基于SG3525的单相桥式逆变器的设计与仿真毕业设计.pdf

方案设 计丨 基于 3525 的单相桥式逆变器的设计与仿真 作为应用最为广泛的单相桥式逆变器 ， 为了提高产品的 侧接在电网上 时，即交流电接有电源， 集成度及可靠性，提出用集成控制器35 25产生的 称为有源逆变；当交流侧直接和负载连 信号作为桥式驱动集成电路芯片丨2110的输入信号 ，接时 ，称为 无源逆变 。逆 变器在工作过 并由 丨21 10驱动 大功率 场效应管以逆变出交流电 程中电流不断从 一 个 支路流向另 一 个支 的方案。最后利用 强大的仿真功 能建立其 路 ，这就是换流。换 流方式在逆 变电路 仿真模型 ，通过对电路参数的选择 优化完成 样机的制作。实 中占有突出的地位 。 属干全控 证明使用 35 2 5 1 的单相桥式逆变具有性能优良、 型器件，可利用其自关断能力进行换流 功 能齐全以及通用性较强的特点，因此该系统有较好的实用 一单相 （益件换流）。 价值 图 1 中 1 4是典型的桥式电路 。 姚 宁许昌学院电气信息工程学院当 、 4导通 ， 2 、 3关断时 ，电流 从 1流向4 ， 负载电压为正； 同理， 逆变器是指通 过半 导体功率器件当 、 4关断， 2 、 3导通时 ， 负载 （如 、 和 等 ）的导通电压为负 ，这样就将直流电转变 为 交流 与关断，将直流电能转换成交流电能，电 ， 改变两个臂导通的切换频率 ，即可 是整流器的反向变换装置 。 逆 变器技术改变输出交流电的频 率 ，这就是逆变电 融合了电 力电子开关器件技术、模拟与路 最基本的工作原理 。当负载为电阻 数 字技术以及技术等现代技术。时，负载电流和电压的波形相同，相位 （由于逆变器是通过 功率器件的导通和关 也相同； 当负载为 电感时，电流相 位滞 断 进行电能转换的， 因此具有转换效果后于电压，两者波形也不相同。 巴 高的优点，同时也使其输出的波形比较 差 且含有较高的谐波成分。逆变器尤 。 1 （ ，否 二 姚 宁讲师其是正弦波逆变器 ，已经广泛应用于各60 ？ 种工业和民用的功率变换装置中，如交1 2 流传动系统、 电源和变频电源 。 同时 各种先进控制技术的发展，使其性能、效4 60 460 关键词率和可靠性都提高到 一个新的水平 。图 1全桥逆变 电路 单相桥式逆变器 ？ ？逆器工作原理及分2 逆变 器的分类 3525 1 逆变电路的工作原理（ 1 ）单相全桥逆变器 逆 变 器通过开关器件的有序导通全桥是指内部驱动电路 的结构形 0 与 关断 将直流变换为交流方波。当交流 式 ，其中由各含2个功率晶体管的桥臂连 接成正方形组成全桥， 4个晶体管轮 流工 河南 省科技厅 项目（ 丨42丨022丨0 292 ）， 河南省教作于正弦波的各 个波段 ，两组开关 的中 （ 14140020 ）？性 点构成输出端 ， 相当于取两 个半桥 的 140 丨 石 （ 冶金电气 2015年第34卷第8期 基 于352 5的笮柑 桥式逆变器的设计与仿真 方案设计 电压差 ，因此可以得到正负双向的交流输出。全 2咖 （ 3 ） 桥逆变器可以不依赖外加器件，仅使用单电压源 输出双端的完 全交流信号。单相全桥逆变电路及式中， 为基波的幅值 ；为基波的有效值。 其电压电流波形如图 2所示 。 主 电路的 选 择 和设计 丨本 样机的设计采用单相全桥结构，具体设计 参 2 数如下 ：输入直流电压为 48 ；输出功率为 1 ； 3 输出电压为单相交流220。 2 ，3 ， 21 1 3 4 1 ？ 单相逆变器的系统原理图 单相逆变器硬件回路由主电路 、控制电路 和 丨 ： 驱动电路 3部分组成 。其中主 电路采用典型的交 直 交变换电路 ；控制回路以集成 控制器 单相全桥递受电路（）电压电流波形、 44 1， ！ 