恒压恒频正弦波逆变电源设计方案

1、恒压恒频正弦波逆变电源 设计方案1 主电路单相 CVCF逆变电源先将交流电整流为直流电，再通过输入逆变电路逆变成 交流电，然后用变压器降压；再进行 SPWM调节，使输出为 110V正弦波电压。输 入逆变电路控制采用专用芯片，输出逆变电路 SPWM控制及逆变电源的各种保护 采用单片机控制。当蓄电池的电压过高或过低时逆变电源将停止工作并灯光指示 报警，保护逆变电源和蓄电池； 当蓄电池的电压在正常围波动时， 输出电压不变； 当输出电流过大时，单片机将停止 SPWM输出，保护电源的器件。1.1 整流电路整流电路采用桥式整流电路桥式整流电路如图 1-1 所示。本电路中只要增加两只二极管口连接成桥式结构，

2、便具有全波整流电路的优点， 而同时在一定程度上克服了它的缺点图 1-1 桥式整流电路原理图该整流电路中， 交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载， 所以该电路为全波整流。在输入电压一个周期，整流电压波形脉动两次。 整流电压平均值为 Um t 0.9 220 198V 二极管承受的最大正向电压为 2U2 155.6V2承受的反向电压为 2U 2 312V要使整流后电压连续需满足 wRC 3，不妨取 C=9.4mF ，R=10w LC 越大，则谐波越小，本设计取 L 1mH1.2 逆变电路采用全桥逆变电路。 此电路有四只开关管， 需要两组相位相反的驱动脉冲分 别控制两对开关管， 难免导致驱动电

3、路复杂。 控制虽相对复杂， 但电压利用率较 高，在单相逆变中应用广泛，可实现各种控制电路。如图 1-2 ：图 1 2 全桥逆变电路输出原边部分电阻电容参数 R, L ，为了使电路损耗较小 R 尽量取得小， 取 R 1， L 1mH逆变器原边输出电压 U1 mUd 198 0.8 158.4V要得到电压 U2 70V ，则有变压器变比 k 158.4 2.262 70得到正弦波幅值 U 2max 70 2V 100V取 R 6 ，L=3.6H 得到功率为 700W2 SPWM控制电路设计2.1 SPWM波的基本原理SPWM调制主要是用于逆变器中实现幅度和频率可调的正弦波电压，是在逆 变器输出交流

4、电能的一个周期， 将直流电能斩成幅值相等而宽度根据正弦规律变 化的脉冲序列。 该脉冲序列的宽度是随正弦波幅值变化的离散脉冲， 经过滤波后 得到正弦波交流电能。如图 2-1 ，三角波为载波，正弦波为调制波即为期望输出 正弦波，通过比较器将正弦调制波与三角载波进行比较， 用比较后的脉冲波形去 触发不同的开关管，即可得到一个 SPWM波形。三角载波比较器SPWM正弦调制波图 2-1 SPWM 调制示意图SPWM脉冲电压具有与理想正弦电压相一致的基波分量，而且最低次谐波的频率可以提高到 SPWM调制频率， 即开关频率附近。 因此，当开关频率足够高时，只需要用较小的滤波器就能将其中的谐波滤除掉。此外，只

5、需改变SPWM脉冲宽度，就可以平滑地调节输出电压的基波幅值。 采用了 SPWM技术的逆变器即为 SPWM 逆变器，它在波形质量和控制性能上相对方波型逆变器有了巨大的进步。Um图 2-2 与正弦波等效的矩形脉冲序列波形全桥逆变器的控制脉冲按调制方式可分为单极性 SPW，M单极性倍频 SPWM和 双极性 SPWM三 种。 单极性 SPWM的 输出电压只能在 0 到 Ud 或 0 到-Ud 之间变 化，没有极性的交替，双极性 SPWM的 输出电压则可以在 Ud 到-Ud 之间变化， 变化幅度是单极性的两倍， 在开关切换时， 负载端电压极性非正即负， 电流变化 率较大，对外部干扰较强，故一般较少使用。

6、单极性倍频 SPWM调 制方式由于比 单极性 SPWM多一组相位相差 180 度的三角载波进行比较， 它能够在开关频率不 变的情况下， 使一个周期正弦波包含的矩形脉冲数“加倍”， 从而有利于减小逆 变输出谐波。本课程设计 SPWM模块的具体电路模型如图 2-3 所示图 2-3 SPWM产生模块电路其中载波频率为 10KHZ ，调制比为 0.8 。2.2 基于 DSP实现 SPWM当负载为线性时， 传统的比较器， 专用集成电路， 单片机等产生 SPWM波 形 的方法应用于逆变器中实现幅度和频率可调的正弦波电压， 效果勉强可以。 但是 当该逆变器带非线性负载时， 电压将发生严重畸变， 谐波含量增加

