电装课设—1KVA单相逆变器—武汉理工大学

1、武汉理工大学摘要 电力电子装置（power electronic equipment）由各类电力电子电路组成的装置。用于大功率电能的变换和控制。又称变流装置。它包括整流器、逆变器、直流变流器、交流变流器、各类电源和开关、电机调速装置、直流输电装置、感应加热装置、无功补偿装置、电镀电解装置、家用电器变流装置等。 逆变器是一种 DC to AC 的变压器，它其实与转化器是一种电压逆变的过程。转换器是将电网的交流电压转变为稳定的 12V 直流输出，而逆变器是将Adapter 输出的 12V 直流电压转变为高频的高压交流电；两个部分同样都采用了目前用得比较多的脉宽调制（PWM）技术。其核心部分都是一个

2、 PWM 集成控制器，Adapter 用的是 UC3842，逆变器则采用 TL5001 芯片。TL5001 的工作电压范围 3.640V，其内部设有一个误差放大器，一个调节器、振荡器、有死区控制的 PWM 发生器、低压保护回路及短路保护回路等。 Altium Designer 是原 Protel 软件开发商 Altium 公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在 Windows XP 操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB 绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使

3、电路设计的质量和效率大大提高。 关键词：逆变器 Altium Designer 电力电子器件武汉理工大学目录1 逆变器设计原理概述.12 设计方案介绍与原理框图.22.1 设计要求 .22.2 电压型逆变器 .22.3 触发电路 .22.4 保护电路 .32.5 系统原理框图 .33.各电路模块设计.43.1 逆变电路的主电路设计 .43.2 驱动电路设计 .53.3 保护电路设计 .93.4 设计电路总图 .114 参数计算.124.1 开关管和二级管的选择 .124.2 并联电容的选取 .134.3 LC 滤波器的设计.134.4 开关管驱动信号的形成 .135 总结.14参考文献.15武

4、汉理工大学10.8KVA 单相逆变器设计1 逆变器设计原理概述逆变器（inverter，又称变流器、反流器，或称反用换流器、电压转换器）是一个利用高频电桥电路将直流电变换成交流电的电子器件，其目的与整流器相反。根据逆变器的电路形式与输出的交流信号，可分为半桥逆变器、全桥逆变器和三相桥式逆变器。半桥逆变器由两个开关串联组成，输出端位于两个开关的中点，由上下两个开关的开通、关断来决定输出的电压。半桥逆变器配合两个分压电容，可以输出双端之间的高频交流电。开关旁一般需要并联续流二极管，以便在感性负载时起到续流作用。半桥逆变器配合正负双电压源，可以输出双端的完全交流、含有直流分量的交流以及完全直流信号。

5、全桥逆变器由各含两个开关的两个桥臂连接成正方形组成，输出端的两端分别位于两组开关的中点，相当于取两个半桥的电压差，因此可以得到正负双向的交流输出。全桥逆变器可以不依赖外加器件，仅仅使用单电压源输出双端的完全交流、含有直流分量的交流以及完全直流信号。三相桥式逆变器类似于全桥逆变器，但它有三个桥臂，输出端的三端分别位于三组开关的中点，取两两之间的电压差就可以得到三相电所需的三个相电压。根据三组共六个开关的开通顺序，三相桥式逆变器可以得到一组幅值相等、频率相等的三相电信号。武汉理工大学22 设计方案介绍与原理框图设计方案介绍与原理框图2.1 设计要求输入直流电压：24V。设计容量为 0.8KVA 的

6、逆变器，要求达到：输出单相 220V 交流电，完成总体系统设计，完成总电路和电力电子器件电压和电流定额计算。2.2 电压型逆变器直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出电流波形和相位应为负载阻抗的情况不同而不同。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管，又称为续流二极管。2.3 触发电路脉宽调制式逆变触发电路 ，它不但能控制逆变器的输出频率，而且能控制输出电压和改善输

7、出电压的波形。在调制信号发生器的作用下，脉冲分配器在每个周期产生宽度可变的脉冲或脉冲列。脉冲输出器根据这些脉冲的宽度控制逆变器各功率开关的通断。调节这些脉冲的宽度，即可以调节逆变器的输出电压。在一个周期中，将脉冲列中各脉冲的宽度按正弦波规律调制，可以改善逆变器输出电压的波形。正弦波脉宽调制的逆变触发电路比较复杂。美国莫拉特公司 1980 年前后研制成功专门用作产生正弦脉宽调制信号的大规模集成电路HEF4752V。它将正弦脉宽调制触发器的主要功能(不包括脉冲输出器)集成在一块 18 平方毫米的硅片上，封装在双排 28 脚的外壳中。整个集成电路是全数字化的。大约包括 1500 个门电路。利用 HE

