单相正弦脉宽调制逆变器的设计

1、单相正弦脉宽调制逆变器的设计朱代祥，张代润，彭协华（四川大学电气信息学院，四川 成都60065摘 要:论述了单相正弦波逆变器的工作原理,介绍了S32!的功能及产生SPM波的方法,对逆 变器的控制及保护电路作了详细的介绍，给出了输出电压波形的实验结果。关键词：逆变器；正弦波脉宽调制9;场效应管Desig n of Sin gle-phase Sin uous Pulse Width Modulati on In verterFor pers onal use only in study and research; not for commercial useZHU Dai xiang, ZHAN

2、G Dai run, PENG Xie hua(Sichuan Un iversity, Che ngdu Sichuan 610065 Chi na)Abstract: The prin ciple of sin glephase sin uous pulse width modulati on in verteris described. The fun cti ons of device SG3524 and a method to produce SPWM waveforms bypulse width modulation device SG3524are introduced.Th

3、econtrol and protectioncircuitsof the in vertor are in troduced in detail, and experime ntal results of output voltagewaveforms are prese nted.Keywords: inverter; SPWM; MOSFET0引言当铁路、冶金等行业的一些大功率非线性用电设备运行时，将给电网注入大量的谐波，导致电 网电压波形畸变。根据我们的实验观察，在发生严重畸变时，电压会出现正负半波不对称，频率 也会发生变化。这样的供电电压波形，即使是一般的电力用户，也难以接受，更无法

4、用其作为检 修、测试的电源。同时，在这种情况下，一般的稳压电源也难以达到满意的稳压效果。为此，我 们设计了该逆变电源。其控制电路采用了2片集成脉宽调制电路芯片S3524 片用来产生PW波，片与正弦函数发生芯片IC8038做适当的连接来产生SW波。集成芯片比分立元器件控制电路具有更简单、更可靠的特点和易于调试的优点1系统结构及框图图1示出了系统主电路和控制电路框图。交流输入电压经过共模抑制环节后，再经工频变压器降玉，然后整流得到一个直流电压，此电压经过BoS电路进行升压，在直流环上得到一个符合要求的直流电压350V（50H/220V交流俞出时）。D/A变换采用全桥变换电路。为保证系统可靠运行防止

5、主电路对控制电路的干扰，采用主、控电路完全隔离的方法，即驱动信号用光耦隔离，反馈信号用变压器隔离，辅助电源用变压器隔离。过流保护电路采用电流互感器作为电流检测元件,其具有足够快的响应速度，能够在MS管允许的过流时间内将其关断。卩ri ：*Hl申* *审 * 丈* *i U - I 4 kkTS t. 'W W".IX M -wBl i霜吧札电幣扫抠狀乜韓it岀2控制及保护电路为了降低成本，使用两块集成FW永冲产生芯片SG524和一块函数芯片使得控制电路简洁，易于调试。21 83624的功能及引脚图2所示为3G524的结构框图和弓脚图。r|J T；3524曲都粧罔启2SG152

6、4引曲及内刑幢圧S3524工作过程是这羊的：直流电源S从脚15接入后分两路,一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的+5VS准电压。+5V再送至胸部（或外部）电路的其他元器件作为电源。振荡器脚7须夕險电容CT,脚6须夕肢电阻R。振荡器频率f由夕險电阻F和电容决定，f=1.18/FTT本设计将Bodt电路的开关频率定为10khZ,取CO22yF, F=5kQ;逆变桥开关频率定为5kH,取C022讦，F=10kQo振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相端，比较器的反向端接误差放大器的输出。误差放大器实际上是个差分

7、放大器,脚1为其反向输入端；脚2为其同相输入端。通常，一个输 入端连至至脚6的基准电压的分压电阻上（应取得25V勺电压），另一个输入端接控制反馈信号电 压。本系统电路图中，在D/D变换部分,SG524 1芯片的脚1接控制反馈信号电压，脚2接在基准 电压的分压电阻上。误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较,从而在比较器的输出 端出现一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲,再将此方波脉冲送到或非门的一 个俞入端。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。双稳态触发器的两个输 出端互补,交替输出高低电平,其作用是将FW永冲交替送至两个三极管VSV勺基极,锯齿波的作 用是

8、加入了死区时间，保证1及2两个三极管不可能同时导通。最后，晶体管VSV分别输出脉冲 宽度调制波,两者相位相差180 o当V1及V并联应用时，其输出脉冲的占空比为0%90%;当VI 及2分开使用时,输出脉冲的占空比为0%45%,脉冲频率为振荡器频率的1/2,在本系统电路图（图1） 中,两块S352!都为并联使用。当脚10加高电平时，可实现对输出脉7中的封锁，进行过流保护。2 2利用SG524生成SW言号按照上述S3524的工作原理，要得至USPM波，必须得有一个幅值在135V按正弦规律变化的馒头波，将它加到33522内部,并与锯齿波比较，就可得到正弦脉宽调制波。我们设计的控制电路框图，以及实际电