7、， 严重影响负 载的正常工作。运用 DSP我们方便的实现频率很高的 SPWM控制信号，从而减小 滤波器的尺寸，更好地滤除输出电压中含有的谐波。 而且 DSP完全有可能用于逆 变器中实现输出电压进行逐点的控制。本文使用 DSP来实现 SPW。M2.2.1 SPWM 波生成方法脉冲波的产生主要由脉冲调宽芯片 SG3525A来完成。根据芯片 SG3525A的使 用原理，先由集成函数发生芯片 ICL8038 产生 50HZ的正弦波信号，该正弦波分 两路输出。因为 SG3525A部的锯齿波幅度位于 1V至 3.3V 之间，因而产生的正弦 波一路经相应的处理后将其幅值调整至 1V至 3V之间，然后输入以

8、SG3525A，在 芯片部通过与锯齿波比较产生高频的正弦波调宽脉冲。 锯齿波的频率由芯片外接 的震荡电阻和震荡电容决定，通常设置为几十 KHZ。而另一路正弦波则经过处理 转化为 50HZ的方波作为基准信号，该基准信号与 SG3525A产生的高频正弦波调 宽脉冲输入与门芯片，最后将与门的输出信号输入两片场效应管专用驱动芯片 IR2110，再由 IR2110 输出高频的调宽脉冲以控制四个场效应管的交替导通，输 出的电压在经过 LC工频滤波后便可输出稳定的准正弦波供负载使用。2.3 PI 调节器的设计在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分控制，简称 PI 控制，又称 PI 调节。PI

9、 控制器问世至今已有近 70 年历史，它 以其结构简单、 稳定性好、 工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的 结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术 难以采用时， 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定， 这时应 用 PI 控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象， 或 不能通 过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PI 控制技术。其传递函数 Ws Kp Ki ，本设计采用 K p 100, K i 0.1s3 电路设计3.1 全桥逆变电路设计本文选用单相全桥电路结构，如图 3-1 所示。由于开关管在开通

10、和关断过程中可能承受瞬时过压， 过流，这种过大的电压， 电流变化率， 会使开关管的工作点超过安全工作区而引起器件的损坏， 为了防止 这种现象， 给开关管设置缓冲电路显得犹为重要。 缓冲电路不仅可以减小开关损 耗，保证器件处于安全工作区， 减少开关过程中过大的电压电流变化率带来的电 磁干扰，还可以维持串联开关管的电压平衡。图 3-1 逆变电桥3.2 原件参数计算整流器额定电压的确定： 整流器的额定电压应为最高输入电压有效值 3 倍以 上，其原因是电网中存在瞬态过电压， 通常输出电压 85265V，所以应选择 600V 以上耐压的整流器或二极管。通常将输入电流峰值与有效值的比值称为波形系数，在交流

11、 220V 输入整流 器直接整流时，这个波形系数约为 2.6 ，大于正弦波。整流器输出电流有效值与 平均值之比为 22.2 ，大于正弦波 1.1 ，峰值电流与平均值之比约为 5.56。因 此，在选择整流器的额定电流时，整流器的额定电流应为输出电流的 310 倍。所以选择:5A/700V 整流桥。无极性电容 C 的确定：为了供给逆变平滑的直流电压， 必须在输入整流电路 和逆变器之间加入滤波电容， 以减小整流输出后直流电的交流成分。 滤波电容一 般采用电解电容器，因其滤波电解电容器自身串联等效电阻 (R) 和串联等效电感 (L) 的存在直接影响滤波效果，所以在电解电容 C 两端并联高频无极性电容

12、C， 使高频交流分量从 C 过。去高频干扰电容 C 其电容量较难确定， 因高频干扰包括电网的干扰， 也包括 电源的干扰，通常可选取 C=2(15%) F 或该数量级其他电容，只要电容 C的耐 压峰值满足即可，耐压峰值电压 Up=600V(取 2 F /630V) 。滤波电容器在输入电压为 220 (1 20%)V 或输入电压为 85265V 时的最高 整流输出电压可以达到 370V，因此应选择不小于 400V的电解电容器。滤波电容器为限制整流滤波输出电压纹波，正确选择电容量是非常重要的。 通常滤波电容器的电容量在输入电压为 220 (1 20%)V 时，按输出功率选择为： 不低于 1uF/W(

