新型逆变电源电路的设计与实现

1、学校代码：11517学 号：200807111142HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING毕业设计（论文）河南工程学院论文版权使用授权书本人完全了解河南工程学院关于收集、 保存、使用学位论文的规定， 同意如下各 项内容：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存论文的印刷本和 电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录 检索以及提供本论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门 或者机构送交论文的复印件和电子版； 在不以赢利为目的的前提下， 学校可以适当复 制论文的部分或全部内容用于学术活动。论文作者签名：20

2、12 年 月 日河南工程学院毕业设计 （论文 ）原创性声明本人郑重声明： 所呈交的论文， 是本人在指导教师指导下， 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的 其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任由 本人承担。论文作者签名：2012 年 月 日目录摘要Ill.ABSTRACTIV第一章绪论1.1.1 逆变器及其应用 1.1.2逆变技术发展过程与现状 1.第二章逆变电路 4.2.1逆变电路工作原理 4.2.2换流方式4.2.2.1

3、 器件换流5.2.2.2 电网换流5.负载换流5.强迫换流6.2.3.电压型逆变器和电流型逆变器 6电压型逆变电路 7.2.3.2 电流型逆变电路 13第三章逆变电源PWM控制策略 203.1 PWM 原理203.2 PWM脉宽调制技术20第四章逆变电源硬件电路设计 224.1逆变电源的技术性能指标及主要特点 224.2 DC/DC变换电路224.2 .1KA7500B电流模式PWM控制器224.2.2 DC/DC 变换电路234.3输入过压保护电路 254.4输出过压保护电路264.5 DC/AC变换电路24.6 KA7500B 外围电路294.6.1 芯片I夕卜围电路29芯片II外围电路2

4、9该逆变电源的整机电路原理图（附录）30结束语30.致谢31.参考文献32附录 整机原理图 35新型逆变电源电路的设计与实现摘要随着社会的发展，节能减排成为构建和谐社会的主体。 把多余的电能存储起来，待 需要之时再释放利用是节省能源的主要措施。 存储的电能只能是直流电，现实生活中用 的大都是交流电，相应地逆变器的开发设计也就成了目前必须解决的课题。目前逆变电源存在着许多缺点和不足， 如高频化，谐波的治理，功率因数的提高等 都有待进一步的提高。本设计提出了一种低成本的新型逆变电源电路的原理和设计方 案,充分运用芯片KA7500的固定频率脉冲宽度调制的功能组成推挽式升压电路和场效 应管（N沟道增强

5、型MOSFET）的无二次击穿、开关速度快、热稳定性好的优点而组 合设计的电路。工作时，持续输出功率为 100W左右，具有工作正常指示灯、输出过压 保护、输入过压保护以及过热保护等功能。该电源体积小，实用性强，制造成本低廉， 可用作多种便携式电器通用的电源。关键词 逆变电源/过热保护/过压保护/振荡频率/集成电路NEW TYPE INVERTER POWER SUPPLYCIRCUIT DESIGN AND IMPLEMENTATIONABSTRACTWith the social developme nt, en ergy con servati on has become the main

6、body of build ing a harm onious society. The excess en ergy is stored, to be released whe n n eeded use of en ergy-sav ing measures. The stored en ergy can only be mostly AC, DC, using the real-life subject of the developme nt and desig n of the corresp onding inv erter will become the curre nt that

7、 must be addressed.Power in verter has many shortco mings and deficie ncies, such as the gover nance of the high-freque ncy, harm onic, power factor, improve and so n eeds to be further improved. This set to a low-cost new power inverter circuit theory and design, full use of the chip KA7500 fixed f

8、reque ncy pulse width modulati on function to form a push-pull booster circuit and FET (N-cha nnel enhan ceme nt-mode MOSFET ), no sec on dary breakdow n, fast switch ing speed and good thermal stability of the adva ntages of comb in ati on of the desig n of the circuit. Work, continuous output powe

9、r of about 100W, and normal work light, output overvoltage protect ion, in put over-voltage protectio n and overheat ing protecti on function. The power, small size, practical, inexpensive to manufacture, can be used as a variety of portable electrical power.KEY WORDS power inv erters,thermal overlo