9、路各点的波形，如图3所示。正弦波电压旧由函数发生器I由R, R和C来决定，-为了调试方便，我们将R及F都用可调电阻，R2和R是用来调整正弦波失真度用的。在实验中我们测得当f=0HZ时，R+R9 7kQ,其中C022卩F正弦波信号 产生后，一路经过精密全波整流，得到馒头波uc,另一路经过比较器得到与正弦波同频率，同相 位的方波Ub ic与1V基准经过加法器后得到ud, ud输入至33522的脚1,脚2与脚9相连，这样ud 和锯齿波将在3352-2内部的比较器进行比较产生SW波ue分相电路用一块二输入与门7L08和 一块单输入非门74S5所组成。Ub和£力倒分相电路后就可以得到驱动信号U

10、f和ug,再将f和ug 力倒MS管驱动电路的光耦原边，就可以实现正弦脉宽调制。2 3驱动电路设计设计的驱动电路如图5所示，它由驱动脉冲放大和5V基准两部分组成。脉7冲放大包括光耦V1, R和R,中间级的VT,推挽输出电路V和V3对高频干扰信号进行滤波的C； 5V基准部分包括R, V1 和G,它既为MS管提供5V的偏置电压，又为输入光耦提供副边电源。其工作原理是： 1当光耦原边有控制电路的驱动脉冲电流流过时，光耦导通，使V1基极电位迅速下降,V截止,导致导通，V截止，电源通过V,栅极电阻R使MS管导通；2当光耦原边无控制电路的驱动脉冲电流流过时，光耦不导通，使V1基极电位上升，V导通,导致V导通

11、,V截止, MS管栅极电荷通过V,栅极电阻5迅速放电，5V偏置电压使之可靠地关断;JCTJ103N同匕止號网偸丐也生屈5和“、讨贾动屯绥嫌疋由3）电阻F5和稳压管V, V用以保护MS管栅极不被过高的正、反向电压所损坏；4光耦V1采用组合光敏管型光耦6NB,具有光敏二极管响应速度快，线性特性好，电流传输大的优点，能满足实验的要求。2 4过流保护电路过流保护是利用SG3524的脚10加高电平封锁脉冲输出的功能。当脚10为高电平时，SG3524 的脚11及脚14上输出的脉宽调制脉冲就会立即消失而 成为零。过流信号取自电流互感器（对SG3524-2芯片串接 在工频变压器的副边，对SG3524-2芯片串

12、接在滤波电路 前），经整流后得到电流信号加至如图6所示过流保护 电路上。过流信号加至电压比较器LM339的同相端。当过 流信号使同相端电平比反相端参考电平高时，比较器 将输出高电平，则二极管D2将从原来的反向偏置状态转 变为正向导通，并把同相端电位提升为高电平，这一变 化将使得电压比较器一直稳定输出高电平封锁脉冲， 则Boost电路停止工作，在正常状态下，比较器输出零电 平，不影响Boost电路工作。禺6 吐減僅护电觀25反馈调压电路反馈调压电路图如图7所示。当逆变器正常工作时，逆变器的输出信号接反馈变压器，其二次 电压经整流，滤波，分压得到反馈电压Uo，显然，Uo的大小正比于逆变器 的输出电

13、压。调节W1可调节负反馈电压的大小，从而调 节逆变器输出电压的幅值。Uo控制信号被送到SG3524-1芯片的误 差放大器的反相端脚1 o误差放大器的同相端脚2接参 考电平。这样，SG3524的输出脉冲的占空比就受到反馈 信号的控制。调节过程是这样的，当逆变器输出因突加 负 载而降 低时，它会 使加在SG3524-1的脚1的输入反馈电压下降，这会导 致SG3524-1输出脉?中占空比增加，从而使得Bot电路输出电压升高，逆变桥的直流电压升高， 逆变器输出交流电压升高。反之亦然。可见，正是通过SG3524-1的脉宽调制组件的控制作用， 实现了整个逆变器的输出自动稳压调节功能。3逆变器的实验结果按本

14、设计的SPV逆变器方案试制了样机，其额定输出功率为0W滤波器参数取L0 7mH C5 口F滤波效果较好，样机的输出电压如图8所示。从直观看，电压波形正弦度较好（因条件所限,尚未测试TD。用此样机带负载运行,效果较好。实验表明,本文提出的系统方案是切实可行的,可以用在铁路、冶金等大功率非线性用电设备附近，作为对电网输入电压要求较高的一类负载（如佥修、测试设备）的电源。另外，为了满足客户的要求，本电路还可以提供00H/1DV的正弦电源。参考文献1童诗白模拟电子技术基础（M.北京：高等教育出版社，19892李宏电力电子设备用器件与集成电路应用指南皿北京：机械工业出版社，2001.3黄俊，王兆安.电力电子变流技术皿北京：机械工业出版社，1974卢宏，梁任秋，戴忠达.IGT驱动保护与应用技术J.电力电子技术，1903, 27：15仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziel