【《光伏逆变器驱动电路系统设计》6600字（论文）】

光伏逆变器驱动电路系统设计摘要电力电子设备控制系统的驱动电路一般是通过在一个电力电子主电路内及电路与整个计算机控制输入输出电路等部分之间而构成的一个闭合电路，设计研制出一套可靠的高效运行的主驱动电路系统可以大大改善其整个电子控制等装置工作中的系统电气性能等也有了相当多很大和直接的直接影响。采用设计了性能良好结构合理先进的主要开关驱动电路,可使大部分电力电子器件工作时间稳定运行在一种相对于较好稳定和理想运行状态下的开关工作状态,缩小了总开关时间,减少了总开关功损耗,对保证整个控制装置设备整体的开关工作及运行工作的总体效率,可靠性度保证和整体设备安全性度提高等都将具有重要的地意义。本论文设计了输入直流24V输出交流正弦电压，单片机采用了芯片LM2596稳压芯片将24V降压到12V给驱动电路的驱动芯片IR2104进行供电，12V经过芯片7805降压电路降到5V给单片机STM32进行供电，后面采用两路MOS管驱动芯片来驱动四路由N-MOS管组成的H桥进行逆变，然后通过LC低通滤波输出一个完美的正弦波。关键词:MOSFET，驱动电路，LC低通滤波，全桥逆变，STM32单片目录TOC\t"参考文献,1,比特币它,1,致谢,1,小1,2,小1.1,3"\h第一章绪论 31.1系统研究背景和系统现状 31.2系统研究的内容和系统研究意义 3第二章系统整体方案设计 52.1逆变方案的选择 52.2PWM控制方法的选择 52.3单片机的选择 52.4设计思路和整体方案 6第三章系统软件设计 73.1软件环境介绍 73.2SPWM部分程序 74.1系统组成： 94.2控制芯片 94.3供电模块设计 94.3.1DC/DC变换器 94.3.2LM2596芯片 104.4逆变驱动电路模块设计 104.5LC低通滤波模块设计 134.6系统硬件总电路图 13第四章系统调试 155.1系统实物图及测试结果 155.2测试结果 15参考文献 17绪论1.1系统研究背景和系统现状在目前的经济社会发展形势下，人们对电力的需求不断提高，这样就需要提供更多供电的方式来满足各方面需求。工业企业在发展过程中，对供电设施都有了特殊要求,由公用电网直接供电的供电方案已经无法实现。在最常用的而各类开关电源中,蓄能池、干动力电池、太阳光动力电池等一般都是直流开关电源,而在要求给它们交换负荷电能时,为解决这种需求,就很有必要引入逆变电源，分析可知这种电源中最重要部分为逆变电路，因而本文主要是对逆变电路进行研究。根据相关资料可知，早期的逆变式电源系统在运行过程中主要是直接直流转交流，这种模式缺陷表现为可靠性不高、噪声大、输出的功率小，同时也会导致大量的能源浪费，因而很有必要进行改进优化。此后发展过程中逆变器采用SPWM技术，对应的逆变器性能水平不断提高，同时也显著促进微电器元件发展，在逆变电源中，其输出电压精确性和稳定性都改善，为电力设备的可靠运行提供支持。1.2系统研究的内容和系统研究意义逆变电源主要起到一定的能源转换作用，其性能水平近年来有不断提高的趋势，应用领域也明显的扩大，随着新能源的开发，电力系统对逆变电源的需求不断增加，因而很有必要研发出高性能的逆变电源，从而更好的满足此领域应用需求。逆变电源中最重要的组成部分为单片机和逆变器，在相关控制技术的发展带动下，逆变电源的性能水平明显提高，应用范围明显扩大，这样一些高性能的直流转换交流设备也被研发出。随着国内近年来对于半导体器件驱动及微制造及电子技术领域方面的相关研究和不断发展得到进一步发展,半导体场效应晶体管及半导体MOSFET芯片均应具有动态较强低动态损耗性能及动态开关高频特性,但正是因为器件驱动和开关方法又是那么多种多样,所以为了可以进一步有效提高其动态开关高频工作的频率,并且同时能够显著降低该器件动态开关损耗,需要同时考虑配置一些更为经济合理和设计新颖的,优良而高效节能的动态开关驱动电路。而其在我国目前在国内市场中使用形式上也较大多地也基本上都是直接使用于以GTR元件为基础驱动的开关器件而构成的驱动电路,GTR器件一般也属于小电流型驱动器件,其中大部分驱动电路功能设计均被要求变得较为复杂繁琐和复杂,而且我国在限制其中的某些特殊驱动电路及其应用产品中同时也会相应地被限制了我国对其进行应用。属于一种高电压型半导体的半导体驱动器组件,输入电阻一般比较高些(109~1011Ω),驱动与控制开关电路一般较简单,驱动和开关功率均消耗甚小,开关的驱动工作速度通常更要快,开关电流损耗则很小可以忽略不计,因此MOSFET得到了日益广泛的应用。选用耐高频电压MOSFET保护元件作为抗高频电流开关的保护器件具有最大限度的满足三个方面优点:MOSFET保护本身具有的抗耐高频电压特性现在已经可以十分成熟稳定性能优秀的了(MOSFET可以工作到几百KHZ至上MHZ)另外,其电源和驱动控制形式现在也变得可以说十分方便灵活操作简单了(电压型驱动)另外,抗击贯穿冲击性能更加好得了(没有雪崩效应)等等。