（控制理论与控制工程专业论文）基于单片机的变频变压电源设计.pdf

中文摘要 摘要 通过整流和逆变组合电路实现的软开关变频变压技术，是当今电力电子学领 域最为活跃的研究内容之一，应用十分广泛，主要应用在交流电机调速和供电电 源等领域。电源在任何电子设备中都有着极其重要的地位，然而各种用电设备所 需要的电能形式却不同，因此，对变频变压电源的研究具有十分重要的理论意义 和工程实用价值。 本文提出了一种基于单片机( p i c l 8 f 4 4 3 1 ) 的变频变压电源系统，将电压2 2 0 v 频率5 0 h z 的工频电，经整流、滤波变成直流电，再逆变成电压1 1 0 v 2 2 0 v 频率 4 0 h z 。7 0 h z 可调的交流电，供给电子设备使用。本设计采用单极性等面积正弦脉 宽调制法和混合查表法，通过软件计算产生s p w m 控制信号，同时对输出电压有 效值进行实时采样，形成闭坏控制系统，从而实现了变频变压的全数字化控制。 由单片机发出的控制信号，经自举式浮充电路放大后给电力场效应管提供栅极驱 动，通过开关器件的导通与关断，实现对直流电的逆变过程。同时，为保证安全 可靠运行，系统还具备了输出过电流、输入欠电压、过热等自我保护功能。该设 计方案结构简单、功能齐全，满足了当前开关电源的高频化、模块化、数字化、 绿色化的发展趋势，具有波形好、体积小、效率高、精度高、可靠性强、输入范 围宽、变频范围广的特点，具有很好的实用价值。 本文先对变频变压电源的结构和原理进行了介绍，然后分别以系统主电路模 块、驱动和外围模块、控制模块为核心，详细说明了各部分的软硬件设计原则， 最后给出实验结果并对输出波形和效率进行了分析。实验证明，本设计切实可行， 指标基本达到要求。 关键词：单片机；变频变压电源；正弦脉宽调制；电力场效应管 英文摘要 a b s t r a c t s o f ts w i t c h i n gv a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c yt e c h n o l o g yw h i c hr e a l i z e db y t h ec o m b i n a t i o no fr e c t i f i e ra n di n v e r t e rc i r c u i ti so n eo ft h em o s ta c t i v er e s e a r c hi n t o d a y sp o w e re l e c t r o n i c sf i e l d ，i th a sa w i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n ga cm o t o r s p e e dc o n t r o la n dp o w e rs u p p l ye t c a r e a s p o w e rs u p p l yh a sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n t p o s i t i o ni na n ye l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，h o w e v e r , t h ee n e r g yf o r m l e yn e e d e di s d i f f e r e n t t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nv a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c yp o w e rs u p p l y i so fg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e av v v fp o w e rs u p p l ys y s t e mb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e r ( p i c18 f 4 4 31 ) i s p r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h ei n p u to ft h ep o w e rs u p p l yi sp u b l i cg r i d s2 2 0 v 5 0 h za c ， t h r o u g hr e c t i f i e ra n df i l t e rc i r c u i tt r a n s f o r mi n t od c ，t h e ni n v e r t e rt oa cw h i c h a m p l i t u d er a n g e df r o m110 v t o2 2 0 va n df r e q u e n c yr a n g e df r o m4 0 h zt o7 0h z ，t h e n o u t p u tt oo t h e rd e v i c e au n i p o l a re q u a l - a r e as i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o na n d h y b r i dl o o k - u pt a b l em e t h o d sa r eu s e di n t h i sd e s i g nt og e n e r a t es p w ms i g n a lb y s o f t w a r ec a l c u l a t i n g , a n dr e a l t i m es a m p l i n gt h er m so fo u t p u tv o l t a g et of o r mc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m ，s od i g i t a lc o n t r o lo ft h e 、厂、厂、，fi sr e a l i z e d t h ec o n t r o ls i g n a l s a m p l i f i e db yf l o a t i n gc h a n n e lb o o t s t r a pd r i v ec i r c u i t s ，t h e np r o v i d eg a t ed r i v et op o w e r m o s f e t , t h r o u g ht u r n - o na n dt u r n o f ft h es w i t c h e s ，t or e a l i z ei n v e r t e r m e a n w h i l e ，t o e n s u r et h es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n ，a l lo u t p u to v e r - c u r r e n t ，i n p u tu n d e r - v o l t a g e ，o v e r h e a t i n ga n do t h e rs e l fp r o t e c t i o nf u n c t i o ni sa l s oc o n t a i n e di nt h es y s t e m t h ed e s i g n h a ss i m p l es t r u c t u r e ，c o m p l e t ef u n c t i o n ，a n dm e e t st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fh i g h f r e q u e n c y , m o d u l a r i z a t i o n ，d i g i t i z a t i o na n dg r e e n i n g ，a n dh a s t h ec h a r a c t e r i s t i co fg o o d w a v e f o r m ，s m a l ls i z e ，h i g he f f i c i e n c y , h i g hp r e c i s i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y , w i d ei n p u tr a n g e a n dw i d eo u t p u tf r e q u e n c yr a n g e ，a n dh a sag o o dp r a c t i c a lv a l u e t h es t r u c t u r ea n d p r i n c i p l eo ft h ev v v fp o w e rs u p p l yi si n t r o d u c e df i r s t l yi nt h i s p a p e r , a n dt h e na r o u n dt h em a i nc i r c u i tm o d u l e ，d r i v ea n de x t e r n a lm o d u l e ，c o n t r o l m o d u l e ，t h ed e t a i l so ft h eh a r d w a r ea n ds o r w a r ed e s i g np r i n c i p l ei sd i s c u s s e d f i n a l l y , t h eo u t p u tp a r a m e t e r so ft h ep o w e rs u p p l ys u c ha sw a v e f o r ma n de f f i c i e n c yw e r e a n a l y z e d t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e s i g no fv v v fp o w e rs u p p l yi sf e a s i b l e 英文摘要 a n dt h eg o a li sb a s i c a l l ya c h i e v e d k e yw o r d s ：m i c r o c o n t r o l l e r ；v v v fp o w e rs u p p l y ；s p w m ；p o w e rm o s f e t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文= = 基王望丘狃的童麴变压电源递进= = 。