数字化控制DCAC正弦波电源.doc

目录摘要3Abstract31 引言41.1 简述逆变技术41.2 现代逆变技术41.2.1 半导体功率集成器件的发展51.2.2 逆变控制技术的发展51.2.3 功率变换技术的发展62 数字化控制DC/AC正弦波电源的实现方案62.1 单向电压源高频链逆变器设计方案62.1.1 DC/DC变换器72.1.2 DC/AC逆变器92.2 逆变系统控制方式102.2.1 脉宽调制（PWM）基本原理102.2.2 SPWM的实现方法122.2.3 SPWM的控制方式143 硬件电路的设计153.1 前级DC/DC控制电路的设计153.2 后级DC/AC控制电路的设计173.3 功率开关管以及二极管的选择193.3.1 前级功率开关管的选择193.3.2 前级功率开关管的选择203.3.3 后级功率开关管的选择203.4 驱动电路的设计213.5 滤波电路的设计233.5.1 前级输出滤波设计233.5.2 后级输出滤波设计243.6 保护电路的设计263.6.1 功率开关管的保护263.6.2 电路短路和过载的保护263.6.3电池欠电压264 系统软件设计275 仿真与实验结果285.1 EDA简介285.2 仿真电路图295.3 单极性SPWM控制的全桥式逆变电路仿真295.4 实验结果306 参考文献31数字化控制DC/AC正弦波电源XXOO学院 自动化专业 XXX（XXXXXXX）指导老师：XXX（讲师）摘要：随着电子技术的不断发展电子产品的在不断的更新，电子产品的出现在很大程度上方便了我们的生活，但是市场上的电子产品大多数都是需要交流电供电。然而在某些场合下没有交流电源只有直流电源，这时就需要将直流电转换为交流电以供电子设备的使用。所以我们需要能将直流电能转换为交流电能的装置，这种装置就是逆变器。通俗的讲，逆变器是一种将直流电转化为交流电的设备。它由逆变桥、控制逻辑、滤波电路和一些元件保护电路组成。大多数逆变器比较多的采用的是脉宽调制技术（PWM），其核心部分就是一个PWM集成控制器。不仅如此单片机的控制作用也在逆变器中起到很大的作用，基于单片机的逆变器不仅使逆变器简单化同时也有一定的智能化，通过修改程序，可以满足不同要求的控制。整个过程中采用电路软件仿真对设计进行模拟仿真，为实现正弦波电源，采用SPWM控制方法对逆变器进行控制，并且对结果进行分析和研究。仿真的设计结果表明利用单片机控制的电源适应性广泛，能够满足普通的需求。关键词：DC/AC；PWM；SPWM；单片机；逆变器Digital control DC / AC sine wave powerInstructor:Wangzhe(Lecturer) （Huangshan University Automation Bian Wanxi(21006061001)）Abstract:With the continuous development of electronic technology electronic products constantly updated , the emergence of electronic products to a large extent facilitated our lives, but the majority of electronic products on the market are the need AC power supply . However, no AC power supply in some cases only a DC power supply , then you need to convert DC to AC for use of electronic devices. So we need to be able to convert DC to AC electrical energy , the device is an inverter . Popular speaking , the inverter is a direct current into alternating current equipment. It consists of inverter bridge control logic , some elements of the filter circuit and the protection circuit. Most of