10、ad protecti on, overvoltage protect ion, the oscillati on freque ncy, in tegrated circuits第一章绪论1.1逆变器及其应用所谓逆变器，是指整流器的逆向变换器，其作用是通过半导体功率开关器件 的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能的一种电力电子变换器。由于它 是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能变换的，因此其变换效率比较高，但变换输出的波形却很差，是含有相当多谐波成分的波形，因而还需要进 行交流低通滤波器的滤波。在电力电子学中，有四种变换技术，即：DC/D（变换、AC/D（变换、AC/AC变换、

11、 DC/A（变换。而逆变技术是其中最主要的一种。随着电力电子技术的不断发展， 其对工业自动化、交通运输、城市供电、节能、环境污染控制等方面的发展，将 会产生更大的推动作用。在这种推动作用中，逆变技术将扮演重要角色。逆变器的应用将越来越重要。21世纪是能源开发、资源利用与环境保护互相 协调发展的世纪，能源的优化利用与清洁能源的开发，是能源资源与环境可持续 发展战略的重要组成部分。具有世界三大能源之称的石油、天然气、和煤等化石 燃料将逐渐被耗尽，氢能源与再生能源将逐渐取代化石燃料而成为人类使用过的 主体能源，这种能源的变迁将迫使发电方式产生一次大变革，使用氢能源与再生 能源的高效低污染燃料电池发电

12、方式，将成为主体发电方式。因此，逆变技术在 新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。此外，逆变器还可以在如下的领域有着广泛的应用前景：以直流发电机、蓄 电池、太阳能电池和燃料电池为主直流电源的领域，以变频和恒频交流电为主交 流电源，而且采用交-直-交变换方式的场合，不间断电源中的核心部分一一逆变 器，交流电机变频调速系统中的核心部件一一逆变器等。 21.2逆变技术发展过程与现状一般认为，逆变技术的发展可以分成如下三个阶段。1956-1980年为传统发展阶段，这个阶段的特点是，开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，输出电压波形改善以多重叠加法为主， 体积重量较大，逆变效率较低，正弦波逆

13、变技术开始出现。1987-2000年为高频化新技术阶段，这个阶段的特点是，开关器件以高速器件为 主，逆变器的开关频率较高，波形改善以 PW为主，体积重量小，逆变效率高，正弦 波逆变技术的发展日趋完善。2000年至今为高效低污染阶段，这个阶段的特点是以逆变器的综合性能为主，低俗与高速开关器件并用，多重叠加法语 PW法并用，不在偏向追求高速开关器件与高 开关频率，高效环保的逆变技术开始出现。在当今的PW逆变器中，输出变压器和交流滤波器的体积重量占主要部分。为了减小输出变压器和交流滤波器的体积重量，提高逆变器的功率密度，高频化仍然是主要的发展方向之一，如提高 SPW逆变器的开关频率，采用交流传动用变

14、频器的内 高频环等。但逆变器的高频化也存在一些问题，如使开关损耗增加，电磁干扰增大。 此外，导体的肌肤效应与邻近效应，电容的ESR及元件的寄生参数等问题都需要解决， 其中最主要就是开关损耗和电磁干扰问题。 解决这些问题最有效的办法有两个， 一是 提高开关器件的速度，二是用谐振或准谐振的方式使逆变器开关工作在软开关状态。2逆变电源总的发展趋势是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展并 以提高可靠性性能及拓宽用途为核心，愈来愈广泛应用于各种弧焊方法、电阻焊、切 割等工艺中.在单相高频逆变电路中，目前已经出现了一些比较成熟的方案，但三相高频逆变 电路还很不成熟，还需要继续深入研究总体来讲,主

15、要涉及三个方面：1、使用可关断器件和软开关技术，提高工作频率，以便达到装置小型化、低成本、 无音频噪音，并且具有高可靠性、高效率；2、研究新的组合式拓扑结构，分析复杂的工作过程以及建立数学模型，解决目前 高频链逆变器存在的缺点；3、研究各种控制方式，包括PFM SPWMSVPWMDPWMPDM和差频控制等.高频转换器是一种灵活多变的拓扑结构，其共同特点是电路结构形式紧凑，功率 密度和效率高，响应速度快另外,系统可以工作在20kHz以上,无音频噪音，滤波相对 容易,并且功率可达kW级以上.因此，无论在恒压恒频(CVCF领域，还是在调频调压 (VVVF)领域都有很大实用价值,它是未来继续研究发展的