8、F4752V 构成的脉宽调制式触发电路武汉理工大学3特别适用于交流电动机变频调速系统。2.4 保护电路电力电子常用的保护有过流保护和过压保护。过电流保护在电力电子变换和控制系统运行不正常或发生故障时，可能发生过电流造成开关器件的永久性损坏，快速熔断器是电力电子变换器系统中常用的一种过电流保护措施。另一种方法是采用电流检测、比较、判断，在过流瞬间及时关断电路。过电压保护电力电子设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。过电压保护的基本原理是在瞬态过电压发生的时候（滋 s 或 ns 级），通过过电压检测电路进行检测

9、。过电压检测电路中主要的元件是压敏电阻。压敏电阻相当于很多串并联在一起的双向抑制二极管，起到电压箝位的作用。电压超过箝位电压时，压敏电阻导通；电压低于箝位电压时，压敏电阻截止。2.5 系统原理框图系统原理框图如下图 1 所示：图 1 系统原理框图武汉理工大学43.3.各电路模块设计各电路模块设计3.1 逆变电路的主电路设计在本次设计中，主要采用单相全桥式逆变电路作为设计的电路。电路结构图如下图 2 所示：图 2 单相全桥逆变电路主电路及升压结构图如上图 2 所示，单相全桥逆变电路主电路主要有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。其中桥臂 1、4 为一对，桥臂 2、3 为一对。每个桥臂有一个

10、可控器件 MOSFET 以及一个反并联的二极管组成。在直流侧接有足够大的电容，负载接在桥臂之间。它的具体工作过程如下：舍最初时刻 t1 时，给MOSFET Q1、Q4 触发信号，使其导通。则电流流过桥臂 1，负载。桥臂 4 构成一个导通回路。当 t2 时刻时，给 Q2、Q3 触发信号，给 Q1、Q4 关断信号。但由于负载电感较大，通过它的电流不能突变，所以二极管 D2，D3 导通进行续流。当电流逐渐减小为 0，桥臂 1、4 关断，桥臂 2、3 导通，构成一个回路，从而实现换流。武汉理工大学53.2 驱动电路设计MOSFET 是一种电压控制的单极性器件，它是由金属氧化物和半导体组成的场效应晶体管

11、，所以也叫绝缘栅型场效应管。应用 VMOSFET 工艺，生产出了大功率的产效应管，并在逆变电路中得到广泛应用。功率场效应管简称 VMOSFET,或 VMOS，作为开关器件，其常态是阻断状态，即 VMOS 都是增强型MOSFET。MOSFET 分为 N 沟道和 P 沟道两类。N 沟道 VMOS 的导通电流的方向是从漏极 D 到源极 S；P 沟道 MOS 的导通方向是从源极 S 到漏极 D。VMOS 管的工作原理是，源极 S 接零电位，漏极 D 接正电位，当栅极接正电压时，由于电荷感应，在 P 区感应出电子，电子的累积便形成 N 沟道。源极 S 和漏极D 之间便产生了电流。因此，栅极 G 上的电压

12、的大小，决定了源极 S 与漏极 D之间的电流大小。图 3 MOFET 结构图和电气图PWM 控制电路芯片 SG3524，是一种电压型开关电源集成控制器，具有输出限流，开关频率可调，误差放大，脉宽调制比较器和关断电路。SG3524 的工作原理如下所述：直流电源 VS 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+5 V 基准电压。+5 V 再送到内部（或外部）电路的其他元器件作为电源。振荡器脚 7 须外接电容 CT，脚 6 须外接电阻 RT。振荡器频率 f 由外接电阻 RT 和电容 CT 决定，f=1.18/RTCT。本设计将Boost 电路的开关频率定

13、为 10 kHz，取 CT=0.22 滋 F，RT=5 k 赘；逆变桥开关频率定为 5 kHz。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武汉理工大学6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差分放大器，脚 1 为其反相输入端；脚 2 为其同相输入端。通常，一个输入端连到脚 16 的基准电压的分压电阻上（应取得 2.5 V 的电压），另一个输入端接控制反馈信号电压。本系统电路图中，在 DC/DC 变换部分，G3524 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

14、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输入端。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 PWM 脉冲交替送至两个三极管 V1 及 V2 的基极，锯齿波的作用是加入了死区时间，保证 V1 及 V2 两个三极管不可能同时导通。最后，晶体管 V1 及 V2 分别输出脉冲宽度调制波，两者相位相差 180 毅。当 V1 及 V2 脉冲并联应用时，其输出脉冲的占空比为0%90%；当 V1 及 V2 分开使用时，输出脉冲的占空比为 0%45%，脉冲频率为振荡器

15、频率的 1/2。SG3524 引脚及内部结构图如下。SG3524 引脚结构如图 4 所示：图 4 SG3524 引脚图SG3524 内部结构图如图 5 所示：武汉理工大学7图 5 SG3524 内部结构图IR2117 是美国 IR 公司专为驱动单个 MOSFET 或 IGBT 而设计的栅极驱动器,它采用高压集成电路技术和无闩锁 CMOS 技术,并采用双直插式封装,可用于工作母线电压高达 600V 的系统中。其输入与标准的 CMOS 电平兼容,输出驱动特性可满足交叉导通时间最短的大电流驱动输出级的设计要求。其悬浮通道与自举技术的应用使其可直接用来驱动一个工作于母线电压高达 600V 的、在高边或