the inverter uses a relatively large number of pulse width modulation (PWM), which is a core part of the integrated PWM controller . Moreover microcontroller inverter control action also played a significant role , not only based on single-chip inverter inverter simplification also have some intelligence, by modifying the program to meet the different requirements of control . Throughout the process using circuit simulation software for design simulation, for the realization of sine wave power , using SPWM control method for controlling the inverter , and the results were analyzed and studied. Design Simulation results show that the use of a wide range of microprocessor controlled power adaptability to meet common needs.Keywords: DC / AC、PWM、SPWM、SCM、inverters1 引言1.1 简述逆变技术电力电子技术对我国的工业自动化、交通运输、城市供电、节能和环保等的发展起到了巨大的推动作用。在电力电子技术中，逆变技术又是最主要、最核心的技术，逆变技术能有效的将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其他新能源转化的电能变换成交流电能,并可与电网并网发电来提供更好的电力保障，而且在新世纪的新能源开发方面更有着长远的意义。不仅如此现逆变技术涉及半导体功率集成器件及其应用、功率变换技术和逆变控制技术，逆变器就是通过半导体功率开关器件开通和关断作用,实现逆变的电能转换装置。因此，逆变技术有着至关重要的地位和价值。1.2 现代逆变技术现代逆变技术涉及到集半导体器件技术、模拟电子技术和数字控制等其它的一些技术，准确的说现代逆变技术主要由半导体功率集成器件的应用、逆变控制技术和功率变换技术三方面组成。1.2.1 半导体功率集成器件的发展半导体功率器件，以前也被称为电力电子器件，简单来说，就是进行功率处理的，典型的功率处理，包括变频、变压、变流、功率管理等等。早期的功率半导体器件多以晶闸管为主SCR，这个期间的特点是功率最大，应用最广。但是因其工作频率低，效率低，关断电路复杂，功耗大，导致在PWM调制中输出的正弦波不够完善。如今逆变器中已经基本不再用SCR作为功率开关器件。70年代期间，可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR及其模块相继实用化。再加上脉宽调制技术（PWM）的快速发展，这个时期半导体功率器件工作频率高、控制功率小、线路简单，使用方便，因此得到广泛的使用。在80年代到现阶段，电力电子技术与微电子技术相结合，让高频化的全控器件得以问世，如功率场效应晶体管Power MOSFET，绝缘门极晶体管IGT或IGST,静电感应晶体管SIT,静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管MCT, MOS晶体管MGT、IEGT以及IGCT等。由此电力电子技术进入高频化时代。1.2.2 逆变控制技术的发展随着电力电子器件的不断更新发展，逆变控制技术也在跟随着创新发展。在电子器件早期年代，PWM脉宽调制技术就已经出现，采用脉宽调制技术（PWM）可以改善输出电压波形，加快电压调节速度，提高系统的动态响应，因此PWM技术在当时也得到了一定的应用，但由于早起传统阶段的电子器件主要以低速器件为主况且SCR又是半控器件，所以在这个时期PWM技术没有得到很大的发展。然而在70年代由于全控器件的出现，正弦脉宽技术（SPWM）得到了快速发展。