逆变电源设计报告

逆变电源逆变电源设计与总结报告设计与总结报告 2013 年年 5 月月 6 日星期一日星期一 目录目录 一一、方案论证与比较方案论证与比较.2 1、总体方案的比较 .2 2、隔离型 DC-DC 电路方案 .3 3、高频变压器后级整流方案 .3 4、SPWM 波产生方案 .4 二、理论分析与计算二、理论分析与计算.4 1.高频变压器参数设计 .4 2. LC 低通滤波参数设计.5 三、电路与程序设计三、电路与程序设计.5 1.推挽式隔离型直流变换电路 .5 2.逆变电路 .7 3.保护电路 .7 4.辅助电源 .8 5.SPWM 产生程序 .8 四、测试结果及分析四、测试结果及分析.9 1.测试方法与测试条件 .9 2.主要测试结果 .9 元件参数根据计算可知，元件参数根据计算可知，L=4.7UH,C=2.2UF.仿真波形如图仿真波形如图 11 所示。所示。 .10 五、设计总结五、设计总结.10 摘要 本设计实现了一种基于的高频链逆变电源。系统由输入欠压保护、推挽升 压、全桥逆变、SPWM 波产生、低通滤波、输出过流保护、辅助电源等电路组成。 12V 的直流电通过推挽式变换逆变为高频方波，经高频变压器升压，再整流滤 波得到一个稳定的约 320V 直流电压。前级 DC-DC 变换采用 SG3525 驱动 MOSFET 得到高压直流电，然后通过产生的 SPWM 驱动全桥电路，再经低通滤波得到 220V 的工频正弦交流电。采用反激式开关电源升压再经稳压芯片稳压供电很好 的实现隔离，并且具有输入欠压保护和输出过流保护，输出功率可达 100W。该 电源体积小、效率高、输出电压稳定，非常适用于车载逆变器。 关键词：推挽升压 全桥逆变 滤波 反激式 Abstract This design implements a Cortex M3 based on the high-frequency link inverter power supply.System consists of input undervoltage protection, push- pull boost, full-bridge inverter, SPWM wave generator, low pass filtering, output over-current protection, auxiliary power and other circuit.12V direct current through the push-pull inverter is a high frequency square wave transform, the high-frequency step-up transformer, then rectified and filtered to get a stable DC voltage of about 320V.Former level DC-DC conversion by using SG3525 drive MOSFET high voltage DC and then generate the SPWM drive M3 full bridge circuit, and then low-pass filter obtained by the frequency sinusoidal AC 220V.With a flyback switching power supply step-up regulator chip re-powering through the realization of good isolation, and with input voltage protection and output over-current protection, output power up to 100W.The power, small size, high efficiency, output voltage stability, ideal for automotive inverter. Key words: push-pull boost full-bridge inverter flyback M3 概述 逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳 能、风力发电中一个重要部件。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展， 逆变技术也从通过直流电动机交流发电机的旋转方式逆变技术，发展到二 十世纪六、七十年代的晶闸管逆变技术，而二十一世纪的逆变技术多数采用了 MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT 等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路 也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器（DSP）控制。