16、一个重要课题.软开关逆变技术研究的最终目的， 是实现PWM开关技术，也就是将软开关技术 引进到PW逆变器中，使它既能保持原来PW碉制的优点，又能实现软开关工作。为 此，必须把LC与开关器件组成一个谐振网络,使PW逆变器只有在开关转换过程中才 产生谐振，实现软开关转换，平时则不谐振，以保持 PWM逆变器的特点。现代逆变技术与传统逆变技术是不同的，它不只是研究直流电能变换成交流电能 的简单变换方式，还负担着一些提高逆变器性能的功能，如使输出电压波形的正弦化， 调节和稳定逆变器输出电压和电流， 提高直流电压利用率，减少开关损耗，提高逆变 效率，减少电磁干扰等。而这一切又都集中表现在逆变器功率开关器件

17、的开关方式或 开关函数和逆变器主电路的结构形式上，但主要还是与开关器件的开关方式有关。第二章逆变电路2.1逆变电路工作原理单相桥式逆变电路为例：SS是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 S、S闭合，S、S断开时，负载电压uo为正S; S、S4断开，S、S闭合时，uo为负，把直流电变成 了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。0b）图2-1逆变电路及其波形举例电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io滞后于 Uo，波形也不同（图5-1b ）。11前：S、S4通，Uo和i o均为正。ti时刻断开S、S4,合上S2、S，Uo变负，但io不能立刻

18、反向。io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐 渐减小，12时刻降为零，之后i o才反向并增大2.2换流方式换流 电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。开通：适当的门极驱动信号就可使其开通。关断：全控型器件可通过门极关断。半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断，一般在晶闸管电流过零后施加 一定时间反压，才能关断。研究换流方式主要是研究如何使器件关断221、器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流(Device Commutation)222、电网换流由电网提供换流电压称为电网换流(Line Commutation)。可控整流电路、交流 调压

19、电路和采用相控方式的交交变频电路， 不需器件具有门极可关断能力，也不需要 为换流附加元件。223、负载换流由负载提供换流电压称为负载换流(Load Commutation)。负载电流相位超前于 负载电压的场合，都可实现负载换流。负载为电容性负载时，负载为同步电动机时， 可实现负载换流。b)图2-2负载换流电路及其工作波形基本的负载换流逆变电路：采用晶闸管，负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性。电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入，直流侧串入大电感Ld，i d基本没有脉动。工作过程：4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波。负载工作在对基波电流接近并联

20、谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，Uo波形接近正弦。ti前：VT、VT4通，VT2、VT3断，Uo、i。均为正，VT2、VT3电压即为 u。ti时：触发VT2、VT3使其开通，Uo加到VT；、VT上使其承受反压而关断，电流从 VT、VT4换至V VI、VI。ti必须在Uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。224、强迫换流设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方 式称为强迫换流(Forced Commutation )。通常利用附加电容上储存的能量来实现， 也称为电容换流。直接耦合式强迫换流由换流电路内电容提供换流电压。VT通态时，先给电容C充电。

21、合上S就可使晶闸管被施加反压而关断。图2-3直接耦合式强迫换流原理图电感耦合式强迫换流通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流 电流。两种电感耦合式强迫换流：图2-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断。图2-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断。图2-4电感耦合式强迫换流原理图给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图2-3）。先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流（图2-4 ）。器件换流一一适用于全控型器件其余三种方式一一针对晶闸管。器件换流和强迫换流一一属于自换流。电网换流和负载换流一一属于外部换流。当电流不是从一个支路向另一个支路转移

22、，而是在支路内部终止流通而变为零,则称为熄灭。2.3电压型逆变器和电流型逆变器逆变器是一种将直流电能变换成交流电能的变流装置，逆变器按主电路形式可以 分为电压型逆变器和电流型逆变器。根据输入直流电源的性质、逆变器的直流输入波形和交流输出波形， 可以吧逆 变器分成电压型逆变器（亦称电压源逆变器）和电流型逆变器（亦称电流源逆变器）电压型逆变电路逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：电压型逆变电路或电压源型逆 变电路，电流型逆变电路或电流源型逆变电路。Q图2-5电压型逆变电路举例(全桥逆变电路) 电压型逆变电路的特点(1) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动(2) 输出电压为矩形波，输

23、出电流因负载阻抗不同而不同(3) 阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变 桥各臂并联反馈二极管2.3.1.1单相电压型逆变电路1、半桥逆变电路电路结构：见图2-6工作原理：V和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。Uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2io波形随负载而异，感性负载时，图 2-6b，Vi或V2通时，i。和Uo同方向，直流侧向 负载提供能量，VD或VD通时，i。和Uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD、VD称图2-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形优点：简单，使用器件少缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于 几kw以下