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：丝 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密i ( 请在以上方框内打“，) 论文作者签名：乡。辟l 翩张：移栏 日期刎。年月刁日 基丁单片机的变频变压电源设计 第1 章绪论 1 1 课题目的及意义 电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器。我们的衣食住行离不 开电源，科学研究、工农业生产、办公学习、文化娱乐、交通、医疗等等，哪一 样也少不了电源。一般来说，电源可以分为三类【1 】： ( 1 ) 电能由其他能量转换而来，如水力、火力、风力发电等，一般这种电源称 为一次电源； ( 2 ) 电能传输过程中，在电源和负载之间对电能进行变换或稳定处理，如整流、 升压等，一般这种电源称为二次电源； ( 3 ) 平时把能量以物理、化学形式储存起来，使用时再变成电能提供给负载， 比如人们所常见的各种电池，一般称此为物理、化学电源。 任何电子设备都离不开电源，然而，种类繁多的各式用电设备对电能源的要 求却迥异，很多并不是直接使用公用电网作为电源，而是通过各种形式对其进行 变换，从而得到各自所需的电能形式。由此可见，二次电源在电源当中起到了很 重要的作用，因此，目前在电源技术领域中应用最为广泛，主要研究如何利用电 子技术对电功率进行变换及控制，它广泛采用了电子、电磁、计算机和材料等技 术与学科理论，具有很强的综合性。本课题所做的变频变压电源即属此类。 变频变压电源，是将市电通过功率变换电路转变为所需要的电压和频率的一 种电源，如今已在国民经济的各行各业中得到了广泛的应用，比如： ( 1 ) 各种进口设备。各国的工频电形式不同，如美国采用1 2 0 v 6 0 h z 交流电， 同本采用1 1 0 v 6 0 h z 交流，台湾1 1 0 v 6 0 h z ，英国2 4 0 v 5 0 h z ，这使得进口设备 在国内运行必须通过变频变压供电； ( 2 ) 交流电机调速。交流电机变频调速具有调速平滑、调速范围宽、效率高、 特性好、结构简单、机械特性硬、保护功能齐全、运行平稳安全可靠、在生产过 程中能获得最佳速度参数等优点，是理想的调速方式。且有数据表明，交流电机 用于风机、水泵全额运行时，采用变频调速能节电3 0 ，因此这也是国家重点推 第1 章绪论 广的技术【2 】； ( 3 ) j x l 力发电。直驱型风力发电机组的发电机轴直接连接到风轮上，其转子转 速随风速而改变，所产生的交流电频率也随之变化。需采用大功率电力电子变流 器，将其整流为直流电，再逆变成与电网频率相同的交流电输出。通过中间电力 电子环节，可对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，最大效 率的利用风能； ( 4 ) 实验室、航空、军事、铁路等特殊场合。 变频电源以其低损耗、高效率、电路简洁等显著优点而受到人们的青睐。近 年来随着工业自动化产业的高速发展，人们对变频电源的需求与日剧增，变频电 源的研发、生产已发展成为前景十分诱人的新兴产业。 1 2 国内外研究情况综述 1 9 5 7 年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管标志着电力电子学的诞生；到 上世纪7 0 年代后期，功率场效应管( p o w e rm o s f e t ) 开始进入实用阶段，标志着 电力半导体器件在高频化进程中的一次重要进展；在8 0 年代后期，以绝缘栅双极 性晶体管( i b g t ) 为代表的复合型器件异军突起，它把m o s f e t 的驱动功率小、开 关速度快的优点和b j t 通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越， 为实现变频电源的高频化和高性能提供了物质基础；随着软开关技术的成熟，工 业用的高速数字信号处理器( d s p ) 的发展，作为变频器核心的正弦波逆变器的控制 技术方案也正在由传统的模拟控制向现代数字化控制的方向发展【3 ，4 1 。 目前，变频变压电源正朝着以下几个方向发展： ( 1 ) 高频化 电气设备的变压器、电容和电感的体积、重量与供电频率的平方根战反比， 当我们把频率提高，设备的体积、重量将显著下降【5 1 。因此提高电子器件工作频 率能带来显著的节能、节水、节约成本的经济效益。 ( 2 ) 模块化 由于频率的不断提高，导致引线寄生电感、寄生电容的影响越发严重，产生 过电压、过电流毛刺等问题6 1 。