SG3525正弦波逆变电源设计

等级:湖南工程学院课 程 设 计课程名称 电力电子技术 课题名称 SG3525正弦波逆变电源设计 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 2013年 12 月 16 日湖南工程学院课程设计任务书课程名称 单片机原理及应用 课 题 智能密码锁设计 专业班级 学生姓名 学 号 指导老师 审 批 任务书下达日期 2013 年 12 月 16 日设计完成日期 2013 年 12 月 27 日设计内容与设计要求一 设计内容：1 电路功能：1） 逆变就是将直流变为交流。由波形发生器产生50Hz、幅度可变的正弦波，与锯齿波比较后，再通过PWM电路，输出SPWM波，经过驱动电路驱动逆变电路进行逆变，再经过高频变压器与滤波电路输出-50Hz的正弦波。2） 电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：高频逆变电路、滤波环节。控制电路主要环节：正弦信号发生电路、脉宽调制PWM、电压电流检测单元、驱动电路。3） 功率变换电路中的高频开关器件采用IGBT或MOSFET。4） 系统具有完善的保护2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4. 控制电路设计与分析1） 检测电路设计2） 功能单元电路设计3） 触发电路设计4） 控制电路参数确定二 设计要求：1 要求输出正弦波的幅度可调。2 用SG3525产生脉冲。3 设计思路清晰，给出整体设计框图；4 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；5 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。6 绘制总电路图7 写出设计报告；主要设计条件1 设计依据主要参数1） 输入输出电压：输入（DC）+15V、10V（AC）2） 输出电流：1A3） 电压调整率：1%4） 负载调整率：1%5） 效率：0.8 2. 可提供实验与仿真条件 说明书格式1 课程设计封面；2 任务书；3 说明书目录；4 设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5 单元电路设计（各单元电路图）；6 故障分析与电路改进、实验及仿真等。7 总结与体会；8 附录（完整的总电路图）；9 参考文献；11、课程设计成绩评分表 进 度 安 排 第一周星期一:课题内容介绍和查找资料； 星期二:总体电路方案确定 星期三:主电路设计星期四:控制电路设计 星期五:控制电路设计；第二周星期一: 控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期四五:写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午:答辩及资料整理 目录第1章 概述11.1 课题来源11.2 解决方法11.3 设计的优点2第2章 系统总体设计22.1 系统设计总体思路22.1 系统基本工作原理32.3 系统设计框图4第3章 系统主电路设计5 3.1 系统主电路结构设计5 3.2 系统保护电路设计5第4章 单元电路设计6 4.1 正弦信号发生电路设计6 4.2 宽度调制PWM电路设计7 4.3 电压电流检测电路设计11 4.4 光耦合驱动电路设计12第6章 总结与体会13附录1 总电路图14附录2 参考文献15附录3 课程设计成绩评分表1617第1章 概述1.1 课题来源 电力逆变电源有着广泛的用途，它可用于各类交通工具，在太阳能及风能发电领域，逆变器有着不可替代的作用。电力控制系统的可靠程度是电力系统和设备可靠、高效运行的保证，而电力控制系统必须具备安全可靠的控制电源。电力系统中为保证变电所的诸如后台机、通讯设备等能在交流电源停电后不间断工作，工程做法一般采用UPS电源作为主要解决方案，但UPS电源存在容量小、价格贵、故障率高等不足，因此综合自动化变电所中可采用电力正弦波逆变电源来代替常规不间断UPS电源。1.2 解决方法逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。利用逆变电源可以解决UPS电源存在的各种缺点，可以很好的运用在一些不能断电的场合。本相正弦波SPWM逆变电源的设计以SG3252为核心，采用了运算放大器、二极管、功率场效应管、电容和电阻等器件来组成电路。1.3 设计的优点 1.降低了电力逆变器系统运行维护费用：现运行的综合自动化变电所中，一般设后台监控微机，通讯设备大多为微波及光纤机等，此类监控和通讯设备工作电源为交流电源，要做到不间断供电，以满足四遥要求，不同的设备须单独装设不间断电源(UPS)和蓄电池组。而变电所中装设逆变电源可直接利用所用直流电源系统的大容量蓄电池提供交流电源，比UPS供电方案节约了投资费用，避免了蓄电池组的重复投资，减少了维护工作量，降低了运行成本。 2.