24、的小功率逆变电源。单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。231.2 全桥逆变电路电路结构及工作情况：图2-5，两个半桥电路的组合。1和4 一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通， 交替各导通180。uo波形同图2-6b。半桥电路的u。，幅值高出一倍U=U。i。波形和 图2-6b中的i o相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。输出电压定量分析uo成傅里叶级数uJTfJ1一-sinci+ -sin+ -sin5(ur+A5(2-1)基波幅值基波有效值(2-2)(2-3)uo为正负各180o时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现。移相调压方式(图2-7 )。可采用移相方式调节

25、逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180。正偏，180o反偏，且V和V互补，V3和V4互补关系不变。V?的基极信号只比V落后q ( 0q180o)，V?、V4的栅极信号分别比 V M的前移改变q即可调节输出电压有效值。180o-q，uo成为正负各为q的脉冲,吟1U3g4Q0%Lr图2-7单相全桥逆变电路的移相调压方式231.3带中心抽头变压器的逆变电路交替驱动两个IGBT,经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极管的作 用也是提供无功能量的反馈通道，Ud和负载相同，变压器匝比为1:1:1时，Uo和io 波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。viH图2-8带中心抽头变压器的逆变电路

26、与全桥电路的比较，比全桥电路少用一半开关器件，器件承受的电压为2U，比全桥电路高一倍。必须有一个变压器。2.3.1.4 三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。应用最广的是三相桥式逆变电路 可看成由三个半桥逆变电路组成。180导电方式:每桥臂导电180o，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120o，任一瞬间有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两臂之间进行， 也称为纵向 换流。-o1HTTv4VD/vd3vd5vd4MhrVDr图2-9三相电压型桥式逆变电路波形分析:UHNLZ1炳咒IU-.*7Oe)f)h)(2-4)“UH =|负载相电压 啊=(2-5)图

27、2-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形负载各相到电源中点 N 的电压：U相，1通，uun=U/2，4通，uun=-U2取UV =血-“谢 uw = Wvw _ uw 负载线电压 丁 _门 r:负载中点和电源中点间电压=亍血 +uvw +(如 +uvw(2-6)负载三相对称时有Uun+Uvn+Uw=O，于是+ U脚 + Uw )(2-7)利用式(2-5)和(2-7)可绘出UuN UVN UwN波形。负载已知时，可由UuN波形求出iu 波形，一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似，桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从直 流侧向交

28、流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。定量分析：a、输出线电压Uuv展开成傅里叶级数_ 2屜 uvskla/-Asjn5af-lsttl7otfsm IM +5711丄迪13皿-A137Tsin +sin No/Th(2-8)式中，1 讥二1 ，k为自然数dm! = 0.816 74输出线电压有效值(2-9)UXIhlJT(2-10)基波有效值一jt= 0 78U.(2-11)b、负载相电压Uun展开成傅里叶级数得:#阳=”in erf + sin + sin7 血 + sin 1 l(2f + sin 13o/ + A 竺rr(2-12)式中，【-门丨，k为自然数负载相电压有效值

29、一(2-13)27基波幅值-；(2-14)基波有效值(2-15)为防止同一相上下两桥臂开关器件直通，采取“先断后通”的方法。电流型逆变电路直流电源为电流源的逆变电路一一电流型逆变电路。一般在直流侧串联大电感， 电流脉动很小，可近似看成直流电流源。实例之一：图2-11电流型三相桥式逆变电路。交流侧电容用于吸收换流时负载 电感中存贮的能量。応7c；吨7立图2-11电流型三相桥式逆变电路电流型逆变电路主要特点：直流侧串大电感，相当于电流源。(2) 交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同。(3) 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。 电流型逆变电路中，采用半控

30、型器件的电路仍应用较多。换流方式有负载换流、强迫换流。2.321单相电流型逆变电路图2-12单相桥式电流型(并联谐振式)逆变电路4桥臂，每桥臂晶闸管各串一个电抗器 Lt限制晶闸管开通时的di/dt。1、4和2、 3以10002500Hz的中频轮流导通，可得到中频交流电。采用负载换相方式，要求 负载电流超前于电压。负载一般是电磁感应线圈，加热线圈内的钢料，RL串联为其等效电路。因功率因 数很低，故并联C。C和L、R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振式逆变电路。输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。因基 波频率接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻

31、抗，谐波在负 载上产生的压降很小，因此负载电压波形接近正弦波。工作波形分析：一周期内，两个稳定导通阶段和两个换流阶段。ti-t 2: VT和VT；稳定导通阶段，i。=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。t2-t 4: t2时触发VE和VT3开通，进入换流阶段。Lt使VT、VT；不能立刻关断，电 流有一个减小过程。VT2、VT3电流有一个增大过程。4个晶闸管全部导通，负载电压 经两个并联的放电回路同时放电。t2时刻后，LTi、VT、VT3、LTa到C;另一个经LT2、 VT2、VT4、LT4到Co t=t 4时，VT、V电流减至零而关断，换流阶段结束。t4-12= tg称 为换流时间。i

32、 o在t 3时刻，即i VT1=i VT2时刻过零，t 3时刻大体位于t 2和t 4的中点。保证晶闸管的可靠关断（图2-13）:晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使 VT、V吊承受一段 反压时间t B, t B= t5- t4应大于晶闸管的关断时间tqo为保证可靠换流应在Uo过零前 td= t 5- t 2 时刻触发 VI、VT3。td为触发引前时间=（2-16）L = +Li o超前于uo的时间 为.-(2-17)3为电路工作角频率;表示为电角度(2-18)丫、B分别是t Y、t B对应的电角度）图2-13并联谐振式逆变电路工作波形数量分析: 忽略换流过程，io可近似成矩形

33、波，展开成傅里叶级数sin cjf 4sin-4 sin 5+A(2-19)35基波电流有效值(2-20)负载电压有效值U0和直流电压Ud的关系（忽略Ld的损耗，忽略晶闸管压降）=1.11 生、:一， （2_21）实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而 自动调整，这种控制方式称为自励方式。固定工作频率的控制方式称为他励方式。自励方式存在起动问题，解决方法：一是先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。另一种方法是附加预充电 起动电路。2.322 三相电流型逆变电路电流型三相桥式逆变电路（图2-11，采用全控型器件）。基本工作方式是120导电方式一一每个臂一周期

34、内导电120。每时刻上下桥 臂组各有一个臂导通，横向换流波形分析：输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各 120的矩形波。输出电流和三相桥 整流带大电感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同。输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波。输出交流电流的基波有效值JT(2-22)串联二极管式晶闸管逆变电路如图2-15所示。这种电路因各桥臂的晶闸管和二极管串联使用而得名，主要用于中大功率交流电动机调速系统。电流型三相桥式逆变电路：电路仍为前述的120导电工作方式，输出波形和图2-14的波形大体相同。各桥臂的晶闸管和二极管串联使用，各桥臂之间换流采用强 迫换流方式，连接于各臂之间的电容 GG即

35、为换流电容。换流过程分析（图2-16）电容器充电规律：OJwO图2-14电流型三相桥式逆变电路的输出波形Lh VTtUVWVI）辽 2 VD 込 Z珂E4SZcZ 2V图2-15串联二极管式晶闸管逆变电路对共阳极晶闸管，与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负。不与导通晶闸管相连的电容器电压为零。共阴极晶闸管与共阳极晶闸管情况类似， 只是电容器电压 极性相反。等效换流电容：例如分析从 VT1向VT3换流时，C13就是G与G串联后再与C并 联的等效电容。设CC6的电容量均为C,则Q = 3C/2。从VT向VT3换流的过程：换流前VT和VT2通，C13电压UC。左正右负。换流过程可分为恒流放电和二

36、极管换 流两个阶段a、恒流放电阶段ti时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断。Id从VT1换到VT3, Ga通过VD、U 相负载、W相负载、VD、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电 阶段。ucia下降到零之前，VT承受反压，反压时间大于tq就能保证关断。b、二极管换流阶段t2时刻Uci 3降到零，之后Ca反向充电。忽略负载电阻压降，则二极管 VD导通， 电流为iv, VD电流为iu=ld-i v，VD和VD同时通，进入二极管换流阶段。随着 Ca电 压增高，充电电流渐小，Z渐大，ta时刻iu减到零，Z=ld, VD承受反压而关断，二 极管换流阶段结束。ta以后，VT

37、2、VT3稳定导通阶段波形分析：电感负载时，UC13、i U、i V及Uci、Uca、波形如图2-16所示。图中给 出了各换流电容电压uci、uca和UC5 的波形。Uci的波形和Ucia完全相同， 在换流过程中，从Udo降为一 Uco， ca 和C5是串联后再和C并联的，电压 变化的幅度是Ci的一半。换流过程 中，Uca从零变到-Uco, Uc5从UCo变到 零，这些电压恰好符合相隔i20o后从VTa到VT5换流时的要求。图2-i6串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形第三章逆变电源PW控制策略3.1 PWM原理采样控制理论中有一条重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节输 入时，其输