各 种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等 先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用领域也达到了前所未有的 广阔，从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站；从 日常生活的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源 的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备，都少不了逆变 电源。毋须怀疑，随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将 向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。 一一、方案论证与比较方案论证与比较 1 1、总体方案的比较、总体方案的比较 方案一：如图 1 所示，12V 的直流电经过 DC-AC 逆变成 10V/50HZ 交流电， 再经工频变压器升压到 220V. 512V DC全桥逆变 220V AC DC-DC 辅助电源 15V 5V 工频变压器 升压 单片机过流保护 SPWM 10V AC 如图 1 方案一原理框图 方案二：系统框图如图 2 所示，本系统主要由推挽升压电路、全桥逆变电 路、SPWM 波产生电路、保护电路和辅助电源等电路组成。12V 直流电压经过推 挽式高频逆变和高频整流得到高压直流电，在经全桥 DC-AC 逆变和低通滤波输 出 220V 的工频交流电。 DC-DC 推挽升压 全桥逆变 220V AC DC-DC 辅助电源 15V 5V 低通滤波 单片机过流保护 SPWM 270V DC 220 V AC 图 2 方案二电路框图 方案一比较简单，升压斩波电路前后级电压倍数低，可以采用非电气隔离 性直流变换器，但采用工频变压器经 AC-AC 升压，存在体积大，效率低等缺陷。 方案二实现了无工频变压器的逆变电路，可以很好的克服方案一存在的问 题，同时保证了电源输出电压更稳定、更平滑。 通过比较，本设计选择方案二。 2 2、隔离型、隔离型 DC-DCDC-DC 电路方案电路方案 方案一：采用半桥式变换电路，该电路对开关管的耐压值要求低，开关管 截止时承受电压为电源电压，所用功率变压器的铁芯没有单向偏磁现象，但对 电流要求大。 方案二：采用推挽式变换电路，这种电路一般需要选择高耐压值的开关管， 电流要求低，截止时开关管承受电压为电源电压两倍以上。两组开关管的漏极 连在一起，门极驱动电路无需彼此绝缘，驱动电路简单。 由于本系统输入只有 12V，但电流将近 10A,采用方案一获得同样的输出功 率要求开关管流过方案二两倍的电流，管子发热严重。而方案二即使要求开关 管承受电压为电源的两倍，也不过 24V，一般 MOSFET 完全胜任。 通过比较，本设计选择方案二。 3 3、高频变压器后级整流方案、高频变压器后级整流方案 方案一：采用全波整流电路，电流回路中只有一个二极管压降，损耗小， 整流过程中只需两个二极管。但是，二极管关断时承受反压是二倍的交流电压 幅值，对器件耐压值要求比较高，而且变压器二次绕组有中心抽头，制作复杂。 方案二：利用全桥整流，二极管断态时承受反压仅为交流电压幅值，而且 变压器绕组结构简单。缺点是任意时刻电感的电流总要相继流过两个二极管， 损耗大。 通过比较，由于逆变后电压较大有 300400V，对管子耐压要求较高。为 了使变压器绕制简单，管子耐压较低，选择方案二。 4 4、SPWMSPWM 波产生方案波产生方案 方案一：采用模拟电路实现 SPWM。由模拟元件构成的三角波和正弦波产生 电路分别产生三角载波信号 ut 和正弦调制波信号 ur 送入电压比较器，从而产 生 SPWM 波，这种利用模拟电路调制方式的优点是完成 Ut 与 ur 信号的比较和 确定脉冲所用的时间很短，几乎是瞬问完成而且 ut 和 ur 的交点是非常精确的， 未做任何近似处理。 方案二：采样法软件计算实现 SPWM，利用 msp430g2553 通过编程直接生成 SPWM 波。充分利用 M3 内部带死区可调的 PWM 模块和丰富的定时器，轻松实现 稳定可靠 SPWM 波。 方案一电路复杂，而且正弦波不太稳定，方案二电路极其简单且程序也不 复杂，输出 SPWM 非常漂亮。故本次设计选择方案二。 二、理论分析与计算二、理论分析与计算 1.1.高频变压器参数设计高频变压器参数设计 1.1 磁芯选择与参数计算 选择铁氧体磁芯，先求出磁芯窗口面积AW与磁芯有效截面积Ae的乘积AP, 根据AP值, 查表找出所需磁芯材料之编号。由于输出要求100W,当效率为0.8时， 逆变器输入端应有120W,考虑到温升问题高频变压器功率预留6% 的裕度, 则设 计输出功率为Po= 1.06*120= 127W 。由于变压器用于推挽变换电路当中, 由 10 4 f B KJ P AA AP m o ew 其中J=400A/cm4, K =0.4,=0.8,=0.8,f=60KHZ,Bm =0.2。求得 AP=0.7395cm4，查磁芯参数表知EC42符合设计要求，再根据型号查找对应的有 效截面积Ae=2.04cm2。 1.2 变压器匝数计算 初级绕组匝数为： 1.43 04. 22 . 0 10 604 10 14 4 10 N 3 44 max 1 AB f V em s i 取初级匝数 N1=2。 次级绕组匝数为： 2 . 502 45. 0212 2702 . 01 . 