所谓正弦脉宽技术就是把正弦信号作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过调制得到PWM波，因为调制信号为正弦信号，所以此时的PWM波也叫做SPWM波。在SPWM信号输出端加适当的滤波器就可以恢复出原调制正弦波信号。通过调节PWM波的占空比和基波频率就可以很方便的调节输出信号的幅度和频率。近年来随着大功率高频全控开关器件不断出现,逆变器的PWM控制技术不仅得到研究人员的高度重视而且也加速了其更新发展。当微处理器用于实现PWM控制技术后,现代控制理论的控制方法也在逆变器的PWM控制中得到了应用, 现代逆变器的性能也得到了极大的改善。同时采用了数字电路实现PWM控制,使得逆变器的控制电路简化,稳定性提高,逆变器的数字化控制己成为逆变器发展的主流。1.2.3 功率变换技术的发展逆变技术发展初期,由于开关管是不能自关断的晶闸管,需要采用负载谐振技术,即RLC谐振技术,在晶闸管导通阶段过后产生一个反向电压来强迫关断晶闸管。虽然负载谐振变换技术可以实现零电压和零电流开关，并且损耗小，工作频率高，但是负载谐振变换技术有两处不足之处：其一是RLC谐振,使得开关管的导通电流和关断电压比电路中固定值高出不少,如此就加大了开关管的电流电压定额,进而导致成本的增加。其二是负载谐振变换一定要选择变频(PFM)工作方式,输出的功率几乎与工作频率成正比。在要求输出变换范围大、纹波又要求小的逆变装置中,给输出滤波带来了一定的困难。为了解决负载谐振变换技术的缺点给逆变器产生的影响,随着GTO和GTR等自关断器件的出现和发展，硬开关PWM功率变换技术很快发展起来了。硬开关变换技术采用固定工作频率,调节开关管导通的占空比即采用脉冲宽度调制(PWM)方式来调节或稳定输出。硬开关PWM变换技术最大的不足就是开关损耗大、高频工作的效率低.开关频率越高,开关损耗越大,所以不利于逆变器高频化。同时硬开关过程中,开关管中的电压电流变化很大,导致产生的电磁干扰过于严重，给电磁的兼容性设计带来麻烦。由于硬开关PWM变换技术有很大不足,PWM软开关逆变技术开始问世，即谐振开关变换技术。谐振开关变换技术采用谐振型开关进行变换，是一种部分谐振变换过程，也成为准谐振变换技术。其最大的优点是软开关，开关损耗小，控制合适可使开关损耗为零，可以在高频率工作，是很有前途的功率变换技术。2 数字化控制DC/AC正弦波电源的实现方案2.1 单向电压源高频链逆变器设计方案单向电压源高频链逆变器有两大组成部分是:DC/DC变换器和DC/AC逆变器。在逆变器中前者将低压直流电转换为高压直流电。后者将前后转换后的高压直流电经过整流和滤波转换为输出所要求的电压。2.1.1 DC/DC变换器DC/DC变换器的电路拓扑有三种: 推挽式电路、半桥式电路和全桥式电路。推挽式电路、半桥式电路和全桥式电路分别如图1、图2和图3所示：图1推挽式DC/DC变换器图2半桥式DC/DC变换器图3全桥式DC/DC变换器对DC/DC变换器的三种电路拓扑结构图进行比较和分析，可以总结出三种不同结构DC/DC变换器的优缺点，如下表所示电路结构优点缺点推挽式电路需要两个开关管且两管共地，所以驱动电路简单，电路成本低。由于两管交替工作，整个周期的输出稳定，瞬间的响应速度也很高。低电压输入时仍能维持很大的功率输出。容易出现磁偏，且对两个开关管的耐压要求比较高，所以一般不适合高压输入电路的要求。 半桥式电路输出功率是单一管的两倍，相比与推挽式结构，半桥式对于两个开关管的耐压要求低好多。直流电压只有一半的利用率，无接地端驱动信号连接比较麻烦。而且两管会有很大的能量损耗全桥式电路耐压要求低，直流电压利用率比半桥式高一倍。有四个开关管，增加了电路的复杂。无公共接地端导致驱动信号连接比较麻烦。总结:有上面表格可知对于DC/DC变换器的三种电路结构的优缺点，对三种结构进行相对应的比较可知半桥式和全桥式适合应用在高压输入场合，而本设计的输入电压为12V的低压直流电，故对于单向电压源高频链逆变器来说前面一部分选择DC/DC变换器为推挽式电路结构更为比较合理。2.1.2 DC/AC逆变器对于单向电压源高频链逆变器而言，DC/AC逆变器一般有全桥式和半桥式两种拓扑结构，分别如图4和图5所示：图4 半桥式DC/AC逆变器图5 全桥式DC/AC逆变器设计输出端的电压为220V，如果设计选择半桥式的DC/AC逆变器，由于半桥式拓扑结构形式的一大缺点就是对直流点的利用率只用一半。