38、出效果基本相同。这里所说的冲量是指窄脉冲的面积，俗称“伏秒积”，效果基本相同是指输出响应的波形基本相同。把输出波形进行傅立叶变换分析，其低频段特性非常接近，仅在高频段有差异。这个理论是PWM控制的理论基础。把一个正弦半波分成N等份，采用规则采样法（常用的也有自然采样法等，但规 则采样法更适用于数字控制，计算简便），把每一等份的正弦曲线与横轴包围的面积 用与它面积相等的等高不等宽的矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的 中点重合。根据冲量相等效果相同的原理，这样的一系列矩形脉冲与正弦半波是等效 的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这样脉冲的宽度按 照正弦规律变化而

39、和正弦波等效的 PWM波形，就是SPWM（SinusoidaPWM控制的理论 基础。全桥逆变器的控制脉冲按 SPWMB制方式，有单极性、双极性和单极性倍频调制 三种。3.2 PWM脉宽调制技术PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制技术，是通过对一系列脉冲的宽度 进行调制来等效地获得所需的波形（含形状和幅值）。它能对谐波进行有效地抑制， 动态响应好，而且在频率、效率等诸多方面都有明显的优势。 可以说现在应用的逆变 电路绝大部分是PWM型的，而且随着 PWM技术的不断发展和应用的不断加深， 其技术也日臻完善，PWM技术的推广已是大势所趋。PWM调制法，是用一种参考波（通

40、常是正弦波，有时也采用梯形波或注入零序 谐波的正弦波或方波等）为调制波，以N倍于调制波频率的三角波为载波，在调制波 大于载波的部分产生一组幅值相等，而宽度正比于调制波的矩形脉冲序列用来等效调 制波，用开关量来取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通 /断控制，把直流电变成 交流电，这种技术就叫做脉宽控制逆变技术。由于载波三角波的上下宽度是线性变化 的，故这种调制方式也是线性的。冲量（冲量指窄脉冲的面积）相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时， 其效果基本相同。面积等效原理也认为：大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性 系统时，只要它们的冲量，即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。这些原

41、 理是PWM 调制的基础。PWM波形可以分为等幅 PWM波和不等幅 PWM波两 种，由直流电源产生的 PWM波通常是等幅的PWM波。而不管是等幅还是不等幅 的PWM波，都是基于面积（冲量）等效原理来进行控制的，因而其本质是相同的。PWM脉宽调制技术既可以用于电压型逆变电源， 也可以用于电流型逆变电源， 它对逆变技术的发展起了巨大的推动作用。它具有以下显著优点：（1）可以同时进行调压、调频，与中间直流环节的元件参数无关，系统的动 态响应速度快。（2）可以消除或减少低次谐波的干扰，获得更好的波形改善效果。（3）直流电源可以使用不可控整流桥，使系统对电网的功率因数与逆变电源 输出电压值无关。（4）应

42、用电路简单，只需要用一个功率控制级就可以调节逆变电源的输出电压和频率,有利于小型化和降低成本。PWM技术在当今逆变电源控制领域占据了绝对的主导地位。近年来，采用PWM技术的逆变电源主要用在调速传动、电力系统电能质量控制、三相高精度电 源这三类工业功率控制装置中。随着逆变电源在交流传动、UPS电源和有源滤波器中的广泛应用，以及高速全控开关器件的大量出现，PWM技术已经成为当今逆变技术的核心，受到了人们的高度重视。尤其是最近几年，微处理器的应用和数字化 控制的实现，更加推动了 PWM技术的发展。PWM控制技术在逆变电路中的应用 最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部

43、分 都是PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用， 才发展的比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。【10】第四章 逆变电源硬件电路设计4.1逆变电源的技术性能指标及主要特点(1) 输入：12V直流电。(2) 输出：220V/50HZ交流电。(3) 输出功率：大于等于100W。(4) 具有输入过压保护和输出过压保护功能(5) 具有过热保护功能。(6) 含有正常工作指示灯。(7) 可作为多种用电设备的通用电源。4.2 DC/DC变换电路4.2 .1 KA7500B电流模式PWM控制器KA7500B是一块开关式脉冲宽度调控电路，主要用于开关式电源控制。采用DIP1