13、即大于或等于 1uF/W)。计算依据：当220 (1 20%)V 交流输入最低时，整流输出电压最低值不低于200V，同一输入电压下的整流滤波输出电压约为 10ms ，电压差为 40V，每半个 周期( 10ms)，整流器导电时间约 2ms，其余 8ms为滤波电容器放电时间，承担向负载提供全部电流，即：滤波电容的确定为 Cin1I0 t。I 0 为负载电流( A)，t 为电容提供电流时间 (s) ； V 为所允许峰值纹波电压 (V)I0 8 10 3 6C 0 200I0 10 6 40 0P0 U 0I0 200I0P0 P0I00 U 0 200由上式计算得的电容。C为C P0 10 6 ，即

14、1uF W ，实际选用标称值为 220uF 450V3.3 LC 滤波电路电路设计3.3.1 滤波电路及原理逆变出来的交流还需要经过LC滤波后波形才会使波形更接近标准正弦波图 3-2 滤波电路G(s) UUo(ss)Ui(s)SPWM调制本身的特性决定着逆变器的输出电压中含有较多的高次谐波分 量，因而必须在逆变器的输出侧加低通滤波器来减小谐波含量，以得到 50Hz 标 准正弦波。 当阻性负载突然变为感性负载时， 滤波电感电流可能会突变， 为防止 电感电流突变，因滤波电容和负载并联，它可以补偿感性电流，因此，在设计滤 波电路时，在额定负载下，滤波电容要补偿一定的感性无功电流。但是，滤波电 容过大

15、，反而会增加变压器的负担， 通常我们设计的基本原则就是在额定负载时， 使容性电流补偿一半的感性电流。滤波电容 C 的作用是和滤波电感一起 用来滤除电压中的高次谐波，电容 C 大，则输出纹波小，但是电容 C 增大的同时，逆变器的无功电流也要增大，从而 增加了逆变器的电流容量， 使系统效率降低。 滤波电容的选择原则是在保证输出 波形较好的情况下，取值尽量小。由于滤波器输出调制波形中的高次谐波主要将在滤波电感两端， 故增加滤波 器电感量可以更好的抑制低次谐波， 减小输出电流的脉动量。 滤波电感越大， 电 感电流变化越慢，动态时间越长，波形畸变越严重。故电感的取值，应综合考虑 其稳态与动态性能。3.3

16、.2 参数计算本系统采用双极性 SPWM控制，为使输出不失真，综合考虑各种条件，要准 确计算正弦波逆变器 LC 滤波器的参数确实是件繁琐的事， 这里借鉴一套近似的 简便计算方法 17 ，在实际的检验中也证明是可行的。我的想法是 SPWM的 滤波电 感和正激类的开关电源的输出滤波电感类似，只是 SPWM的 脉宽是变化的，滤波 后的电压是正弦波不是直流电压。 如果在半个正弦周期我们按电感纹波电流最大 的一点来计算是可行的。下面以输出先引入以下几个物理量：U dc ：输入逆变 H 桥的电压有效值为 198V；U o ：输出电压有效值为 110V；D ： SPWM载 波的占空比，是按正弦规律不断变化的

17、；fsw： SPWM的 开关频率，以 1080Hz 为例；I o ：输出电流，电感的峰值电流约为 1.4 Io ；Ton ：开关管的导通时间，实际是按正弦规律不断变化的；L ： LC 滤波器所需的电感量；R ：逆变器的负载电阻。于是有：TonL(U dc Uo1.4I oDU o U dcTonD f sw Uo (U dc ? fsw )IoU o R综合以上式可知：L(U dc Uo)U o R(1 Uo U dc)1.4Io U dcfsw 1.4 fsw本电路是一台输出功率 1000W的逆变器，假设最小负载为满载的 15%，则：从LR(1 Uo Udc )1.4fsw22021000

18、15%可以看出，Uo322.5U dc 的瞬间 L=0，不需要电感； Uo 越小需要的 L越大，我们可以折中取当 U o =0.5 U dc时的L 470nH确定了滤波电感我们就可以确定滤波电容 C 了，滤波电容 C 的确定相对就比较容易，基本就按滤波器的截止频率为基波的5-10 倍计算就可以了。其计算公式为：f 1 2 LC3.4 辅助电源设计逆变器除了功率变换回路外，还包含了小信号部分的供电，例如PWM信 号芯片的 12V 供电，运放的单电源或双电源供电，单片机的 5V 或 3.3V 供电等。 对上述电路提供一个稳定的纯净的电源供电在逆变器中也显得很重要 18,19 。对于 12V 电池供

19、电的逆变器， 一般经过一级 RC 滤波给 PWM芯 片如 STC12， IR2110 等供电即可。需要注意的是 R 的压降控制在 0.5V1V 比较合适，因为一 般 PWM芯 片最低工作电压在 8V 左右，为了使电池在 10V 电压时还能工作， R 上 的压降不能过大。还有 PWM芯 片供电电压过低容易引起不工作或对功率 MOS管 驱动不足。在要求比较高的情况下可以先把 1015V 的电池电压升压到 15V，再 用 L7812 降压到稳定的 12V 给 PWM芯 片供电，电路如图 3-5 所示：U?BT D?78 12图 3-5 辅助电源电路上图中 BT 为来自 12V 电池，电压变动围为 1