这样一来要想得到220V的输出电压，半桥式逆变电路的输入端的输入电压要是前级升压输出电压的两倍。如此一来对前级升压变压器的要求就会很高，可能需要很的变压器，进一步导致变压器的的匝数比增大，可能增加保护难度。在对变压器要求很大的情况下可能会在前级造成很大的电流，加剧了损耗的程度，整个设计的效率就会大打折扣。而且采用半桥式DC/AC逆变器结构进行逆变器控制时，在进行SPWM控制时会收到限制。相比之下全桥式DC/AC逆变器结构在进行逆变器控制时就会比较灵活一点，关键的是全桥式DC/AC逆变器的电压利用的效率要远强于半桥式DC/AC逆变器。故而单向电压源高频链逆变器的后级电路结构选择全桥式DC/AC逆变器结构是很理想的选择。有以上的比较和分析可知设计的方案比较理想和比较合理的选择是前级的DC/DC变换器选择用推挽式结构的电路，后级DC/AC逆变器采用全桥式拓扑结构的电路。两者前后结合整个系统的结构图就如图6所示图6 单向电压源高频链逆变器电路2.2 逆变系统控制方式脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。2.2.1 脉宽调制（PWM）基本原理脉宽调制（PWM）基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。举个例子如果把正弦半波波形分成N等份，每一分的幅值相等但是脉冲宽度不想等，并把正弦曲线每一等分所包围的面积都用一个与其面积相等的矩形脉冲来代替，并且矩形脉冲的中点要与相对应的正弦等分部分的中点重合。就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。如图7所示：图7 PWM原理简易图由此可知由于正弦曲线每一等分所包围的面积都与矩形脉冲面积相等，而且各个脉冲的幅值是相等的，所以当需要改变幅值时，只需要在同一比例下改变脉冲的宽度即可。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据面积相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。这就是采样控制理论中的一个重要理论基础即面积等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指的是窄脉冲的面积，效果基本相同指的是环节的输出响应波形基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。2.2.2 SPWM的实现方法2.2.2.1 等面积法该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点。2.2.2.2 硬件调制法硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。其实方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波。但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。2.2.2.3 软件生成法由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法：即自然采样法和规则采样法。自然采样法以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法。自然采样法的优点是原理和调制简单，产生的SPWM波形最接近正弦波,，但两波交点的不规则性，使得脉冲中心在一个周期内不等距，从而计算复杂(需求解超越方程) 。自然采样法示意图规则采样法一般也是采用三角波作为载波。但规则采样则是以三角载波中点处的正弦调制波数值为基准平行线, 取平行线与三角波的交点为开关转换点, 调制准确性稍有降低, 但计算大为简化。规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单。规则采样法示意图2.2.2.4 低次谐波消去法为了得到比较理想的SPWM波形，就必须要减少不需要的低次谐波的影响，故而出现了低次谐波消去法。所谓的低次谐波消去法就是以消去PWM波形中某些影响很大的低次谐波为目的。其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为u(t)= ansinnt,首先确定基波分量a1的值，再令两个不同的an=0，就可以建立三个方程，联立求解得a1,a2及a3,这样就可以消去两个频率的谐波。采用此方法虽然可以有效的消除所不需要的低次谐波，但是，如果需要消去的谐波的次数比较搞的时候，则将会存在计算很复杂的缺点。2.2.3 SPWM的控制方式SPWM的控制方式可分为单极性SPWM控制方式和双极性SPWM控制方式，两者之间有相同的原理之处，同时也存在这不同的差别。2.2.3.1 单极性的SPWM控制方式单极性的SPWM控制方式的示意图如图8所示：图8 单极性的SPWM控制方式单极性的SPWM控制方式：调制波和载波的交点决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲音的间隔宽度，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。单极性调制的工作特点：每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有单个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工况恰好相反，流经负载的便是正、负交替的交变电流。在一个完整的开关周期内两只开关管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压：另两只开关管以较低的输出电压基波频率工作，同时在很大程度上降低了开关损耗2.2.3.2 双极性的SPWM控制方式双极性的SPWM控制方式的示意图如图9所示图9 双极性的SPWM控制方式双极性的SPWM控制方式：调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的。在双极性控制方式中，三角波在调制波半个周期内是在正负两个方向变化，所得到的PWM波形也正负两个在方向变化。双极性调制的工作特点：逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，而流过负载的是按线电压规律变化的交变电流。在双极PWM调制方式中，同桥臂上下两个功率开关管的驱动信号是互补的信号，但实际上为了防止同桥臂上下两个功率开关管直通而造成短路，在两个信号中间加入死区，死区时间大小主要由功率开关器件的关断时间决定，死区时间将会给输出的SPWM波形带来影响，使其偏离正弦波。3 硬件电路的设计3.1 前级DC/DC控制电路的设计前面第二章节中我们已经知道前级DC/DC部分选择的是推挽式电路拓扑结构，尽管推挽式结构电路有很多优点，但是在推挽式电路结构有容易发生磁偏的缺点，所以在前级的控制电路中要能够克服磁的不足。由于电压型控制芯片不能有效的克服磁偏所带来的影响，因此在前级控制中采用了电流型UC3846控制芯片来完善电路。之所以选择电流型芯片来进行控制是因为它可以一个周期一个周期的克服磁偏带来的干扰，不仅如此电流型芯片还可以进一步设置通过主开关的峰值电流，加速系统的运行，提高系统的响应速度。UC3846芯片的引脚图如图10所示:各个引脚的序号和功能对应如下:1 C/S SS 限流信号/开漏输出输入端；该端可接给定信号。2 VREF 基准电源输出端；开漏输出温度特性极佳的基准电压。3 C/S- 电流检测比较器反相输入端；该端接电流检测信号。4 C/S+ 电流检测比较器正相输入端；该端接给定信号。5 E/A+ 误差放大器同相输入端；在闭环或开环系统中，该端都接给定信号。6 E/A-误差放大器反相输入端；在闭环系统中，该端接输出反馈信号。根据需要，可在该端与引脚7 之间接入不同功能的反馈网络，构成比例，积分，比例积分等类型的闭环调节器。在开环系统中，该端直接与7脚相连，构成跟随器。7 COMP 误差放大器输出端；在闭环系统中，根据需要，可在该端与引脚6 之间接入不同功能的反馈网络，构成比例，积分，比例积分等类型的闭环调节器。在开环系统中该端可直接与引脚6 相连，构成跟随器。8 CT 振荡定时电容接入端。9 CR 振荡定时电阻接入端。10 SYNC 同步信号输入端。在该端开漏输出方波信号可实现控制器的外同步。该端亦可作为同步脉冲信号输出端，向外电路输出同步脉冲信号。11 AOUT 输出端A；引脚11 和引脚14 是两路互补输出端。12 GND 信号地。13 VC 输出级偏置电压输入端。14 BOUT 输出端B；引脚14 和引脚11 是两路互补输出端。15 VIN 偏置电源输入端。16 Shutdown 外部关断信号输入端。