和单位符号在电阻器表面标出阻值，其允许误差直接用百分数表示，若电阻上未注偏差，则均为20%。 1).数值+单位+误差：如12 10%。 2）用单位代表小数点：1k2,表示1.2K，3M3表示3.3M,3R3(33) 表示3.3，R33(33)表示0.33, 3)数值+单位或数值直接表示.如12K或12K,基础知识介绍 （电阻）,电阻器阻值标示方法 2、文字符号法：用阿拉伯数字和文字符号两者有规律的组合来表示标称阻值，其允许偏差也用文字符号表示。符号前面的数字表示整数阻值，后面的数字依次表示第一位小数阻值和第二位小数阻值。 表示允许误差的文字符号如：DFGJKM 分别代表允许偏差：0.5%1%2%5%10%20%,基础知识介绍 （电阻）,电阻器阻值标示方法 3、数码法：在电阻器上用三位数码表示标称值的标志方法。数码从左到右，第一、二位为有效值，第三位为指数，即零的个数，单位为欧。偏差通常采用文字符号表示。 如:100为10,103表示10K,105表示1M,多用于贴片电阻上.,基础知识介绍 （电阻）,电阻器阻值标示方法 贴片电阻还有两种表示方法: 1)2位数字后加R标注法:(单位为).两位数字为两位有效字,R表两位有效数字之间的小数点.如10R表示1.0,41R表示4.1,89R为8.9. 2) 2位数字中间加R标注法: (单位为).如1R0为1.0,1R3表示1.3,1R5表示1.5.,基础知识介绍 （电阻）,电阻器阻值标示方法 4、色标法：用不同颜色的带或点在电阻器表面标出标称阻值和允许偏差。国外电阻大部分采用色标法。 棕-1、红-2、橙-3、黄-4、绿-5、蓝-6、紫-7、灰-8、白-9、黑-0、金-5%、银-10%、无色-20%,基础知识介绍 （电阻）,电阻器阻值标示方法 当电阻为四环时，最后一环必为金色或银色，前两位为有效数字，第三位为乘方数，第四位为偏差。 当电阻为五环时，最後一环与前面四环距离较大。前三位为有效数字，第四位为乘方数，第五位为偏差。,基础知识介绍 （电阻）,电阻器阻值标示方法（色环法）,基础知识介绍 （电阻）,电阻器阻值标示方法（色环法） 判别色环的排列顺序: 1)四环电阻的第四环为误差环,一般为金色或银色,因此如靠近电阻器的一个引脚的色环为金、银色，则该色环为第四环； 2）对于色环标注规范的电阻器，一般最后一环与倒数第二环间隔较远； 3）色环电阻的阻值一般小于10M，若大于10M，则色环顺序判别错误。,基础知识介绍 （电容）,电容：电容是电子设备中大量使用的电子元件之一，广泛应用于隔直，耦合，旁路，滤波，调谐回路，能量转换，控制电路等方面。用C 表示电容，电容单位有法拉（F）、微法拉（uF）、皮法拉（pF） 。 1F=106uF=1012pF,基础知识介绍 （电容）,电容器的分类 1、按照结构分三大类：固定电容器、可变电容器和微调电容器。 2、按电解质分类有：有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器和空气介质电容器等。 3、按用途分有：高频旁路、低频旁路、滤波、调谐、高频耦合、低频耦合、小型电容器。,基础知识介绍 （电容）,常用电容器 铝电解电容器 、钽电解电容器 、薄膜电容器 、瓷介电容器 、独石电容器 、纸质电容器、微调电容器 、陶瓷电容器 、玻璃釉电容器 电容极性：引脚长的为正，引脚短的为负。或标有“+”“”,基础知识介绍 （电容）,电容器主要特性参数 1、标称电容量和允许偏差 标称电容量是标志在电容器上的电容量。 电容器实际电容量与标称电容量的偏差称误差，在允 许的偏差范围称精度。 精度等级与允许误差对应关系：00（01）-1%、0（02）-2%、-5%、-10%、-20%、-（+20%-10%）、-（+50%-20%）、-（+50%-30%） 一般电容器常用、级，电解电容器用、级，根据用途选取。,基础知识介绍 （电容）,电容器主要特性参数 2、额定电压 在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器的最高直流电压有效值，一般直接标注在电容器外壳上，如果工作电压超过电容器的耐压，电容器击穿，造成不可修复的永久损坏。,基础知识介绍 （电容）,电容器主要特性参数 3、绝缘电阻 直流电压加在电容上，并产生漏电电流，两者之比称为绝缘电阻. 当电容较小时，主要取决于电容的表面状态，容量0.1uf 时，主要取决于介质的性能，绝缘电阻越大越好。 