正弦波逆变电源.doc

目录第一章 概述1第二章 设计总体思路51 总体框架图52 设计的原理和思路63 局部电路7(1)电压型逆变电路7(2)电流型逆变电路8(3) 全桥正弦逆变器9第三章 主电路设计121 主电路概况122 主电路局部电路介绍131)、电网滤波132)、浪涌电流抑制电路133)、整流滤波144)、DCAC变换145)、高频变压器选择176)、输出整流滤波电路177)、主电路保护18第四章 控制电路设计191. 主控制芯片介绍19IR2110外部引脚封装图212. 驱动电路设计211) 驱动电路概念212) PWM产生电路223) 驱动电路的设计233. 过零检测及续流触发电路244. 控制保护电路设计25第五章 总结与心得26附录 总电路图28参考文献29第一章 概述摘要：研究了一种新型开关电源的设计。它采用移相全桥PWM控制电路，输出较大的功率，并具有体积小、重量轻、开关频率高等优点。给出了各部分相应的电路图，并进行了详细的介绍。关键词：高频软开关；开关电源；高频变压器 PWM电路引言：近年来，随着航空、航天和计算机事业的发展，对电源在体积、重量和效率等方面提出了越来越高的要求。开关电源就是在这种情况下发展起来的一种小型电源。它具有体积小、重量轻、频率高、成本低、效率高等一系列优点。同时，由于它的线路简单，可靠性高，而被广泛地应用于航空、航天和电子计算机等方面。 一切电子设备都离不开电源提供能量，随着电子技术的发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，对电源的要求更加灵活多样。逆变是对电能进行变换和控制的一种基本形式。现代逆变技术是综合了现代电力电子开关器件的应用、现代功率变换、 PWM技术、频率及相位调制技术、开关电源技术和控制技术等的一门实用设计技术。 电源的发展也随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整正弦波逆变电源是连续控制的线性正弦波逆变电源 。这种传统正弦波逆变电源技术比较成熟,并且已有大量集成化的线性正弦波逆变电源模块,具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点、但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都不得和很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。另外,由于调整管上消耗较大的功率,所以需要采用大功率调节器整管并装有体积很大的散热器,很难满足现代电子设备发展的要求。在近半个多世纪的发展过程中，正弦波逆变电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛的应用，正弦波逆变电源技术进入快速发展期。正弦波逆变电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。它的功耗小，效率高，正弦波逆变电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器，此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此正弦波逆变电源具有重量轻、体积小等优点。另外，于功耗小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V10%,而正弦波逆变电源在电网电压在110260V范围变化时,都可获得稳定的输出阻抗电压。正弦波逆变电源的高频化是电源技术发展的创新技术,高频化带来的效益是使正弦波逆变电源装置空前的小型化,并使正弦波逆变电源进入更广泛的领域,特别是在高新技术领域的应用,扒动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外正弦波逆变电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。目前市场上正弦波逆变电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用MOSFET的正弦波逆变电源转抽象频率可达几百千赫。为提高开关频率，必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路,这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高正弦波逆变电源的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。正弦波逆变电源技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面：小型化、薄型化、轻量化、高频化开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此正弦波逆变电源的小型实质是就是尽可能减小其中储元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是正弦波逆变电源的主要发展方向。高可靠性正弦波逆变电源的使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高的可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。低噪声开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。