3525为核心 ；驱动电路由驱动芯片 2110及外 图2 单相全桥逆变 电路及其电压电流波形工一 围构成。单相逆变器的系统原理如图 4所 71 （ 2 ）三相桥式逆变器 ， 1 ， 光锅 ？110 全桥逆 又流 三相桥 式逆变器由 3个桥臂和6个功率晶休 隔离 变电路1 管组成 ，逆 变器的输出分别位于三组开关的中性直流 点，取两 两之间的电压差就可 以得到三相电所需 的 3个相电压 。控制三组功率晶体管的导通和关断 顺序， 三相桥式逆变器即可以输出幅值相等、频 率 3 4 相等的三相电信号。三相桥式逆变电路如图 3所示。 （ 1 ） 逆变主电路 逆 变器的核心是 逆变开关电路，通过功率器 ， ！ 牛通和关断完成变工力育。 本 ？ 白勺3： 48输入 、 220输出的逆变电源 由以下几部分 4 6 1 组成 。 1 ）降压电路。为了得到直流 48电源 ，需要 ， 夺目漂邑 1 1 1在整流电路前 加变压器将交流 220 变为交流电源 40 ， 由于降压电路简单在此不作详述。 图3电压型二相桥式逆变电路 2 ） 整流电路。其电路如图 5所示。 3 逆变器的输出电压计算 ， 单相全桥式逆变电路在各 类产品中得到广泛 一 的应用， 当逆变器中的功率晶体管以调制的 5 89 2 819 2 方式工作时，按傅里叶 级数展开后，幅值为的 ， 4 矩形波 。可以看作是由基波和谐波的叠加，因此 存在以下关系 图5整流电路 （ 丄3收丄） ）（ 1 ） 35系统的工作原理如下 ：当交流电压处于正向 4 （2）电 压时， 二极管 ， 、 4导通 ，电流从二极 管 1 27 ， ，4流过，通 过负载电阻对电容 ， 、 （： 2充 2 015年4月下 冶金电气 名 （ 14 1 方案设计 丨 电；当交流电压处于负半周期时 ， 二极 管 2 、同时该引脚还通过电阻？ 14（ 10 ）与引脚 7相连 ； 3导通 ， 电源通过二极管 2、 3，负载对电引脚 8通过 4（ 100 ）接地，起到软起动功能 ； 容，、 2充电 。经过周期性的工作后，最终输出电引脚 13和引脚15为该芯片的工作电压输入端 ，接 压经电容，、 ：2滤波后得到直流电压。1 5电源 ； 引脚 11 、引脚 14为两路信号输出 3 ）全桥逆变电路。本文采用全桥逆 变电路端； 1和2为3525输出的两路占空比 作为主电路 ，该电路适合大功率输出电路。电相等、相位差为 180 的 驱动信号。通过？ 6调节占 路由大容量的电解电容；和4个型号为4 60的空比 ，调节？ 16即可改变输入引脚 2的电压值 ， 管组成 。直 流电压由整流桥的输出经整当参考电压仏减小 时， 1的 占空比增大。由 流滤波后提供 。单相 全桥逆变电路共由 4个桥臂3525输出1和2两路信号 ，通过 组合而成： 其中桥臂 1和4为 一对 ，是正电压形成光耦隔离及 驱动电路驱动逆变器的上下桥臂两路 通道 ；桥臂 2和3为另 一 对 ， 是负电压形成通道 。管。 驱动波形的同时控制同 一桥 臂 的两个导 5 5 通，上下桥臂交替导通各 180 ，从而在负载处 得到 1 ，3 交变的电压。 （ 2 ）信号的产生 6 ？，： 51 1 脉宽调 制 （）技 术是随着自关断器件的 51 、 ，上 2 发展而发展起来的。 20世纪80年代以后 ，被广泛 8 应用于工业频率控制的 逆变器中，因而得以迅速 4 3525 发展并逐渐成熟。 利用 半导体开关器件的导” 通和关断使输出端得到 一 系列幅值相等而宽度不图6信号产生的电路 相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波 或需要的（3 ）光耦隔离电路 波 形， 并按照 一 定的规则对脉冲进行 调制即可改 3525发出两路信号 ：其中 一路 信号经 变逆变器的输出电压和输出频 率 。 