提高了电力逆变器供电可靠性：中装设的直流电源系统，可靠性高、寿命长，因此采用直流动力+逆变器方案，利用所用直流电源系统的监控功能和逆变器的通讯功能可远方实时监视逆变电源的运行状态，解决了常规UPS电源的蓄电池容量小、无监控，容易出现蓄电池损坏又不能及时发现的问题。由于变电所直流电源系统蓄电池的大容量，电网断电后不间断供电时间大大延长，真正起到了保安电源的作用，提高了其供电可靠性。 3.提高了电力逆变器供电的安全性：力逆变器是新一代的DC/AC电源产品，输入为220V直流电，输出为220V、50Hz正弦波交流电，输入输出端完全与市电隔离，避免了市电波动对负载的影响，完全满足变电所分站RTU、通讯设备和微机等设备对工作电源的要求，而完全与市电隔离，还可避免雷电等过电压造成的电源板烧毁事故，提高了负载的安全性。第2章 系统总体设计2.1 系统设计总体思路本课题采用单相桥式逆变电路进行设计。逆变器主电路开关管采用功率MOSFET，具有开关频率高，驱动电路简单等特点。当开关期间，VT1,VT2轮流导通，即可在负载端得到所需幅值与频率的电源。脉宽调制信号由专用的集成芯片SG3252产生。由正弦波发生器产生一幅度可变的正弦波，送人SG3525输出经调制的SPWM波形，经过反相器反相后，得到两路互为反相的PWM驱动信号，分别驱动功率场效应管交替导通，从而在高频变压器的副边得到一SPWM波形，经过LC滤波后，得到所需的正弦波，幅度可通过电位器RP进行改变。2.2 系统工作原理逆变器主电路开关管采用功率MOSFET管，具有开关频率高、驱动电路简单、系统效率较高的特点。当开关其间VT1、VT2轮流导通即可在负载端得到所需频率与幅值的交流电源。脉宽调制信号由专用集成芯片SG3525产生。SG3525芯片不仅能产生频率灵活可变的方波，而且可输出正弦PWM（SPWM）信号，以提高后接变压器的工作频率。为了使SG3525产生一个SPWM信号，可在芯片的9脚处加入一个幅度可变的50Hz正弦波（我们这里仅需得到频率固定的50Hz可变电源，若需获得频率也可变的交变电源，则只需在9脚处加入一个幅值与频率均可变的正弦波即可），与5脚处的锯齿波信号进行比较，从而获得SPWM控制信号，改变正弦波的幅值，即改变调制度M（调制度定义为正弦波调制波峰Urm与锯齿波载波峰值Utm之比，即M=Urm/Utm）就可以改变输出电压的幅值，正常M1。考虑到5脚处的锯齿波如图2.1所示，锯齿波的顶点UH约为3.3V，谷点UL约为0.9V。tUSWUHULU50Hzt图2.1 2.3 系统设计框图正弦波发生器锯齿波发生器（SG3252）PWM电路（SG3252）SPWM波逆变电路驱动电路滤波电路输出正弦波电压电流检测单元电路保护电路第3章 系统主电路设计 3.1 系统主电路结构设计单相桥式逆变电路如图所示的单相全桥逆变电路主要由逆变电路和控制电路组成。逆变电路包括逆变全桥和滤波电路，其中逆变全桥完成直流到交流的变换滤波电路滤除谐波成分以获得需要的交流电；控制电路完成对逆变桥中开关管的控制并实现部分保护功能。图中的逆变全桥由4个开关管和4个续流二极管组成，工作时开关管在高频条件下通断开关瞬间开关管电压和电流变大，损耗大，结温升高，加上功率回路寄生电感、振荡及噪声等极易导致开关管瞬间损坏，以往常用分立元件设计开关管的保护电路和驱动电路，导致电路庞大且不可靠。3.2 系统保护电路设计输入过电压和欠电压保护电路图如图所示，直流电压保护信号取自自主电路输入电压，经电阻R84分压和管够隔离后送入控制电路。利用光电耦合器吧各种模拟负载和数字信号隔离开来，也就是吧“模拟地”与“数字地”断开。进过光耦的保护信号通过比较器分别与设定的最大或最小电压值进行比较，如果电压值超过限定值，比较器就输出低电平。比较器的输出信号相与，所得的信号送入DSP的PDPINT中断口。当器件引脚PDPINT被拉低时，会产生一个外部中断，这个中断是为系统的安全操作提供的。如果PIPINT未被屏蔽，且被拉低后，所有的PWM输出均为高阻态。这样就可以在过流等故障的情况下，吧逆变器的的PWM控制信号封死，从而实现对逆变器的保护。第4章 单元电路设计4.1 正弦信号发生电路设计正弦波发生电路图如图可知，正弦波发生器由两部分组成，前半部分为RC串并联型正弦波振荡器，振荡频率设定在50Hz，调节电位器RP（即实验挂箱面板上的幅度调节电位器），即可调节正弦波峰峰值，从而调节SPWM信号的脉冲宽度以及逆变电源输出基波电压的大小。正弦波发生器的后半部分为移位电路，将正负对称的正弦波移位到第一象限，并使正弦波的谷点在0.9V之上。4.2 宽度调制PWM电路设计 SPWM控制原理：逆变电路理想的输出电压是图2-1（a）正弦波u0=Uo1sint。而电压型逆变电路的输出电压是方波，如果将一个正弦波半波电压分成N等分，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等副矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等分的中重合，得到如图2-1（b）所示的脉冲列这就是PWM波形。正弦波的另外一个半波可以用相同的方法来等效。可以看出，该PWM波形的脉冲宽度按正弦规律变化，称为SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）波形。 