1 2 1 maxmin 2 N DV VVV N i OLfD 取次级匝数为 50 匝。 1.3 绕组导线线径及股数计算 采用铜线考虑集肤效应，由于开关频率为 60KHZ,故穿透深度为： mmmm f 4.502,27 . 0 1000*60 1 .66 1 . 66 故 可知线径不得超过 0.54mm，取线径为 0.38mm。 根据工程实际情况和绕组损耗, 取 J= 4A/mm2,导线直径为 =0.38mm,由设计要 求知 Iimax=12A,IOMAX=0.45A,由公式： 45.26 )2/38 . 0 (1415 . 3 4 12 2 max S J I N W i p 可知初级线圈采用 26 股并绕，同理可求出次级线圈股数为 1 股。 2.2. LCLC 低通滤波参数设计低通滤波参数设计 为了将 SPWM 波的谐波分量滤除，在逆变器的输出端加了 LC 滤波器，从 而得到正弦交流信号，滤波器的截止频率一般都是开关频率的 1/101/2，设定 SPWM 波的频率为 20K，则 f 定为 1.2kHZ，由公式 LC f 2 1 取电容 C=3.3uF，电容选择聚丙电容，得 L=4.7mH。 三、电路与程序设计三、电路与程序设计 1.1.推挽式隔离型直流变换电路推挽式隔离型直流变换电路 如图 3，电路由脉宽调制芯片 SG3525 产生带死区互补 PWM 波驱动 IRF3205，两个开关管经变压器初级绕组的中心端交替导通，每次导通时间小于 半个周期。次级整流二极管也轮流导通，交替经滤波电感向负载提供电流并向 电容充电。 图 3 推挽升压电路 2.2.逆变电路逆变电路 由于输出功率较大，达 100W 所以采用全桥逆变，如图 4 所示。利用 msp430g2553 产生的两路带死区互补的 SPWM 经 IR2110 驱动开关管 IRF740。IR2111 驱动功率器件，采用自举驱动方式，悬浮沟道设计使其能驱动 母线电压小于 600V 的功率管。它可以仅用一个供电电源来实现对全桥电路 4 个管子的驱动，避免了以往桥式驱动中多独立电源的麻烦，还可以和主电路共 地。 由于 MOS 管通常导通时间要小于截止时间，这样在交替导通的瞬间往往容 易发生桥路短路现象，改进的办法是在驱动臂上并联二极管 1N4148 来加速电流 回吸，以起到加速截止的作用，使 MOS 管的截止加快。为了防止 MOS 管在开关 的瞬间，尖锋电压导致 MOS 管被击穿，在桥路中加入了起缓冲嵌位作用的二极 管，电阻和电容。 vcc 1 in 2 com 3 lo 4 5 5 vs 6 HO 7 vb 8 *1 ir2111 vcc 1 in 2 com 3 lo 4 5 5 vs 6 HO 7 vb 8 *6 ir2111 1 2 P1供供供供供 2 1 3 *3 2 1 3 *7 2 1 3 *2 2 1 3 *5 15r R 9 R es2 10k R 11 R es2 15r R 10 R es2 10K R 12 R es2 15r R 14 R es2 10K R 16 R es2 15r R 13 R es2 10k R 15 R es2 D1 1N4007 D2 1N4007 10uF C 3 C ap Pol1 10uF C 8 C ap Pol1 1 2 P2 12v供供 220uF C 4 220uF C 9 1uF /400v C 5 C ap Pol1 1 2 3 P5 供供供 *4 供供供供 1uF /400v C 6 C ap Pol1 2uf/400v C 7 C ap Pol1 1 2 P4 Header 2 U1 Optoisolator1 4K7 R 3 R es2 1.5K R 4 R es2 200R R 5 R es2 1 J1 C ON1 1 2 P3 Header 2 1K R 2 R es2 1K R 1 R es2 1K R 8 R es2 1 32 U2 TL431 0.01uF C 1 C ap 0.1uF C 2 C ap 10K R 7 R es2 3k R 6 供供 图 4 逆变电路 3.3.保护电路保护电路 如图 5 所示，电流 1 在采样电阻上产生的电压经 LM358 放大 10 倍后于参考 电压比较，超过则输出低电平，向二极管迅速放电使#SID 信号被拉低，浮栅型 驱动器输出被关闭，向单片机报警。同时 I 变小，运放 1 脚输出高低平，5V 经 过 R23 对 C31 充电，经过一段时间达到 IR2111 的高电平门限，再次打开场效应 管。这样可以保证过流时迅速关断输出，关闭一段时间后自行试探，在故障消 除后自动恢复。 暂无 图 5 过流保护电路 4.4.辅助电源辅助电源 由于输入直流电压只有 12V，而给芯片供电需要 15V,5V,3.3V，需要多路输 出。如图 6 所示，采用反激式变换器再经过稳压芯片稳压，可以很好地隔离并 且使损耗较小。本设计中采用电流型脉宽调制芯片 sg3525 驱动 IRF3808 控制占 空比，经高频变压器和半波整流得到多路直流输出。 图 6 辅助电源 5.SPWM5.SPWM 产生程序产生程序 如图 7 所示为程序的流程图，利用 msp430g2553 产生双极性 SPWM 波，由 于单片机没有负压故需要对脉宽进行抬升到正轴以上。由于频率较高，所以利 用内部锁相环模块将系统时钟倍频到 50MHZ，利用定时中断按时到按正弦规律 变化的表中查询改变输出脉宽。 