电容的时间常数：为恰当的评价大容量电容的绝缘情况而引入了时间常数，等于电容的绝缘电阻与容量的乘积。,基础知识介绍 （电容）,电容容量标注方法 1）直标法 在电容器上直接标出容量值和容量单位，“2200uF,63V”， “68nJ”表示68nF，J是表示误差为5%。,基础知识介绍 （电容）,电容容量标注方法 2）小数点标注法：容量较大的无极性电容常采用小数点标注法。小数点标注法的容量单位是uF。如0.01表示0.01uF，.033表示0.033uF 有的电容器用u,n,p来表示小数点，同时指明容量单位，如P1，4n7，3u3分别表示0.1pF，4.7nF，3.3uF，如果用R表示小数点，单位则为uF,如R47表示空量是0.47uF.,基础知识介绍 （电容）,电容容量标注方法 3）整数标注法 容量较小的无极性电容器常采用整数标注法，单位为pF。若整数末位是0，如标“330”则表示该电容器容量为330pF,若整数末位不是0，如标“103”则表示容量为10*103pF。如“223”表示22000pF.如果整数末尾是9，不是表示109，而是表示10-1，如“339”表示3.3pF. 4)色码表示法。同电阻表示法。,主电路工作原理及设计,主电路工作原理及设计,讲解原理时的单相全桥逆变电路图,实际应用的电路图,主电路工作原理及设计（整流桥选择）,整流桥选择： 以电源输入功率300VA,输出240W设计 整流器额定电压的确定：整流器的额定电压应为最高输入电压有效值3倍以上，其原因是电网中存在瞬态过电压，通常输入电压或输入电压85265V应选择600V以上耐压的整流器或二极管。,主电路工作原理及设计（整流桥选择）,整流桥额定电流的确定：考虑电网电压波动(10%波动)则整流滤波最低电压为： Uin,min=(220-22) = 198=279V， 二极管的平均通态电流为 ： 由于整流器的单向导电性，在输入电压瞬时值小于滤波电容器上电压（整流输出电压）时，整流器不导通，使输入电流变为24ms的窄脉冲。这获得所需要的整流输出电流，这个电流窄脉冲的幅值将很高。,主电路工作原理及设计（整流桥选择）,通常将输入电流峰值与有效值的比值称为波形系数，在交流220V输入整流器直接整流时，这个波形系数约为2.6,大于正弦波。整流器输出电流有效值与平均值之比为22.2，大于正弦波1.1,峰值电流与平均值之比约为5.56。因此，在选择整流器的额定电流时，整流器的额定电流应为输出电流的310倍. 所以选择:5A/700V整流桥.,主电路工作原理及设计（滤波电容选择 ）,无极性电容Cin2 的确定：为了供给逆变平滑的直流电压，必须在输入整流电路和逆变器之间加入滤波电容，以减小整流输出后直流电的交流成分。滤波电容一般采用电解电容器，因其滤波电解电容器自身串联等效电阻(Res)和串联等效电感(Les)的存在直接影响滤波效果，所以在电解电容Cin1两端并联高频无极性电容Cin2，使高频交流分量从Cin2中通过。,主电路工作原理及设计（滤波电容选择 ）,去高频干扰电容Cin2其电容量较难确定，因高频干扰包括电网的干扰，也包括电源的干扰，通常可选取Cin2=2(15%)F或该数量级其他电容，只要电容Cin2的耐压峰值满足即可，耐压峰值电压Up=600V)。 (取2F/630V),主电路工作原理及设计（滤波电容选择 ）,滤波电容器额定电压的选择 滤波电容器在输入电压为 或输入电压为85265V时的最高整流输出电压可以达到370V,因此应选择不小于400V的电解电容器.,主电路工作原理及设计（滤波电容选择 ）,滤波电容电容量的选择： 滤波电容器为限制整流滤波输出电压纹波,正确选择电容量是非常重要的.通常滤波电容器的电容量在输入电压为 时,按输出功率选择为：不低于1uF/W（即大于或等于1uF/W）。 计算依据如下：,主电路工作原理及设计（滤波电容选择 ）,计算依据：当 交流输入最低时，整流输出电压最低值不低于200V，同一输入电压下的整流滤波输出电压约为10ms ，电压差为40V，每半个周期（10ms），整流器导电时间约2ms，其余8ms为滤波电容器放电时间，承担向负载提供全部电流，即： 滤波电容的确定: 。I0为负载电流（A），t为电容提供电流时间(s)；V为所允许峰值纹波电压 (V) .,主电路工作原理及设计（滤波电容选择 ）,即1uF/W。,实际选用标称值为220F/450V电容。