为增强系统的可靠性，许多厂商开发了用户专用功 2 基于单片机的变频变压电源设计 率模块，将一台整机以集成芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再由 传统的引线连接，以达到优化的效果。 ( 3 ) 数字化 随着数字信号处理技术的日趋完善，基于数字技术的电力电子技术逐渐取代 了原来基于模拟电路的技术，并显示出其优势：便于计算机处理控制、减小杂散 信号的干扰、避免模拟信号的畸变失真，也便于自诊断、容错技术的植入【7 1 。 ( 4 ) 绿色化 许多功率电子节电设备，常常容易形成对电网的污染，向电网注入严重的高 次谐波电流，从而降低总功率因子，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺 角和畸变。因此电源系统的绿色化不仅是要显著节电，减少对环境的污染，还应 规定该电源不能( 或少) 对电网产生污染，国际电工委员会( i e c ) 对此已制定了一系 列标准，如i e c 5 5 5 、i e c l 0 0 0 、i e c 9 1 7 等。 1 3 变频变压电源的分类及技术指标 1 3 1 变频变压电源的分类 变频电源基本上分为单相和三相两大类，单相逆变器适用于中、小功率，三 相逆变器适用于中、大功率。这两大类又可按下面特点进行归类。 ( 1 ) 按变流环节特点分类 交直交变频器：将频率固定的交流电“整流”成直流电，再把直流电“逆变”成 频率任意可调的交流电； 交交变频器：把频率固定的交流电直接转换成频率任意可调的交流电( 转换前 后的相数相同) 。 ( 2 ) 按输入电源特点分类 电压型( v f i ) ：输入电源为恒压源； 电流型( c f i ) ：输入电源为恒流源； 谐振环型：谐振交流环和谐振直流环。 ( 3 ) 按调制特点分类 第1 章绪论 脉宽调$ 1 j ( p w m ) 变频器：电压的大小是通过调节脉冲占空比来实现的； 脉幅调$ 1 j ( p a m ) 变频器：电压的大小是通过调节直流电压幅值来实现的。 ( 4 ) 按电路结构特点分类 全桥式； 半桥式； 推挽式。 1 3 2 变频变压电源的技术指标 变频变压电源的技术指标，一般有输入电压、输入频率、输出电压、输出频 率、额定容量、频率精度、网侧功率因数、防护等级、负载稳压率、波形失真率 及可靠性等【8 1 。其中输出电压波形的质量，可由如下参数来评定： ( 1 ) 谐波因数h f ( h a r m o n i cf a c t o r ) 第n 次谐波因数h e ，指第n 次谐波分量有效值与基波分量有效值之比，即 h f n = 鲁 ( 1 1 ) ( 2 ) 总谐波畸变因数t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o nf a c t o r ) 总谐波畸变因数t h d ，指各次谐波分量有效值平方之和开方与基波分量有效 值的比值，即 t h d = 专( 叼) i ( 1 2 ) u 、盖毛” 、 t h d 表示了实际波形与基波分量接近的程度，理想正弦波的t h d 等于零。 1 4 本文主要研究内容 本文研究的是电源的变频变压技术，其核心内容为逆变技术。本课题所研制 的电源主要功能是为各进口设备提供电源，设计要求为：输出电压1 1 0 v 2 2 0 v 可 调，输出频率4 0 h z 一7 0 h z 可调，负载最大电流i m ，= 3 a ，具有恒压输出、过热保 护、过流保护等功能，且体积应尽可能小，可靠性高。 本文主要内容如下： 4 基丁单片机的变频变压电源没计 绪论主要介绍了本课题研究目的和意义，变频变压电源技术的国内外现状及 发展趋势，给出了一些常用技术指标，并说明了设计要求。 第二章着重介绍了系统的基本结构和框架，以及各模块的功能细分。此外还 对变频变压实现的原理和控制策略进行了阐述，并对系统所需电压、功率进行分 析，设计了辅助电源。 第三章详细论述了变频变压电源主电路的设计根据，其中包括输入整流滤波 设计、逆变电路的开关管选取、缓冲电路的设计以及输出滤波器的设计，并给出 了部分电路原理图。 第四章介绍的则是连接主电路与控制系统的驱动电路以及保护等外围电路， 包括自举式浮充的原理，驱动电路、输出电压检测电路、过电流保护电路、过热 保护电路、键盘显示等电路的设计，最后对硬件抗干扰设计做出了说明。 第五章主要讲述了控制系统与软件的设计，是本文的核心。分别对如何用单 片机产生s p w m 脉冲，如何用单片机实现数字p i d 控制进行了理论分析，并给出 本次设计的主程序、时基中断程序、采样保护程序以及键盘、显示程序等，最后 还对软件抗干扰设计做出了说明。 第六章为实验结果分析，对本设计的电源各级输出波形进行了分析，并给出 了电源输出波形及外观图片。 最后是对全文的总结和展望。 5 第2 章系统基本结构及工作原理 第2 章系统基本结构及工作原理 2 1 系统的基本结构 从结构上看，变频变压电源有直接变频和间接变频两大类。直接变频又称为 交交变频，它将工频电直接转变为频率可控的交流电，中间没有直流环节；而间 接变频又称为交直交变频，是将工频电通过整流转换为直流再经过逆变将直流 转换为频率可变的交流的一种变频形式。 