前级控制简易接线图3.2 后级DC/AC控制电路的设计从前面的叙述中在后级的时候需要有互补的SPWM波的产生，并且可以通过软件编程的方式来实现SPWM的控制。而某些单片机就可以完成这些功能。单片机的功能强大，在越来越多的领域例如工业过程控制领域，电力电子领域，家庭一般的用电器等领域中都得到了广泛的应用。之所以单片机收到那么高的青睐与其自身的优越性的特点是密不可分的。一般单片机的特点如下：1 单片机的体积小，便于携带2 单片机的集成度很高3 可靠性高，数据可以存储在ROM中，不易破坏4 单片机的引脚比较多，可以实现不同功能的需要5 单片机低电压、低损耗，内部的存储量也很大6 单片机运算速度比较快，而且价格不昂贵，性价比高在后级控制中所选用的单片机就是P87LPC768单片机，利用其自身提供的PWM输出口，输出SPWM驱动脉冲，通过A/D转换接口，进行逆变器的输出过载，过电压及蓄电池欠压采样，然后通过编程来实现各种保护功能。虽然它的引脚不多只有20个，但是I/O接口的功能比较丰富，同时在很多方面如：汇编指令和基本结构都与80C51相互兼容。单片机P87LPC768可以在大范围的性能要求下实现高集成度、低成本的解决方案。P87LPC768提供可编程选择的高速、低速晶振和RC振荡方式。具有较宽的操作电压范围。并提供可编程I/O口输出模式选择，可选择施密特触发输入，LED驱动输出和内部看门狗定时器。其引脚图如图11所示：P87LPC768引脚图P87LPC768单片机特点:4通道10位脉宽调制器(PWM)；4路复用8位A/D转换器。在振荡器频率f=20MHz时，转换时间为9.3s；用于数字功(1)能时，操作电压范围为2.76.0V；4K字节OTP程序存储器；128字节RAM；32Byte用户代码区可用来存放序列码及设置参数；2个16位定时/计数器，每一个定时器均可设置为溢出时触发相应端口输出；内含2个模拟比较器；全双工UART；I2C通信接口；8个键盘中断输入，另加2路外部中断输入；4个中断优先级；看门狗定时器利用片内独立振荡器,无需外接元件,看门狗定时器溢出时间有8种选择；低电压复位。可在掉电时使系统安全关闭；看门狗定时器具有独立的片内振荡器，因此它可用于振荡器的失效检测；可配置的片内振荡器及其频率范围和RC振荡器选项(用户通过对EPROM位编程选择)。选择RC振荡器时不需外接振荡器件；可编程I/O口输出模式：准双向口, 开漏输出,上拉和只有输入功能；可选择施密特触发输入；所有口线均有20mA的驱动能力；后级控制简易接线图从P87LPC768的上述特点可以看出，采用该单片机作为电源控制芯片可以大大简化控制电路。其内部带有的A/D转换接口可以将模拟检测量转换为芯片内部可处理的数字信号，从而省去了外部A/D转换电路。该单片机独有的PWM输出口，可方便的输出控制用驱动脉冲。3.3 功率开关管以及二极管的选择3.3.1 前级功率开关管的选择在逆变电路中功率开关管的性能的好坏直接影响逆变的效果，所以开关管的选择至关重要。在大多数情况下逆变电路中常用的开关管有：MOSFET、IGBT、GTO、GTR等。其中MOSFET的驱动功耗低，关断时间小，而且MOSFET没有存储时间，两组栅极信号脉宽相等，两个开关管导通时间相等；其次，MOSFET管导通压降随温度升高而增加的特性特供了负反馈作用，有助于纠正磁通不平衡的问题。对于小功率容量逆变系统MOSFET为首选器件，故本文选用的开关器件为MOSFET。推挽式带你路结构中功率开关管的最大承受电压为输入电压的两倍，我们涉及输入的电压为12V或者24V直流电，因此MOSFET的最小额定电压要为242=48V，故而可选用耐压为60V或者80V的管子。流过MOSFET的最大电流可以算出：其中：Imax为前级最大电流，也就是MOSFET管的最大输入电流；Umin为最小输入电压； Dmax为最大占空比；充分考虑到磁通不平衡的问题，选择MOSFET管为RU190N08，该管的主要参数如下：VDDS=80V；RDS(ON)=3.9M；ID=190A; PD=400W。3.3.2 前级功率开关管的选择对于二极管：推挽式变换器整流二极管应当具备正向导通电压低、反向恢复时间短和反向漏电流小等特点。整流二极管的最大反向电压可以算出：URD=nUmax=3030=900V式中n为变压器的匝数比；Umax为最大输入电压值；本设计的逆变电源频率为 50Hz，输出为 220V 的正弦波，其峰值电压约为 310V，假设系统后级的逆变效率为 86%，则可以计算出前级 DC/DC 变换器输出的电压为 360V，功率为 581W，输出电流有效值约为 1.6A。