信号的产电阻送到光耦1的输入端 ，同时该信号经 74 14 生 也从最初的分立 元器件构成的模拟电路发展到反向处理后 ，送给光耦 2 ；另外 一路 信号做同 集成电路（如352 5 ），该芯片可以输出两路互样的处理 。 经光耦隔离处理后的信号驱动集 补的斩波信号、 5 1的基准电压以及脉宽信成电路芯片2110的高 、低端 输入信号。光耦隔 号锁存等功能，因其具有高可靠性、使用方便等 离电路如图 7所示 。 一 系列优点在功率变换电路中（如直流斩波 、 正。 1 1、 弦波整流器、谐波吸收和变频 装置等 ）得到了广 1 泛的应用 。 1 9 25 21 10 ， 12 1” 1 信号作为驱动信号 ，控制单相桥 式逆变器的 ； 352 1 10 4个管交替导通 ，从而在负载处逆变出交 卞 ；厂1 旧 灿 ， ！ 2 电 2 ， 信号产生的电路如图6所示 。其中，引脚 1 0 2气 12， 1与引脚9短接 ；引脚2通过电阻？ 15（ 10 ）和电 ！ 2 位器 ？6（ 102 ）的中性点相连 ； 电位器？ ，6的两 5 2 端分别接基准电压（ 51 ）和接地 ；引脚3和引脚 1 1 4悬空 ， 引脚 5通过滤波电容 3（ 001 ）接地， 0 7 光麵离 电路 14 2 冶金电气 2015年第34卷第8期 某： 3 525的笮相 桥式逆变器的设计与仿真 方案设计 （4 ）栅极驱动电路 设计 一个小容量的 电容并联作为自举电容，在逆变器的工 为了提高 单相逆变器的可靠性 、 简化电路以作频率为 20时， 选取，。为0 1 ， 9为1 0 垆 。 及提高系统的集成度，经过调研决定采用美国 并联高 频小电容的作用是吸收 逆变电路工作时产 公 司出品的2 110驱动集成芯片 。该芯片采用双生的干扰电压。 通道 、 栅极驱动 ，另外在芯片中还采用 了高集成 的电平转换技术 ，简化了逻辑电路对功 率器件的 控制要求 ，并集成了多种保护功 能 ， 因此电路参为了验证文中所提方案的正确性， 需要选择 数 一致 性好 、稳定可靠 。 12110上管采用外部自合适的器件参数 ，利用 软件对单相 举电容上电方式， 因此减少了驱动电源 的数量 。逆变电路 进行仿真。为了得到与实际相符 合的结 对于常见的三相桥 式逆变器 ，由于 12110集成两果 ， 对电路的元器件建立合适的模型 。仿 真模型 路驱动电路，因此只需三片 2】0 、 一路 15电主要由波形发生器 、单相 逆变器和尺滤波器 源。在硬件设计上大 大减少了电源变压器的体积组成。 和驱动电源数量， 提高了系统的可靠性 ，降低了仿真结 果如图9所示。从图中可知，电路仿 成本 。真 结果与实际情况 相符 ， 可以很 好地描述 全桥 2110将 来 自 3525的信号经光耦隔逆 变主电路的工作过程 。输出电压经电 离并进行 功率放大后， 同时产生驱动需要的负脉 感滤波后，在负载上可获得比较理想的正弦波 。 冲 保证 管的可靠关 断。采用光耦进行 电路隔 离 ，使控制电路和驱动电路之间有了很好 的电气隔离，减少了管关断时对 控制电 路的干扰。 本文设计的为单相桥式逆变器，由于 一 片， ， 12110 可綱 个桥臂的上下两个开麓 件，因此 采用两片 可以满足设计要求 。 其中 路的 【2为例翻电路的组成 ，另 路 工作 原理相同 。 图8中列出了2110的外围电路 ， 其中 （：9和（： ，。为自举电容， 12电源经 ，。和 9 （）充电 ，保 证在 1导通 、 2关断时 ， 。有足 、 够的能力驱动 1的栅极 。 一般选用 一个 大容量和 纟 2本 文在详