交交变频过程与可控整流器一样，不需附加换流元件，原理简单，运行可靠， 且为一次变流，具有较高效率，还能实现四象限运行【9 】。但是该方法使用晶体管 数量较多，主回路复杂，且输出频率受电源频率限制，一般不能高于电网频率的 1 2 ，与本课题要求的4 0 7 0 h z 变频的要求不符。而交直交变频是目前变频变压 电源的主要形式，该法需通过a c d c 和d c a c 两次电能转换，效率稍低，但前 级工频电干扰不会影响到后级，输出波形好，变频范围宽，因此本设计采用的是 交直交变频方式。系统框图如2 1 所示。 图2 1 变频变压电源结构框图 f i g 2 1v 、n ，fp o w e rs u p p l yc h a r t 下面根据变频变压电源的基本结构来进行详细说明。 6 基丁单片机的变频变压电源殴计 2 2 系统任务及功能细分 ( 1 ) 输入a c d c 电路 整流电路是一个单相a c d c 变换电路，功能是把2 2 0 v 5 0 h z 的市电进行整 流滤波后转换成稳定直流电输入到直流母线上。该整流还具有e m i 滤波功能，对 电网污染进行双向隔离，以提高整机的电磁兼容性能。 ( 2 ) d c a c 逆变电路 逆变开关电路是本变频变压电源的关键，也叫做逆变电路，其功能是将直流 母线上的直流电转换成为交流电。通过电力电子开关器件对直流电压的导通和关 断，可完成逆变功能。而开关器件所需要的p w m 控制信号由控制单元所产生， 经过光电隔离驱动。 ( 3 ) 输出滤波电路 由于逆变电路所产生的交流电存在高频谐波，因此为得到波形良好的正弦 波，低通滤波器必不可少。 ( 4 ) 辅助电源 该电路给单片机控制单元提供稳定的+ 5 v 电源，给驱动电路提供+ 1 2 v 电源， 并保证该电压稳定，避免造成控制单元不稳定或开关器件的误操作。 ( 5 ) 驱动电路 开关器件基极( 门极、栅极) 驱动电路是电力电子电路和控制电路间的接口， 是变频变压电源的重要环节。采用性能优异的驱动电路，可缩短开关器件的开关 时间，减小开关损耗，使其工作在较为理想的开关状态，这对提高电源的效率、 可靠性、安全性都有重要意义。 ( 6 ) 反馈电路 对于具有良好稳压特性的变频变压电源而言，必须从负载端采样电压值，反 馈给控制器以形成闭环控制从而稳定输出电压，同时还需测量负载电流以调节输 出和保护器件，因此一种精度高、可靠性高、响应时间短、功耗低、体积小的检 测电路则显得尤为重要。本设计同时对过电流、欠电压、过热信号进行反馈处理， 具有一定自我保护功能。 7 第2 章系统基本结构及工作原理 ( 7 ) 控制电路 控制电路是变频变压电源的核心电路。该电路采用p i c l 8 f 4 4 3 1 单片机作为 控制器实现智能数字控制，其主要功能为：产生高频s p w m 调制信号给功率变换 电路；对采样来的电压值进行计算并调整输出脉冲调制深度以达到稳压效果；对 过流、欠压、过热等故障信号进行处理以保护本身器件以及人身安全；操作人机 接口，获取人为设定的频率和电压信息，同时显示当前波形信息及温度信息。 ( 8 ) 人机接口 包括按键输入和l c d 显示输出。键盘用于设定电压和频率值，而l c d 显示 则动态的显示当前电压情况以及电源本身的温度情况。 2 3 变频变压电源的控制策略 2 3 1 正弦脉宽调制的原理 在阐述p w m 技术原理前，需提到采样控制理论中的一个重要结论：冲量相 等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上的效果基本相同。所谓冲量，即指 窄脉冲的面积。效果基本相同，是指该环节的输出响应波形基本相同【10 1 。 如图2 2 a ) 、b ) 、c ) 所示，三个窄脉冲形状不同，但它们的面积( 即冲量) 都为1 ， 其中2 2 a ) 是矩形脉冲，2 2 b ) 是三角脉冲，而2 2 c ) 贝j j 为正弦半波脉冲。根据上述 结论，当它们分别加在同一惯性环节上，其输出响应基本相同。图2 2 d ) 所示为等 效于窄脉冲的单位脉冲函数万( f ) 。 图2 2 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 f i g 2 2n a r r o wp u l s e si nd i f f e r e n tt y p eb u ts a m ei m p u l s e 基于单片机的变频变压电源设计 上述原理可称为面积等效原理，它是p w m 控制技术的重要理论基础。同理， 也可以利用一系列等幅不等宽的矩形脉冲序列来代替一个正弦半波。其原理如图 2 3 所示： a ) b ) 图2 3s p w m 脉冲代替正弦、卜波 f i g 2 3u s i n gs p w mw a v ei n s t e a do fh a l fs i n ew a v e 如图所示，把正弦半波分为等份，每一段宽度等于，则正弦半波可看 n 彩 成由一连串脉冲序列组成，这些脉冲的幅值不同，是按正弦规律变化的。