44、6/SOP16封装形式。KA7500B是一块脉冲宽度调制方式的开关稳压控制器电路，由基准电压震荡器,误差放大器，比较器FF (触发器)输出控制电路输出晶体管和空载时间等电路构成。能够用输出控制电路选择推挽工作或单端放大工作。(1)主要特征KA7500 输出电流：I 0=200mA工作频率：f=1300kHz内置两个相同类型的误差放大器内置5V基准电压可选择输出方式(2)工作原理KA7500控制2个功率开关管轮流开、闭，并通过高频变压器将能量传送到次级， 然后通过高频整流二极管还原成直流低电压，经过滤波后提供+12V、+5V、-5V、-12V电压。通过1脚的取样电路可以调节整个输出部分的电压大小

45、。KA7500B的1脚及2脚为误差放大器的输入端。由KA7500B芯片构成电压反馈 电路时，1、2脚上通过电阻从内部5V基准电压上取分压，作为1脚比较的基准。3 脚用于补偿校正，为PWM比较器的输入端，接入电阻和电容后可以抑制振荡，4脚为死区时间控制端，加在4脚上的电压越高，死区宽度越大。当4脚接地时，死区宽 度为零，即全输出；当其接5V电压时；死区宽度最大，无输出脉冲。利用此特点， 在4脚和14脚之间接一个电容，可达到输出软启动的目的，还可以供短路保护用。5 脚及6脚接振荡器的接地电容、电阻。KA7500B内置线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻 和一个电容进行调节，其振荡频率如下

46、：1Fosc(1)CtRt输出脉冲的宽度是通过电容 Ct上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较 而实现的。三极管VT1和VT2受控于或非门。当双稳态触发器的时钟信号为低电平 时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号时才会被选通。当控制信号增大时，输出脉冲的宽度将减小。4.2.2 DC/DC变换电路由DC/AC和整流滤波电路组成。电路结构如图 4.1，VT1和VT2的基极分别接KA7500的两个内置晶体管的发射极。中心器件变压器T1，实现电压由12V脉冲电压转变为220V脉冲电压。此脉冲电压经过整流滤波电路变成 220V高压直流电压。变压 器T1的工作频率选为50KHz左右，因此T1

47、可选用EI33型的高频铁氧体磁心变压器， 变压器的匝数比为1-220 ： 0 05，变压器选择为E型，可自制。经过实践调制选择 初级匝数为10X 2,次级匝数为190。10亠190 7 05即满足变压器匝数比约为0.05。 电路正常时，KA7500的两个内置晶体管交替导通，导致图中晶体管 VT1、VT2的基极 也因此而交替导通，VT3和VT4交替导通。因为变压器选择为E型，这样使变压器工 作在推挽状态，VT3和VT4以频率为50KHz交替导通，使变压器的初级输入端有50KHz 的交流电。当VT1导通时，场效应管VT3因为栅极无正偏压而截止，而此时VT2截止， 导致场效应管VT4栅极有正偏压而导

48、通。当 VT1导通时，VT2截止，场效应管VT3因 为栅极无正偏压而截止，而此时 VT2截止，导致场效应管VT4栅极有正偏压而导通。 且交替导通时其峰值电压为12V,即产生了 12V/50KHZ的交流电。当电路工作不正常 时，KA7500输出控制端为低电平时，KA7500的两个内置晶体管的集电极(8脚和9 脚)有12V正偏压，基极为高电平，导致两晶体管同时导通。VT1和VT2因为基极都为高电平而饱和导通，而场效应管 VT3 VT4将因栅极无正偏压都处于截止状态，逆 变电源停止工作，LED指示灯熄灭。极性电容 C1滤去12V直流中的交流成分，降低 输入干扰。滤波电容C1可取为2200尸。R1、R

49、2 R3起限流作用，取值为4.7 K Q。 整流滤波电路由四只整流二极管和一个滤波电容组成。四只整流二极管D1D4接成电 桥的形式，称单相桥式整流电路。在桥式整流电路中，电容C2滤去了电路中的交流成分，由模拟电路直流稳压电源的电容滤波电路2知：1 d 二 RC _ 3 5 T (2)1 10 当f=50KHz时，R=116K Q时，R为后继负载电阻，贝U C 4.3 10 F。50KHZ根据电容标称值选择C2为10折。输出220V高压直流电，供后继逆变电路使用。2aV/5IjKXzD14 12S一D3图4-1直流变换电路图4.3输入过压保护电路电路结构如图4.2,由DZ1、电阻R1和电阻R2、