16、低端工作的 N 沟道 MOSFET 或 IGBT。IR2117 采用标准的双列直插式 DIR-8 或小型双列扁平表面安装 SOIC-8 封装形式,这两种封装形式的引脚排列相同,其引脚排列如图 6 所示：图 6 IR2117 引脚图IR21117 引脚说明如表 1 所示：武汉理工大学8表 1 IR2117 引脚说明引脚号符号名 称功能及用法1Vcc输入级工作电源端供电电源,抗干扰,该端应接一去耦网络到地2IN控制脉冲输入端直接按控制脉冲形成电路的输出3COM输入级地端及 Vcc 参考地端接供电电源 Vcc 地4,5NC空脚悬空6Vs输出级参考地端接被驱动的 MOSFET 源极或 IGBT 射极及

17、负载端7HO驱动脉冲输出端通过一电阻接被驱动的 MOSFET 或IGBY 的栅极8VB输出级工作电源端（高边悬浮电源端）当 VB 与 Vcc 使用独立电源时,接用户提供的电源,此时 VB 的参考地为VS 而 Vcc 的参考地为 COM。在两电源之间,电位应隔离。当 VB 与 Vcc利用自举技术产生时,此端分别通过一电容及二极管接 VS 及 VccIR2117 内部结构及原理说明:图 7 IR2117 内部结构IR2117 的内部结构及工作原理框图如图 7 所示。它在内部集成有一个施密特触发器,一个脉冲增益电路,两个欠压检测及保护电路,一个电平移武汉理工大学9位网络,一个与非门,一个由两个 MO

18、SFET 组成的互补功放输出级、一个 RS触发器以及一个脉冲滤波器共九个单元电路。驱动电路总体设计如图 8 所示图 8 驱动电路模块3.3 保护电路设计保护电路分为欠压保护和过流保护。 欠压保护电路如图 9 所示，它监测蓄电池的电压状况，如果蓄电池电压低于预设值，保护电路开始工作，使控制器 SG3524 的脚 10 关断端输出高电平，停止驱动信号输出。图 9 中运算放大器的正向输入端的电压由 R1 和 R3 分压得到，而反向输入端的电压由稳压管箝位在7.5V，正常工作的时候，由三极管 V 导通，IR2117输出驱动信号，驱动晶闸管正常工作，实现逆变电源的设计。当蓄电池的电压下降超过预定值后，运

19、算放大器开始工作，输出跳转为负，LED 灯亮，同时三武汉理工大学10级管 V 截止，向 SG3524 的 SD 端输出高电平，封锁 IR2117 的输出驱动信号。此时没有逆变电压的输出。图 9 欠压保护电路 过流保护电路如图 10 所示，它监测输出电流状况，预设为 1.5A。方波逆变器的输出电流经过采样进入运算放大器的反向输入端，当输出电流大于1.5A 后，运算放大器的输出端跳转为负，经过 CD4011 组成的 RS 触发器后，使三级管 V1 基级的信号为低电平，三级管截止，向 IR2117 的 SD1 端输出高电平，达到保护的目的。图 10 过电流保护电路武汉理工大学113.4 设计电路总图

20、逆变器设计总图如图 11 所示：图 11 逆变器设计总图 如图所示为触发电路与主电路相连后的效果图，图中场效应管在触发电路的触发下，将直流输入电压转换为交流输出，再由变压器将电压的幅值以及频率变换到所需要的值，以供用电器正常工作使用武汉理工大学124 4 参数计算参数计算在电路中输入为 VD=24V DC，输出为 220 V,功率因数为 1，则各电路元件选取如下。4.1 开关管和二级管的选择开关管的选择，最大输出情况下，电流有效值为： maxP800I=3.64AV*cos220V*1开关管额定电流CEmaxI1.5*1.5*3.645.46I 开关管额定电压 CERMV2*V =2*24=4

21、8二级管的选择额定电压RRMV24V最大允许的均方根正向电流FmsFRFRI=I=1.57I2二级管的额定电流为maxFRI3.64I=2.321.571.57武汉理工大学13220* 2220* 212.9624dMV4.2 并联电容的选取在功率因数为 1 的情况下，等效的滤波电路的负载电阻为22dLV24R =0.72P800周期为1/1/500.02Tfs电容为24*/4*0.02/0.720.11LCT R4.3 LC 滤波器的设计 最低次谐波为 2P-1 次，最低次谐波的频率为：(2*200 1)*5019950fHz 以选 1/10 为例，选滤波电感为 1mH,则电容为 2-3101111C=*=*=6.36FL2*19951*101.57*104.4 开关管驱动信号的形成载波比 N 和调制比 M 的选择选取 N=200 则调制比 M 的选择选取正弦波的幅值 Vrm=5V,则三角波幅值为 Vcm