如果把 该脉冲序列用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲替代，同时要求每一段矩形脉 冲和相应的正弦波部分面积相等，可得到如图2 3 b ) 所示的脉冲序列。这就是p w m 波。由图可看出，各脉冲的幅值相同，而宽度则按正弦规律变化。根据面积等效 原理，图中的p w m 波形是等效于正弦半波的。 同理，也可以用相同方法得到与正弦波负半周等效的p w m 波形。像这种与 9 第2 章系统基本结构及j r 作原理 正弦波等效，脉冲宽度按j 下弦规律变化的p w m 波形，又称为s p w m ( s i n u s o i d a l p w m ) 波形。 2 3 2 正弦脉宽调制的控制方式 s p w m 信号可采用调制方法来产生，即把所希望的正弦波作为调制信号，把 接受调制的三角波信号作为载波，通过对载波的调制得到所希望的p w m 波形。 这罩采用等腰三角波作为载波的原因是它上下宽度与高度呈线性关系且左右对 称，当与正弦波调制信号相交时，如果在交点时刻控制开关管的通断，则可得到 宽度正比于信号波幅值，即宽度成正弦规律变化的s p w m 脉冲。 s p w m 的控制方式分为单极性和双极性控制方式。单极性控制方式指在正弦 调制波的半个周期内，三角载波只在一种极性范围内变化，所得到的s p w m 波也 只处于正或负的一种范围内，当调制信号的电压高于三角波电压时，输出高电平 电压，当调制信号的电压低于三角波时，则输出零电平。负半轴是用同样的方法 调制后再倒相而成。调制的结果将产生等幅不等宽的s p w m 脉冲序列。其原理如 图2 4 所示： 豇b 氏衣六矿秽埝，a 八六瓜：j 口厂 。：i 个n f 1n 广 广 厂 厂 n：i uuuuuu 图2 4 单极性s p w m 波 f i g 2 4u n i p o l a rs p w mw a v e f o r m 1 0 基于单片机的变频变压电源设计 采用单极性p w m 控制的半个周期内，主电路输出只能在0 到+ 和0 到- 之间变化，没有极性交替。而双极性控制的电路中，输出电压在+ 和- 之间变 化，变化幅度比单极性大一倍。波形如图2 5 ： i 量量jt上1 1 t上量 八八八八。脯弋7 r 舯处1j l“2 ，够气厂j i vvvvv v *1tlvy￥y l ， j 一一 由于单极性电路与双极性电路相比，输出谐波分量小，易于滤耐1 1 1 ，故本设 计采用单极性s p w m 控制。设三角载波u c 的幅值为，正弦调制波u ，的幅值为 吒，角频率为q 。则正弦波与三角波的幅值之比琶即为调制度m ，且 0 m l 。对于单相全桥双极性控制方式，若直流输入电压为，则经傅立叶变 换可知，输出s p w m 电压基波u 。为： u l 。= m u ds i n 缈，t( 2 1 ) 2 3 3 系统控制方案 由于本设计的电源属于中、小功率电源，对输出波形、动态特性要求不是很 高，因此开关器件选择小功率的电力m o s 管，控制部分采用增量式数字p i d 控 制和s p w m 控制，控制器件选择m i c r o c h i pt e c h n o l o g y 公司生产的p i c l8 f 4 4 3 1 单片机。 第2 章系统基本结构及工作原理 电源由2 2 0 v 市电经整流桥输入到直流母线，经过单片机控制的全桥逆变电 路，再通过输出滤波和升压，即可按所要求的频率和电压得到的波形纯j 下的j 下弦 交流电。与此同时，精准的检测电路将输出电压和电流信号反馈给单片机，用以 调节电压来满足功率需求，同时保护电路将对过流、欠压、过热等现象做出及时 的反应以保护用户和电源的安全。 需要提出的是，在电源上电的瞬间，单片机上电复位初始化尚未完成，此时 开关管驱动信号的电平处于未知状态，若输入电压已经加载到逆变电路的直流母 线上，则可能因开关管的随机状态导致桥臂直通事故。为防止这种现象发生，本 设计在直流母线入口处加上一个额定电流为3 a 的继电器，当电源接入时，单片 机先工作并发出s p w m 脉冲。经过- d , 段时间的延时，单片机初始化完成，再发 出控制信号使处于常开状态的继电器吸合，经整流的市电才加入到直流母线，以 此解决可能出现的直通问题。 2 4 辅助电源设计 由于控制单元电路需要+ 5 v 电源，驱动电路需要+ 1 2 v 电源，因此辅助电源 应分别提供稳定的工作电压电源才能可靠工作。以+ 5 v 电源为例，电路图如图2 6 所示。整个电路由变压器、整流电路及稳压电路构成。 。2 v 啪 图2 6 辅助电源电路 f i g 2 6a u x i l i a r yp o w e rs u p p l yc i r c u i t 经估算，电源控制电路功耗约为2 0 8 v a ，驱动电路功耗为0 9 v a ，充分考虑 余量，故采用兵字t 4 0 2 和t 2 0 4 变压器，功率分别4 v a 和2 v a ，将2 2 0 v 市电 分别转化为1 5 v 和9 v 的低压交流电。四个二极管构成的整流桥将低压交流电整 基丁单片机的变频变压电源设计 流为全波直流脉动电压。然后再通过电容滤波可形成较平滑的直流电。三端集成 稳压器m c 7 8 0 5 c t 和m c 7 8 1 2 c t 可将电压稳定在+ 5 v 和+ 1 2 v 。