设置系统时钟 50MHZ 初始化PWM 初始化定时器 使能中断 等待 清除中断 查表改变占空比 n+,n=360? 将sin下标清零 同步输出PWM 中断返回 图 7 SPWM 波产生程序流程图 四、测试结果及分析四、测试结果及分析 1.1.测试方法与测试条件测试方法与测试条件 1.1 测试仪器 数字示波器 DS5062MAE；4 位半数字万用表 MY65；15M 数字信号源 RIGOL DG1011；双路可跟踪直流稳定电源 EM1715；OrCAD 10.5。 2.2.主要测试结果主要测试结果 2.1 隔离型直流变换器的测试 2.1.1 高频变压器原级波形如图 8 所示。 图 8 变压器原级波形 2.1.2 效率测试 占空比 （%） 输入电压 Ui（V） 输入电流 Ii(A) 输出电压 UO(V) 输出电流 IO(A) 效率 （%） 1411.91.141030.1070.81 33121.781940.0900.82 45121.962210.0850.798 2.2 SPWM 波的测试 将 msp430 产生的两路 SPWM 波形送入 IR2110 驱动全桥，用示波器测 IR2110 输出端 波形，如图 9 所示。 图 9 SPWM 波形 元件参数根据计算可知，L=4.7uH,C=2.2Uf.仿真波形如图 11 所示。 五、设计总结五、设计总结 为期近两个星期的电子设计结束了，这次我们设计的是逆变电源，主要是探讨其原理以 及实物的制作。一开始对这些觉得很困难，因为以往都是以课本理论知识为主，并未做 过太多实践，所以有点无从下手的感觉。不过，好在有很多资源可以利用。无论是网络还 是书籍都给了我们很大的帮助，让我们弄懂了很多以前不清楚的知识，从主电路设计，元 器件的参数计算到实物的焊接等都有了比较深刻的了解。 电子设计大赛虽然结束了，但通过这次电子设计大赛让我们学会了很多东西，对之前 的课程也有了更深入的了解，并且运用到实践中来，从理论到实践完成了一个很大的跨越。 当然也离不开老师的帮助与辅导，感谢老师的细心教导。 参考文献 1杨荫福等编著.电力电子装置及系统.北京:清华大学出版社,2006.9 2王兆安 刘进军主编. 电力电子技术. 北京:机械工业出版社,2009.5 3忠炎平主编.电力电子电路设计. 武汉:华中科技大学出版社,2010.4 4黄智伟编著.全国大学生电子设计竞赛系统设计. 北京:北京航空航天大学出 版社,2006.12 5黄争编著.2009 年全国大学生电子设计竞赛优秀作品选集. 上海:德州仪器半 导体技术（上海）有限公司大学部,2009.12 附件： SPWM 程序： #include char i; unsigned int j=1; int n=0; const int spwm=0, 5 , 10, 15, 20, 25, 29, 34, 39, 44, 49,54, 59, 64, 69, 73, 78, 83, 88, 93, 98, 102,107,112,117,121,126,131,136, 140, 145,150,155,159,164,168,173,178,182, 187, 191,196,200,205,209,214,218,223,227, 231, 236,240,244,249,253,257,261,265,270, 274, 278,282,286,290,294,298,302,306,310, 313, 317,321,325,328,332,336,339,343,347, 350, 354,357,360,364,367,370,374,377,380, 383, 387,390,393,396,399,402,405,407,410, 413, 416,418,421,424,426,429,431,434,436, 439, 441,443,446,448,450,452,454,456,458, 460, 462,464,466,467,469,471,472,474,476, 477, 478,480,481,483,484,485,486,487,488, 489, 490,491,492,493,494,495,495,496,497, 497, 498,498,498,499,499,499,500,500,500, 500, 500,500,500,500,500,499,499,499,498, 498, 498,497,497,496,495,495,494,493,492, 491, 490,489,488,487,486,485,484,483,481, 480, 478,477,476,474,472,471,469,467,466, 464, 462,460,458,456,454,452,450,448,446, 443, 441,439,436,434,431,429,426,424,421, 418, 416,413,410,407,405,402,399,396,393, 390, 387,383,380,377,374,370,367,364,360, 357, 354,350,347,343,339,336,332,328,325, 321, 317,313,310,306,302,298,294,290,286, 282, 278,274,270,265,261,257,253,249,244,