,主电路工作原理及设计（开关管的选择 ）,额定电压的确定：根据经验，对于不同的电路拓扑和不同的控制方式，要求开关管的额定电压将不同。其输入不同的电压条件下开关管的额定电压与电路拓扑和控制方式的关系如下： 交流市电不带PFC功能： 桥式变换器：400500V； 推挽式变换器：800900； 单端正/反激变换器：600700V； 单端正激变换器带有有源箝位：600V。,主电路工作原理及设计（开关管的选择 ）,交流市电带PFC功能。 桥式变换器：500600V； 推挽式变换器：9001000V； 单端正/反激变换器：800V； 单端正激变换器带有有源箝位：800V 直流48V电压系统（3575V） 桥式变换器：80V； 推挽式变换器：200V； 单端正/反激变换器：200V； 所以选500V的电压值的MOSFET.,主电路工作原理及设计（开关管的选择 ）,额定电流的确定 交流220V电压,考虑电源电压变化范围,选择开关管耐压为500V时,其最大占空比为0.37左右,开关管上每流过1A电流可以输出110120W的输出功率.所以本设计每开关管要流过2A左右额定电流，峰值电流可能达到 =2.8A左右,选择开关管的额定电流应达到该峰值电流的34倍，即8.411.2A.,主电路工作原理及设计（开关管的选择 ）,MOSFET管IRF450、IRF640、IRF740、IRF840、IRFBC40 耐压： 500、200、400、500、600V， 额定电流：14、28、18、10、8、6.2A 综上，选择MOSFET管 IRF450（14A/500V）（封装TO247）,主电路工作原理及设计（吸收缓冲电路 ）,功率主回路的吸收电路是用来吸收开关管关断浪涌电压和续流二极管反向恢复浪涌电压。在某些应用中，吸收电压还可以减少开关管的开关损耗。通常有典型的三种吸收电路，RC、RCD|、C，选择时则考虑功率电路的大小来选择相应吸收电路。我们选择RCD来进行吸收缓冲处理。,主电路工作原理及设计（吸收缓冲电路 ）,主电路工作原理及设计（吸收缓冲电路 ）,电容C选择 据 其中，为最大漏极电流(A)；trv为最大漏极电压上升时间(s)；tfi为最大漏极电流下降时间(s)；VDS为最大漏极与源极电压(V)。根据上式计算出电容值，,PF,主电路工作原理及设计（吸收缓冲电路 ）,C的取值需要足够的大，使得开关管电压上升速度足够缓慢，保证开关管不受到冲击。而C因为损耗的原因也不能太大，而R的大小没有特别要求，R越小，C的放电速度越快。只需要在Ton的时间内保证C在下次开关管关断时候放完电荷就可以了。 该电容应为大于500V耐压的无感电容器。 综上,选择1000PF/630V电容.,主电路工作原理及设计（吸收缓冲电路 ）,电阻R的选择 计算R:RC=(1/31/5)Ton R= ton/3C，其中ton为开关管最小导通时间；C为吸收缓冲电路中电容值。 当逆变频率为40kHz，则占空比D=ton/t= tonf， 电源最小占空比为0.02,由R= ton/3C，确定其阻值大小。 R= ton/3C=160,主电路工作原理及设计（吸收缓冲电路 ）,选用电阻所需最大功率：常计算出该电阻功率较大。因考虑该吸收电路是短路时工作，且放电电压(电流)是按指数规律下降，因此选用较大功率且为无感的电阻器即可。 选150/5W,主电路工作原理及设计（吸收缓冲电路 ）,二极管的选择 快恢复二极管(FRD)因有反向恢复时间短(一般在几百纳秒)，正向压降约为0.61.2V，正向导通电流大、反向峰值电压高的特点，来对通断中开关管产生的突波进行有效地吸收。 选MUR8100,控制电路原理及设计,SG3525：见原理图和管脚说明 开关频率：,死区时间：,控制电路原理及设计,IR2110：IR2110自举电容和二极管 IR2110用 于 驱 动 半 桥 的 电 路 如 图 所 示 。 图 中 C1、 VD1分 别 为 自 举 电 容 和 二 极 管 ， C2为 VCC的 滤 波 电 容 。 假 定 在 S1关 断 期 间 C1已 充 到 足 够 的 电 压 （ VC1 VCC） 。 当 HIN为 高 电 平 时 VM1开 通 ， VM2关 断 ， VC1加 到 S1的 门 极 和 发 射 极 之 间 ， C1通 过 VM1， Rg1和 S1门 极 栅 极 电 容 Cgc1放 电 ， Cgc1被 充 电 。 此 时 VC1可 等 效 为 一 个 电 压 源 。 当 HIN为 低 电 平 时 ， VM2开 通 ， VM1断 开 ， S1栅