本文选择超快恢复型二极管MUR8100,其反向耐压为1000V，正向平均电流为8A，反向恢复时间 50nS，满足设计要求3.3.3 后级功率开关管的选择由于对开关管的控制实际上是对开关管输入电容的充放电的控制。由于电容上的电荷具有保护作用，当器件开通后驱动电路无需继续提供电流，所以驱动电路的延迟时间要小，驱动电路的峰值大，也就是说理想的功率MOS开关管驱动电路应有高速开关和高峰值的能力。在前面说过MOSFET功率开关管有那么多有点，所以后级中的功率开关管也选择MOSFET型的。由于后级端输入的电压高达360V，如果取两倍的耐压范围则功率开关管的耐压最少要有700V。我们要求输出电压为220V，我们设定输出功率为500W,则可以算出输出电流大约2.3A，则峰值电流应该有。考虑到瞬间电流可达到峰值电流的2倍或者3倍，则MOSFET功率开关管的额定电流要达到10V可以选择IRF840的管子。最终选取的 MOSFET功率管为IRFP460，其主要参数如下：VDDS=1000V；RDS(ON)=2；ID=20A；Ton=19ns;T off=130ns；参数符合设计要求。3.4 驱动电路的设计前级电路中由于采用了推挽式结构，在推挽式结构中有一个明显的优点，那就是两只功率开关管有公共接地端，所以驱动这两只管子的时候不需要隔离的驱动电源，可以是电路结构得到简化。而且由于在前级控制中采用了UC3846芯片控制，该芯片输出口可输出高达5000MA的驱动电流，在不加放大电路的情况下，可直接驱动开关管工作。前面我们知道后级逆变电路采用的是全桥式电路结构，对于全桥式结构而言桥臂上下功率管的驱动需采用隔离驱动电源。在市场上也有专门用于驱动全桥式电路结构的集成电路，例如IR2110。IR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路及无门锁CMOS 技术，于1990 年前后开发并投放市场的大功率MOSFET和IGBT专用栅极驱动集成电路。IR2110引脚图如下图所示：IR2110引脚图IR2110各个引脚的功能如下:引脚1: LO低端输出引脚2: COM公共端引脚3: Vcc低端固定电源电压引脚4: Nc空端引脚5: Vs高端浮置电源偏移电压引脚6: VB高端浮置电源电压引脚7: HO高端输出引脚8: Nc 空端引脚9: VDD逻辑电源电压引脚10: HIN 逻辑高端输入引脚11: SD关断引脚12: LIN逻辑低端输入引脚13: Vss逻辑电路地电位端，其值可以为0V引脚14: Nc空端驱动电路简易接线图IR2110芯片内部结构图如下：IR2110芯片内部结构图IR2110芯片的特点: a 具有独立的低端和高端输入通道。b 悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V。c 输出的电源端(脚3)的电压范围为1020V。d 逻辑电源的输入范围(脚9)515V，可方便的与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有 V的便移量。e 工作频率高，可达500KHz。f 开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns。g 图腾柱输出峰值电流2A3.5 滤波电路的设计我们知道一般波形输出的时候都不是完全理想的波形，因为在产生的波形中都会存在一些干扰性的波形，而且这些谐波的次可能还不同，为了得到近乎完善的波形需求，在逆变器电路中加入输出滤波的设计非常重要，故而需要设置输出滤波器。3.5.1 前级输出滤波设计前级设计的输出滤波器采取传统的 LC 滤波方案。电容 C 具有隔直流通交流的特点，而电感 L 则相反，具有隔交流，通直流的特点。当输出电压经过由电容 C和电感 L 组成的滤波电路后，改变了交直流分量的比例，从而得到纹波小的直流电压。1 输出电感的设计输出电感要求必须工作在连续工作模式，否则反馈环对负载的变化的调节性能将严重下降，这种临界状态在输出电流下降至斜坡幅值dI 的一半时发生，此时有： 而Vo=V1(2 Ton /T)，取Ton =0.8t/2, Idc (min)取额定电流Io的1/10，则代入已知数据得：Idc (min)为最小输出电流，Io为额定输出电流。