采用计算机辅助设计和控制采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数,使正弦波逆变电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。正弦波逆变电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件,开发高频用的低损磁性材料,改进磁元件的结构及设计方法,提高滤波电容的介电常数及降低其等串联电阻等,对于正弦波逆变电源小型化始终产生着巨大的推动作用。总之，人们在正弦波逆变电源技术领域里，边研究低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进并推动着正弦波逆变电源以每年过两位数的市场增长率向小型、薄型、高频、低噪声以及高可靠性方向发展。第二章 设计总体思路1 总体框架图滤波电路逆变电路输入315V直流电驱动电路UC3842脉宽调制电路输出220V交流电误差比较 图1 总体框图此次课程设计要求输入315V直流，输出220V交流，主电路采用单相桥式逆变电路，对高频开关器件常用PWM波控制，要产生正弦波可采用SPWM控制方法，通过控制电力电子器件MOSFET的关断来控制产生交变正弦波电压。控制电路主要实现产生SPWM波，设计要求选用UC3842电流控制型PWM控制器产生控制脉冲。而UC3842实质上是通过输入的两路波进行比较，输出比较后形成的脉冲波，鉴于UC3842的这一特征，可以通过输入正弦漫头波和锯齿波进行比较得到所需的正弦波控制脉冲。正弦波产生器的设计有多种方法，本次课程设计采用555定时器多谐振电路产生方波经过滤波产生正弦波的方法作为正弦波产生器，再经过整流，使之成为正弦漫头波。锯齿波的产生电路比较简单，可以直接利用UC3842内部提供的谐振器加入外围电阻电容产生。此外电路要求输出的正弦波幅度可调，此时就需要使加入的正弦波漫头波幅值可调，此可以通过一加法器使之与设置电压相叠加产生电压可变的正弦电压。主电路和控制电路的一些中间环节都是需要滤波的，由于产用SPWM控制，主电路的谐波成分较少，可以通过简单的RC无源滤波。控制电路中的方波要变成较为标准的正弦波，要滤去的谐波成分就要多得多，可以采用有源滤波，且可以通过积分环节使方波变成比较好的正弦波。由于设计出来的电路是作为电源用的，对电源电流、电压检测就显得非常有必要了，可以通过从电源负载取出电流信号作为UC3842的关断信号，从而实现主电路的限流作用。要实现电流、电压的稳定，则可以通过取出的电流、电压信号与控制电路构成闭环控制来实现。为了不至使电路结构过于复杂，只设计了简单的电压反馈环使电压基本能跟随给定维持恒定。2 设计的原理和思路 图2 正弦波逆变电源的组成框图该电路采用他励式,2管双推动输出脉宽调制方式输出电压为220V,输出电流2A,有欠压、过压和过流等多重保护功能。该正弦波逆变电源控制级的核心部件是PWM脉宽调制电路UC3842。3 局部电路 (1)电压型逆变电路可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180正偏，180反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变。V3的基极信号只比V1落后q ( 0q 1V时输出脉冲关断，起到逐个脉冲限流保护。时钟由外接阻容RT和CT决定。UC3842是美国Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，由该集成电路构成的开关稳压电源和电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有以下特点：1）管脚数量少，外围电路简单，价格低廉；2）电压调整率很好；3）负载调整率明显改善；4）频响特性好，稳定幅度大；5）具有过流限制、过压保护和欠压锁定功能。因此他是目前比较理想的新型的脉宽调制器，2) IR2110: IR2110是一种多通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器，具有自举浮动电源，驱动电路非常简单，只用一路电源可同时驱动上、下桥臂。在小功率驱动场合， IR2110应用技术较成熟。IR2110驱动器的内部结构框图如下图所示：图（12）IR2110驱动器的内部结构框图它包括：逻辑输入、电平转换、保护、上桥臂输出和下桥臂输出。逻辑输入端采用施密特触发电路，提高抗干扰能力。输入逻辑电路与TTL/COMS电平兼容，其输入引脚阀值与电源Udd成比例，为电源电压Udd的10%，各通道相对独立。由于逻辑信号均通过电平耦合电路联接到各自的通道上，容许逻辑电路参考地（Uss）与功率电路参考地（COM）之间有-5V和+5V的偏移量，并且能屏蔽小于50ns的脉冲，这样有较理想的抗噪声效果。输出用图腾柱结构，两个高压MOS管推挽驱动器的最大灌入或输出电流可达2A，上桥臂通道可以承受500V的电压。输入与输出信号之间的传导延时较小，开通传导延时为120ns，关断传导延时为95ns。电源Ucc典型值为15V，逻辑电源和模拟电源共用一个15V电源，逻辑地和模拟地接在一起。输出端设有对功率电源Ucc欠压保护，当小于8.2V时，封锁驱动输出。下图给出了IR2110典型驱动电路。上桥臂通道电位参考点（Us），相对于功率地（COM）可从-5V浮动到+500V。其浮动电位参考点为管脚5（Us），浮动电源为管脚6（Ub），两引脚之间接有自举电容。引脚Us接上桥臂功率管的源极，在上桥臂功率管截止、下桥臂功率管导通时，电位接近COM的电位，Ucc通过快速恢复二极管VD向自举电容C充电。