输出端并联大小 两个电容可减小因瞬i 、日j 负载增减而导致的输出电压的较大波动。 1 3 第3 章主l 嘴的分析与设计 第3 晕主电路的分析与设计 3 1 主电路结构及工作原理 图3 1 主电路圈 f i g 31m a i nc i r c u i t 如图3 1 为本设计的主电路图，其中包括输入电路、雏电器控制电路、逆变 电路、缓冲电路以及输出滤波电路。2 2 0 v 市电经过熔断器、e m i 滤波器和整流 桥输入到直流母线。由于直流母线电压约为3 i o v d c ，若采用半桥逆变将导致输 出电压过低达不到要求，故本设计采用全桥逆变电路。控制方式采用单极性 s p w m ，同一桥臂的上下两管互补导通，左右两桥臂分别导通正弦波的正负半周。 开关频率的选择上，为尽可能的减小输出滤波器体积应设定越高越好，但随着 频率增加开关损耗也随之增加且受光耦等器件存在延时的影响又有所限制。 综台考虑后，本设计选择4 k h z 为开关频率。相应的开关波形如图3 2 示。 基于单片机的变频变压电源设计 左桥上管 左桥下管 右桥上管 右桥下管 图3 2 电力m o s 管开关波形 f i g 3 2s w i t c hw a v e f o r mo f p o w e rm o s f e t 开关过程分析：前半周期内，右桥上管保持关断、下管保持导通，而左桥两 管处于互补的开关状态，当左桥上管导通时，直流母线向负载供电同时给输出滤 波电感充电，当左桥上管关断后，电感电流将通过左桥下管反并联的二极管和右 桥下管续流。前半周期结束后，则左桥上管保持关断、下管保持导通，而右桥两 管互补导通，从而直流母线反向加载到负载两端，即输出正弦波的负半周。负半 周的开关过程与正半周类似。 3 2 输入a c d c 电路设计 3 2 1 熔断器及e 滤波器 在系统发生过流且超过一定时间后，熔断器应断丌电路，考虑到设计要求 k = 3 a ，故选用3 a 保险丝作为熔断器。 1 5 第3 章主电路的分析与设计 e m i 电源滤波器电路的主要作用是抑制电子产品所产生的传导噪声，防止对 电网的污染，同时也避免电网传入的噪声对装置形成干扰。本设计所采用的电源 滤波器电路如图3 - 3 所示。 l c l c 图3 3e m i 滤波器结构 f i g 3 3c i r c u i to fe m i f i l t e r l n 图中c ，成对装在l - g 和n g 之间，以消除共模干扰，被称为y 电容。e 安 装在l 、n 之间，以消除差模干扰，一般选用高容量的金属皮膜电容，称为x 电 容。滤波电感t 为共模电感，用以抑制共模电流噪声，由于电感线圈对称地绕在 同一个螺旋管上，在正常工作电流范围内，对称电流所产生的磁性相互抵消，因 而对差模电流和电源电流呈现低阻抗，不会有衰减效果。 综合各项参数，本设计最终选用d o r e x s 公司的d a a l 3 a 单相交流电源滤 波器。 3 2 2 整流滤波电路 本设计中采用的整流器为d 2 5 s b a 8 0 整流桥，整流后电压约为3 1 0 v ，考虑到 留有一定裕量，滤波电容耐压值选用4 5 0 v 以上的电解电容。电容容量应满足式 ( 3 1 ) t 1 2 】 r c2 ( 3 5 ) ( 3 1 ) 下 其中丁为交流周期，此处即为2 0 m s ，r l 为负载电阻，考虑到最大电流为3 a ， 可假定负载为1 0 0 欧，则估算得出电容应大于5 0 0 u f 。同时，滤波电容又不能过大， 1 6 基丁单片机的变频变压电源设计 以致电源瞬态响应变差。本设计采用5 6 0 u f 电解电容并联上一只0 4 7 u f 的小电容， 作用分别为平滑输出和滤除高频波。 3 3 开关器件的选择 3 3 1 电力m o s f e t 的结构及特点 电力m o s f e t 是用栅极电压控制漏极电流的全控型电力电子器件。其显著的 特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小，且开关速度快，工作频率高，热稳定 性优于g t r 。但是电力m o s f e t 电流容量通常不高，耐压低，一般只适用于功 率不超过10 k w 的电力电子装剐1 3 , 1 4 】。 m o s f e t 种类和结构繁多，按导电沟道可分为p 沟道和n 沟道。当栅极电压 为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型，栅极电压大于( 小于) 零时才存 在导电沟道的称为增强型。电力m o s 管按导电沟道的方向一般有横向导电和垂 直导电两种结构，横向导电器件一般为小功率管，而目前电力m o s f e t 大都采用 了垂直导电结构，称之为v e r t i c a lm o s f e t ，这种结构可大幅度提升器件的耐压 和耐流能力。 由于电力m o s f e t 本身结构所致，在其漏极和源极之间形成了一个与之反向 并联的寄生二极管，它与m o s f e t 构成了一个不可分割的整体，使得在漏、源极 之间加反向电压时器件导通。 3 3 2 本电源功率管的选取 本文所设计的变频变压电源输出功率较小，对波形要求较高，故采用电力 m o s 管作为开关器件。