50、电容C1、二极管VD1组成。 输出端口接KA7500芯片I的同相输入端（第1脚），通过该芯片的误差比较器对其 输出进行控制，当输入过大电压时，停止逆变电路工作从而使电路得到保护。因为输入电压直接决定了输出电压的值，对输入端电压的保护也是对输出端子间过大电压进 行负载保护。VD1、C1、R1组成了保护状态维持电路，只要发生瞬间的输入电压过 大现象，就导致稳压管击穿，电路将沿C1和R1支路充电，继续维持同相端的低电平状态，保护电路就会启动并维持一段时间。当C1和R1充电完成，C1和R2支路开始处于放电状态，当C1放电完成时，KA7500B芯片I的同相输入端由低电平翻转 为高电平，导致KA7500B

51、芯片I的3脚即反馈输入端为高电平状态，进而导致KA7500 芯片内部的PWM比较器、或门、或非门的输出均发生翻转，KA7500芯片内置功率输出级三极管VT1和VT2均转为截止状态。此时将导致直流变换电路的场效应管处 于截止状态，直流变换电路停止工作。同时KA7500的4脚为高电平状态，4脚为高电平时，将抬高芯片内部死区时间比较器同相输入端的电位，使该比较器的输出为恒定的高电平，由KA7500芯片内部结构知，芯片内置三极管截止，从而停止后继电路 的工作。稳压管的稳压值一般为输入电压的100%130%。稳压管DZ1的稳压值决定了该保护电路的启动门限电压值。考虑到实际应用情况中电压的正常值变化幅度大

52、 小，通常将稳压管的稳压值选为15V或者16V较为合适。在此取为15V，稳压管的 功率为0.15W。R1取为100K Q, R2、R3均取为4.7K Q，C1、C2均取为47折。現1R1图4-2输入过压电路保护图4.4输出过压保护电路电路结构如图4.3:K075OOBDE1220V图4.3输出过压电路保护图当输出电压过高时将导致稳压管 DZ1击穿，使KA7500芯片II的4脚对地的电 压升高，启动KA7500芯片II的保护电路，切断输出。R1、R2为保护电阻，用以增 大输出阻抗。稳压管的稳压值一般规定为输出电压的130%150%。后继电路为220V/50HZ输出，其中负载电阻为100K Q ,

53、 KA7500芯片II的输出脚电压最大为12V， R1为限流电阻可取值为100K Q,R2为保护电阻可取为16K Q ,根据电路分压知识，则R2上的电压为：U 二 R2 220“(R1R2)=220 16亠 116 ： 30.34V(3)即稳压管的电压取值最大为30.34V，这里稳压管取值为30V。4.5 DC/AC变换电路电路结构如图4.4，该变换电路为全桥桥式电路。其中 KA7500芯片的8脚和11 脚为内置的两个三极管的集电级，且两个内置三极管是交替导通的，变替导通的频率 为50Hz。两脚分别接入了上下两部分完全对称的桥式电路，因为两三极管交替工作， 工作频率为50Hz,所以选用桥式电路

54、，目的在于得到 50Hz交流电。上下两部分电路 工作过程完全相同。以其中一部分为例来做一下简要说明。 这里将图4.4进行简化后 如图4.5。图中VT0为KA7500芯片II的一个内置三极管设为 VT00,另一个设为VT01。 当VT00导通时，即VT01截止时：VT1的基级没有正偏压，从而使VT1截止，然后VT3 的栅极有12V正偏电压，使VT3导通。而VT4因为栅极无正偏压截止，输出 220V电 压。当VT00截止时，即VT01导通时：VT1基级有12V正偏压，集电极有12V反向电 压，从而导通。VT3的栅极无正偏电压，从而使 VT3截止。而VT4因为栅极有12V正 偏压导通。因为VT3截止，220V电压无法送至输出。但此时下半部分的电路有220V电压输出。因为此时KA7500芯片II的另一个内置三极管 VT01导通，它的集电极即 第11脚使逆变电路I有220V电压输出。原理同上。上下两部分以频率为50Hz而交替导通，从而使电路有220V/50HZ的交流电输出。由于KA7500芯片为脉冲调制器， 其产生的波形为脉冲波而不是正弦波。VT1、VT2 VT3 VT4 VT5 VT6应选择低频小功