2 输出电容的设计输出电容 CO的容量和输出电压纹波并没有直接的关系，纹波的大小是由输出电容的 ESR（等效串联电阻 RO）来决定的，假设纹波电压峰-峰值Vr为则它们的关系为：式中dI为电感电流纹波的峰-峰值.对于铝电解电容，在很大容值以及额定电压范围内，其RoCo的值基本不变，范围是5010-68010-6。因此Co可选为：假设,代入数据得，在设计中选330 uF/450V的铝电解电容。3.5.2 后级输出滤波设计滤波器按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声；高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量；带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声；带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。通常我们选用的是下面结构的滤波器，如图所示：原理：有图可知电感的感抗为, X L随着频率的升高同时升高，电容的电抗为，XC随着频率的升高而降低，所对应的截至频率为fc，fc与L,C的关系是假设输出电压频率f1,最低次谐波频率为f2,截至频率fc三者满足：，所以， W1L对基波信号阻力很小，对基波信号分流很小可以忽略不计，则能允许基波信号通过。，则，W2L对最低次谐波信号阻力很大，则最低次谐波不会被滤波器通过，更高次的也不会通过。有前面的式子可以推导出在一般情况下截至频率为的 0.1或者0.2 倍，而我们设计的载波频率为20kHz，如果我们选择的是0.1倍，即 2000Hz。取滤波电容C值为3uF，由上式可算出滤波电感L值为6.33mH3.6 保护电路的设计3.6.1 功率开关管的保护保护电路实际上就是保护电流中的元器件，以防止过大的电流或者过大的电压对电子元器件造成的损害，在逆变电路中用到了许多功率开关管，开关管在开关的过程中可能会在电路中释放能量从而导致电压过大，进一步导致管子两端的电压或者电流过大，从而让开关管因电流过大而烧毁。为了阻碍开关期间可能出现的电压过大，我们可以在开关管的源极和漏极之间并联一个电阻，电容串联吸收电路，但是这个电容只能只能限制电流不能限制电压，因此还要在管子两端并联压敏电阻，如此可改善管子的安全性。3.6.2 电路短路和过载的保护电路发生短路的时候电流可能会激增，如果没有保护措施，可能功率开关管在短时间内被烧毁。但是当电路发生过载的时候，不会像短路那样会在瞬间损坏电子器件，对于过载电路，我们只需将取样电阻串接在输出回路中，用来监督比较电流，当采样电流大于限制的电流的时候，则启动一个过载时间定时器，如果超出时间限制，单片机的故障信号将输送到UC3846中，关闭电路进入重启等待状态，利用这些措施可以有效的防止开关管在短路和过载造成的损坏。3.6.3电池欠电压当电压故障的时候，采样值会低于参考值，比较器输出的高电平会输入到前级控制芯片中，关闭脉冲，同时信号传送给单片机导致封锁驱动信号，显示电池有故障。4 系统软件设计前面我们通过对SPW脉宽调制的分析以及对SPWM波的生成方法和控制方式的分析和比较，通过微机技术采用软件生成的SPWM波的方法比较简单理想，通过对程序的修改控制就可以做到对SPWM波的控制。在加上本设计中是以单片机为核心元件进行控制的，选择一般经常用的规则采样法生成SPWM波的原理，通过汇编程序的控制来完成算法。单片机作为核心的控制元件除了能在逆变器输出控制SPWM脉冲之外，还能实现对整个系统的不同保护的辅助的控制功能。主流程图的设计：主流程图的设计有主流程图的过程可知：在初始化之后当电池电压正常之后才能让前级电路进行低压到高压的转换。否则由于电池的问题会导致停机。当前级有输出的时候，输出的电压要达到后级输入的要求，只有满足输入的要求才能让后级电路正常工作。然后进行程序查表输出SPWM脉冲，查表的流程图如下：5 仿真与实验结果5.1 EDA简介EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，是随着集成电路和计算机技术飞速发展应运而生的一种快速、有效、高级的电子设计自动化工具。换句话说，EDA就是立足于计算机工作平台而开发出来的一整套先进的电子设计软件工具。EDA工具融合了应用电子技术、计算机技术、和智能化技术的最新成果，主要进行三方面的辅助设计工作：集成电路（IC）设计、电子电路设计以及印制电路板（PCB）的设计。采用EDA技术，用计算机进