根据采样控制理论，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。脉冲频率越高，SPWM波形越接近正弦波。逆变器的输出电压为SPWM波形时，其低次谐波将得到很好的抑制和消除，高次谐波又能很容易滤去，从而可获得畸变率极低的正弦波输出电压。 SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通、断进行控制，使输出端得带一系列幅值相等而狂度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其他所需要的波形。本设计是采用SG3525芯片来产生SPWM波。PWM控制芯片SG3525简介： SG3525是电流控制性型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照反馈电流表调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差信号放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统。因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。 SG3525内部结构和工作特性 SG3525引脚图 1.相输入端(引脚1):误差放大器的反相输入端，该误差放大器的增益标称值为80dB，其大小由反馈或输出负载而定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容元件的组合。该误差放大器的共模输入电压范围为1.55.2V。此端通常接到与电源输出连接的电阻分压器上。负反馈控制时，将电源输出电压分压后与基准电压相比较。 2.相输入端(引脚2):此端通常接到基准电压引脚16的分压电阻上，取得2.5V的基准比较电压与引脚1的取样电压相比较。 3.步端(引脚3):为外同步用。需要多个芯片同步工作时，每个芯片有各自的振荡可以分别与它们的引脚4相副脚3相连，这时所有芯片的工作频率最快的芯片工作频率同步;也可以使单个芯片以外部时钟频率工作。 4.步输出端(引脚4):同步脉冲输出。作为多个芯片同步工作时使用。5.振荡电容端(引脚5):振荡电容一端接至引脚5，另一端直接接至地端。6.振荡电阻端(引脚6):振荡电阻一端接至引脚6，另一端直接接至地端。 7.放电端(引脚7):Ct的放电由5、7两端的死区电阻决定。8.软起动(引脚8):比较器的反相端，即软起动器控制端(引脚8)，引脚8可外接软起动电容。 9.补偿端(引脚9):在误差放大器输出端引脚9与误差放大器反相输入端引脚1间接电阻与电容，构成PI调节器，补偿系统的幅频、相频响应特性。 10.锁端(引脚10):引脚10为PWM锁存器的一个输入端，一般在该端接入过流检测信号。 11.冲输出端(引脚11、引脚14):输出末级采用推挽输出电路，驱动场效应功率管时关断速度更快。 12.地端(引脚12):该芯片上的所有电压都是相对于引脚12而言，既是功率地也是信号地。13.挽输出电路电压输入端屿1脚13):作为推挽输出级的电压源，提高输出级输出功率。14.片电源端(引脚15):直流电源从引脚15引人分为两路:一路作为内部逻辑和模拟电路的工作电压;另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生5.1V土1的内部基准电压。 15.准电压端(引脚16):基准电压端引脚16的电压由内部控制在5.1V土1。可以分压后作为误差放大器的参考电压4.3 电压电流检测电路设计场效应晶体管与电阻相结合进行电流检测电路： 如上图所示,这种检测技术是上一种的改进形式,只不过它的检测器件不是FET 而是小电阻。在这种检测电路中检测小电阻的阻值相对来说比检测FET 的RDS要精确很多,其检测精度也相对来说要高些,而且无需专门电路来保证功率FET 和检测FET 漏端的电压相等,降低了设计难度,但是其代价就是检测小电阻所带来的额外功率损耗比第一种检测技术的1/ N 2 还要小( N 为功率FET 和检测FET 的宽度之比) 。此技术的缺点在于,由于M1 ,M3 的V DS不相等(考虑VDS对IDS的影响), IM 与IS 之比并不严格等于N ,但这个偏差相对来说是很小的,在工程中N 应尽可能的大, RSENSE应尽可能的小。在高效的、低压输出、大负载应用环境中,就可以采用这种检测技术。4.4 光耦合驱动电路设计光耦合驱动电路图以上隔离驱动电路采用A3120光耦合隔离驱动电路，A3120具有欠压锁定保护功能，当输入信号问高电平时，A3120输出为高电平，由功放级的NPN晶体管放大后输出，驱动功率器件。当输入低电平时，A3120输出为低电平，功放级的NPN晶体管导通，功率器件级间承受反压关段。图中R的大小你将影响开关损耗，并且影响功率开关的关断尖峰大小及逆变器件输出波形的质量。逆变桥选用的不同的功率开关，应调整R57的大小，使逆变器获得最佳的性能。赞同第5章 总结与体会通过这次课程设计，让我对单相正弦波SPW