上桥臂功率管导通时引脚Us接近直流母线电源，允许达到500V。由于MOSFET和IGBT栅极均是电压型驱动，所以可由自举电容代替上桥臂通道的隔离电源。IR2110自举悬浮驱动电源可同时驱动同一桥臂的上、下两个开关器件，驱动500V主电路系统，工作频率可以达到500kHz。芯片还有一个封锁两路输出的保护端SD，在SD输入高电平时，两路输出均被封锁。但是IR2110不能产生负压，所以栅极的抗干扰设计尤为重要。IR2110外部引脚封装图2. 驱动电路设计1) 驱动电路概念：驱动电路的基本任务是将控制电路发出的信号转化为加在电力电子器件控制段和公共段之间、可以使其开通或关断的信号。同时驱动电路通常还具有电器隔离及电力电子器件的保护等功能。电气隔离是实现主电路及控制电路之间电量的隔离，在含有多个开关器件的电路中，电气隔离通常是保证电路正常工作的必要环节，同时电气隔离可以减少主电路开关噪声对控制电路的影响，并提高控制电路的安全性。电气隔离一段采用光隔离（如光耦合器）或磁隔离（如脉冲变压器）来实现。2) PWM产生电路：采用UC3842产生脉宽调制信号，用IR2110驱动功率管，因UC3842能同时产生两路PWM的输出，用一块UC3842就可以来驱动两块IR2110芯片，UC3842的引脚及PWM产生电路如上图示。图中，UC3842的引脚13和15接40V电源，它所产生的PWM的频率 用式（1）计算。 fT(KHz)=2.2/RT(KQ)CT(uF) (1) UC3842产生的PWM信号由引脚11和14输出来控制IR2110，由2块IR2110来产生4个驱动MOSFET和IGBT电压型功率器件图4-1 UC3846引脚及PWM产生电路图利用UC3842产生PWM电路图3) 驱动电路的设计：IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS工艺制作，具有独立的高端和低端输出通道；逻辑输入与标准的CMOS输出兼容；浮置电源采用自举电路，其工作电压可达500V，du/dt=50V/ns，在15V下的静态功耗仅有1.6mW；输出的栅极驱动电压范围为1020V，逻辑电源电压范围为515V，逻辑电源地电压偏移范围为5V5V。IR2110采用CMOS施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定。推挽式驱动输出峰值电流2A，负载为1000pF时，开关时间典型值为25ns。两路匹配传输导通延时为120ns，关断延时为94ns。IR2110的脚10可以承受2A的反向电流。 图5给出了IR2110在本设计中驱动全桥电路功率管的电路。IR2110的开通与关断传输延迟时间是接近匹配的（失配时间不大于10ns），开通传输延迟时间比关断传输延迟时间长25ns，这就保证了功率管在工作时不会发生重叠导通，为了更加安全起见，可在功率管的栅极上加一电阻与二极管网络（如图5中所示），这些电阻、二极管网络可进一步延迟功率管的导通而对其关断没有影响，这就相当于增加了死区时间。IR2110采用14端DIP封装，引出端排列如图所示。它的各引脚功能如下：脚1（LO）是低端通道输出；脚2（COM）是公共端；脚3（Vss）是低端固定电源电压；脚5（Us）是高端浮置电源偏移电压；脚6(UB)是高端浮置电源电压；脚7（HO）是高端输出；脚9（VDD）是逻辑电路电源电压；脚10（HIN）、脚11（SD）、脚12（LIN）均是逻辑输入；脚13（Vss）是逻辑电路地电位端外加电源电压，其值可以为0V；脚4、脚8、脚14均为空端。它的功能原理图如图4所示。3. 过零检测及续流触发电路当负载为阻感负载时，电路必须有续流环节，续流环节由Q1和Q2两个MOSFET来控制，当电压处于正半周时通过Q2,在负半周时通过Q1,但Q1与Q2之间如何进行转变这必须有一个正确的判断，这就需要过零检测电路。如下图所示，交流电压经过变压器变压，因交流信号有正向过零点和负向过零点，故运用一个正向比例器与反向比例器进行两零点与标准零点电压的比较，其输出信号经过光控隔离进行稳压和放大后，分别控制续流装置中的Q1和Q2两个MOSFET管控制端。为了防止Q1、Q2两个同时开通，我们采用了互锁，就是说Q1、Q2管不可以同时导通，在正半波，开通Q2管续流；在负半波，开通Q1管续流。4. 控制保护电路设计为了防止电路的过电压，保护电路我设计了一保护电路，如下图所示，在电路的输出端用一变压器进行降压然后再用整流桥进行整流使之变成直流电，输出电压与比较器上设定的正5伏电压相比较，如果输出电压高于正5伏，比较器就输出正5伏电压，比较器的输出端与UC3842的5管脚相连，因为前面已经介绍了UC3842,它的5号管脚是电流取样输入端。在外围电路中，在功率开关管的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入脚5，控制脉宽。当功率开关管的电流增大，取样电阻上的电压超过1 V时UC3842就停止输出，有效地保护功率开关管； 图4-3 过电压保护电路第五章 总结与心得 为期两周的电力电子课程设计在经过了14天的忙乱之后终于取得了成绩也终于写出了这份报告。可以说这次的课程设计取得了成功。刚刚拿到课程设计的题目时真不知道从哪里开始动手,课题名称里的芯片根本就没听说过。通过上网查找资料,弄清楚了它的功能,才真正开始了设计。但这个东西包括了几个部分,所以一定要把握好它的整体设计思路,在其框架之下,对各部分的单元电路进行分析和设计,最后经过电路的修改,参数的确定,将各个部分连接起来,形成总的电路图。课程设计虽然大家的课题不是完全一样的，但是大家之间的团队合作还是很重要的，有些地方自己一个人看不明白，通过和同学之间的讨论最终弄明白，这是一个很有趣的过程，