根据本电源的对电力m o s 管的开通电流、关断电压、工 作频率及最大耗散损耗的要求，选择瓜公司的i r f 8 4 0 作为功率器件，其封装为 t o 2 2 0 a b ，参数如下：漏极电压5 0 0 v ，电流8 a ，1 0 0 时仍达到5 1 a ，栅极最 大电压士2 0 v ，而本电源直流母线电压3 1 0 v ，电流不超过3 a ，栅极驱动电压1 0 v ， 均在正常使用范围；i r f 8 4 0 的开通和关断时间在2 1 n s 和3 5 n s 以下，综合考虑单 片机、光耦和驱动电路速度，该延时不会造成太大影响；另外，管子的最大耗散 功率达1 2 5 w ，也完全能够满足该电源的功率要求。 1 7 第3 章主电路的分析与设计 3 4 缓冲电路的设计 由于所选用的半导体开关器件i r f 8 4 0 的丌通和关断时间均为纳秒级，因此 不得不注意到逆变电路中的寄生电感和电容在开关过程中起到的作用。当逆变开 关的开关过程中出现电压、电流均不为零，即出现重叠时，将其定义为硬开关。 硬开关状态下，由于电路中寄生参数的影响和寄生参数之间的振荡，使开关损耗 增加，同时形成电流或电压尖峰，造成严重的电磁干扰。而缓冲电路的作用，即 是采用外加的电感和电容来延缓开关过程，减小开关损耗，提高逆变效率【1 5 】。 本设计采用了一种r c d 关断型缓冲电路，以抑制d u d t 过大。其电路如图3 4 所示： 图3 4 r c d 缓冲电路 f i g 3 4r c d b u f f e rc i r c u i t 在无缓冲电路的情况下，m o s 管q 关断时d u d t 很大，并出现很高的过电压。 在有缓冲电路的情况下，q 关断时，负载电流通过二极管d 向c 分流，这样就把 关断电流转移到缓冲电容上，而m o s 管的电流迅速下降到零，减轻了q 的负担， 抑制了d u d t 太大和过电压。同时，由于缓冲电容的作用，m o s 管关断时，其两 端的电压上升缓慢，从而大大减小了电压上升和电流下降时的重叠区域，即形成 了软开关，起到了减小开关损耗的作用。而尺则为c 的放电电阻。 令直开关管两端电压为屹，所通断的电流值为l ，电压上升限制时间为f ， 则缓冲电容c 容量应为： c = l r 巧 ( 3 2 ) 基于单片机的变频变压电源设计 在本设计中，直流母线为3 1 0 v ，电流取最大值3 a ，r 按i r f 8 4 0 关断最大时 间3 5 n s 计算，可得缓冲电容约为3 3 0 p 左右，选用耐压1 0 0 0 v 的高压磁片电容作 为缓冲电容。 放电电阻r 的大小选择应注意两方面，一是c 充满电后，q 导通时，c 放电 电流不能太大，二是在q 导通期间乙内，c 上电压应基本放完，即满足下式： r c = ( 1 3 1 5 ) 乙( 3 3 ) 放电电阻功耗为 最= c 圪2 f 2 ( 3 4 ) 此处开关频率为4 k h z 的脉冲，乃。不超过2 5 0 u s ，因此选择3 6 k 1 w 的电阻作 为放电电阻。二极管则选用大于1 1 0 额定电流的快恢复二极管。 3 5 输出滤波器的设计 3 5 1 输出滤波器的理论分析 本设计中输出滤波器的作用主要是：减小输出电压中高频谐波电压的幅值， 同时保证基波电压能顺利传输。在变频变压电源中，输出滤波常采用l c 滤波。将 电感器作为输出滤波电路结构的一部分，主要有两个目的：其一，电感所储存的 能量可在开关管关断期间连续输出电流到负载上，从而达到续流的作用；其次电 感器可与滤波电容组合对逆变后的s p w m 脉冲起平滑滤波的作用，降低输出直流 电压纹波。常见的滤波器结构有r 型或n 型滤波器，如图3 5 所示【1 6 】 ( a ) r 型( b ) l l 型 图3 5 两种类型的滤波器 f i g 3 5f i l t e rc o n s t r u c t e ro ft w ot y p e s 1 9 r 第3 章主电路的分析与设计 由于r 型滤波器形式简单，所以它的应用比较广泛，本电源输出滤波电路即 采用此结构的l c 滤波器。其参数电感值l 和电容值c 的选择，与s p w m 脉冲频 率相关。增大开关频率，可以减小滤波器的参数和体积，但同时会增加丌关损耗， 影响变频变压电源的整体效率。因此具体设计时，可根据截至频率z 和负载墨来 选择。 电感电抗为x l = c o l = 2 万f l ，可见置与频率成正比。电容电抗为 k = 历1 = 荔茏，t 与频率成反比。三= 去时的频率即为截至频率z ，若变 频变压电源的输出电压中基波频率为z ；开关频率为五；截至频率为厶，则应满 足关系彳 厶 二，q l 对 彩。l 开关频率信号阻力很大，而之对开关频率信号分流很大，因此滤波器将阻止开 ( u 乙 关频率分量及其更高次谐波分量通过。另外，由于滤波电容并联在负载两端，对 电源的输出电流影响较大，所以在设计滤波电路时，应该先确定电容大小，再根 据上述原理确定电感参数。 3 5 2 输出滤波器的设计 根据以上分析，本电源输出电压基波频率z 为4 0 7 0 h z ，而谐波均为丌关频 率= 4 k h z 以上的高次谐波，故选择截至频率为最低次输出谐波的1 2 ，即2 0 0 0 h z ，