20、0-15V。采用了 MC34063单 片DCDC芯片比较简单经济地实现了上述功能3.5 区时间的设置死区时间设置电路最好用硬件电路实现为好。通常也可以采用两种实现方 式，通过逻辑电路延迟实现死区时间的设置， 也可以采用比较器电路通过延迟实 现死区时间的设置。对于标准电平的 IGBT，在一般的情况下死区时间应选择小于 1 s ，在本试 题的解决方案中，考虑到种种因素，驱动 IGBT 的速度可能不需要很高，因此， 死区时间也应设置的大一些， 如选择 23 s 。每个桥臂的上下两组驱动信号的死 区设置电路可以用两种电路方式实现， 通过逻辑电路延迟实现死区时间的设置和 采用比较器电路通过延迟实现死区时

21、间 20 的设置。每个上下桥臂的带有死区时间 的驱动信号对应的时序如图 3-6 。tdtdtdt dtd图 3-6 每个上下桥臂的带有死区时间的驱动信号对应的时序图中， A、 A、vH1N1、vL1N1、td 分别为高边脉宽调制输出、低边脉宽调制 输出、驱动电路高边输入、 驱动电路低边输入、 死区时间。 通过死区时间的设置， 保证了在“死区时间”，高、低边驱动信号均为零，确保消除共同导通现象。4 电路仿真与分析4.1 仿真软件的介绍MATLAB是 一个功能强大的常用数学软件 , 它不但可以解决数学中的数值计 算问题 , 还可以解决符号演算问题 , 并且能够方便地绘出各种函数图形。 。由于 MA

22、TLAB带有一些强大的具有特殊功能的工具箱，而且随着近年来它的版本不断 升级，所含的工具箱功能越来越丰富，工具越来越多，应用围也越来越广，涵盖 了当今几乎所有的工业、电子、医疗、建筑等各领域， MATLAB自 1984 年由美国 的 MathWorks 公司推向市场以来， 历经十几年的发展和竞争， 现已成为国际最优 秀的科技应用软件之一。Simulink 提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、容丰富的模块库， 为系统的仿真提供了极大便利。 在 Simulink 平台上，拖拉和连接典型模块就可 以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真。在 Simulink 平台上仿真模型 的可读性很强， 这

23、就避免了在 MATLAB 窗口使用 MATLAB 命令和函数仿真时， 需 要熟悉记忆大量 M 函数的麻烦，对广大工程技术人员来说，这无疑是最好的福 音。MATLAB已 经不再是单纯的 矩阵实验室 了，它已经成为一个高级计算 和仿 真平台。Simulink 原本是为控制系统的仿真而建立的工具箱，在使用中易编程、易 拓展，并且可以解决 MATLAB不 易解决的非线性、变系数等问题。它能支持连续 系统和离散系统的仿真， 支持连续离散混合系统的仿真， 也支持线性和非线性系 统的仿真，并且支持多种采样频率 (Multirate) 系统的仿真，也就是不同的系统 能以不同的采样频率组合，这样就可以仿真较大、

24、较复杂的系统。因此，各科学 领域根据自己的仿真需要，以 MATLAB为基础，开发了大量的专用仿真程序，并 把这些程序以模块的形式都放人 Simulink 中，形成了模块库。 Simulink 的模块 库实际上就是用 MATLAB 基本语句编写的子程序集。在此次的课程设计中主要应用的是 MATLAB中电力电子中元件仿真功能，通过示波器观察相应的波形，从而完成示 CVCF逆变电源的电路设计4.2 CVCF 逆变电路的仿真首先完成电路的开环的设计， 再在开环的基础上加上电压反馈得到相应的波 形，然后再将两者得到的波形相比较。4.2.1 电路设计图 4-1 为电路的开环电路图。图 4-1 开环电路仿真图把图 4-1 中的输出电压反馈给 SPWM控制电路， 并且经过 PI 调节器， 形成闭环电路如下 图 4-2 所示。图 4-2 闭环控制电路4.2.2 输出结果仿真并分析图 4-3 为输入 220V/50Hz 的电压波形和整流后的波形。图 4-3 输入电压波形和整流波形将图 4-3 中的电路部分放大可以观察相应的幅值， 整流后的直流波形可以得到， 输出的 电压为 314V。图 4-4 为三角波和正弦波形比较得到相应SPWM波形。其中上图中上下两个波形分别是两个互补的