缺点是作为耐高压电流腐蚀用的电阻器件,导通时电阻损耗较大在可承受较高压腐蚀及过大电流的大电流场合功率系数变化都较大,因此若使用在有更低大功率电流的负载(1500W)上使用就可能有些操作比较困难。在设计中，其主要问题有一下几点:(1)确定选用是哪几种微控制器,要全面考虑系统处理运算速度、控制运算难易程度以及软件开发及成本水平等各种因素;(2)无论变压器采用设计了采用何种形式升压电路,要同时仔细的考虑到升压器的容量倍数、输出电源的额定功率、升压装置的升压效率、电路中连接导线的机械难易程度、成品变压器绕组的总体积大小等等;(3)使用一套怎样设计的逆变驱动电路,需要详细考虑到逆变驱动电路编程的技术难易掌握程度、输出功率、逆变的效率、驱动设计的技术难易把握程度。(4)电路方案中关键元器件容量的适当选择,既是要电容损耗尽量小,又要确保功率能足够用大电流;(5)对系统稳定性因素的总体考虑,应用上怎样复杂的控制电路设计和应用怎样合理的操作程序等才能最终发挥控制出系统最好的性能效果,使其整个运行系统更为稳定而可靠。综合考虑以上涉及的的上述所有相关问题,本系统设计组成员将开始着重的研究其实现的方案和与程序之间的优化配合,希望最后能够确保将以最合理完美可行的实现方案实现。系统整体方案设计2.1逆变方案的选择DC-AC一级变换这种方案下主要是进行直流到交流电压转换后，接着进行一定的电压调节满足输出要求，这种转换设备的效率高，不过体积较大，使用的灵活性差，因而不满足本次设计相关要求。DC-DC-AC两级变换，这种模式下主要是进行直流信号降压后，接着直流到交流变换而得到所需的电压，这种模式的设备体积小、控制简单且灵活性高，因而选择这种模式。2.2PWM控制方法的选择PWM技术在不断发展改进后性能水平明显提升，在信号领域被广泛应用，相关的研究和应用不断增加,针对PWM特征,也形成了各种PWM管理技术,到目前形成的主流PWM管理有如下几类:方法1：等脉宽PWM法此种技术被广泛的应用，也是其中最简单基本的技术，其避免了传统模式下不调压的缺陷,从而改善了电网功能,也改善了输入端的功率因数,不过在此类后会产生很多谐波分量，这样也不满足本文设计相关要求。方法2：电流控制PWM这种技术在控制过程中，主要是对比信息的实际电流波形与对应的瞬时值，然后基于所得结果对通断开关进行控制，从而使得输出信号符合要求。对应的方法主要包括滞环比较法、三角波比较法等，根据实际应用经验表明这种方案下对应的噪音大、响应不灵敏，因而不满足本次设计相关要求。方法3：梯形波与三角波比较法这种方式是为改善直流的稳压效率而选择的一种方案,用这种方式在调节工作餐，主要是调制频率在交点时刻调节器件的通断，从而得到稳定性高的PWM信号。但其输出的信号中含有很多低次谐波，因而也不符合实际应用需求。方法四：SPWM法SPWM法在此领域被广泛的应用，相关的技术和产品已经很完善，其主要是在一定等效替代基础上，改变调制信号的频率和幅度从而满足输出调节相关要求。其优势表现为操作简单，控制的灵活性高，本文在设计过程中对比分析选择这种方案，同时也提高系统的可靠性。2.3单片机的选择系统的性能和逆变电路的性能存在密切关系，而后者主要和选择的控制方案有关，在控制方案上主要有模拟和数字方案，以下进行具体说明。方案1：模拟控制这种模式下主要是通过仿真器件进行脉冲的产生、算法的实现，相应的成本低，同时也容易实现，在控制过程中可以灵活的进行调节。而缺陷在于需要应用到大量的分散原件和电路板,这种条件下导致器件复杂，同时效率低，不满足本次设计相关要求。方案2：由单片机实现的数字控制本系统在运行控制过程中需要获得稳定的正弦波,为提高控制系统而引入了单片机控制模式在，这样大幅度改善了电路,控制精确性和可靠性也明显提高,一致性较好，因而本文在研究过程中对比分析各方面因素选择了单片机控制模式。2.4设计思路和整体方案设计了输入直流24V输出交流正弦电压，单片机采用了芯片LM2596稳压芯片将24V降压到12V给驱动电路的驱动芯片IR2104进行供电，12V经过芯片7805降压电路降到5V给单片机STM32进行供电，后面采用两路MOS管驱动芯片来驱动四路由N-MOS管组成的H桥进行逆变，然后通过LC低通滤波输出一个完美的正弦波。系统结构框图系统软件设计3.1软件环境介绍硬件和软件对系统功能实现都有至关重要的作用，二者结合起来实现特定的功能。在进行系统设计时对应的流程如下，一是对比分析选择适宜的开发环境，二是根据功能要求编写对应的主程序和功能单元的程序，三是调试，主要是进行期望值和实际值的对比，从而确保系统功能和性能满足要求。本次软件设计过程中对比分析选择了Keil软件，选择STM32的内核，在此基础上进行控制，相应的编程结果如下所示。3.2SPWM部分程序

驱动电路硬件电路详细设计4.1系统组成：STM32单片机+降压电路+IR2104S驱动+MOS全桥+LC滤波+输出电压检测输+输入直流升压电路；4.2控制芯片在进行控制单元设计时根据控制性能和经济性相关要求，选择了STM32单片机，其属于一种高性能的8051控制芯片，在工业控制领域被广泛的应用，根据资料可知其具有高速AD转换功能，管脚少，在通用的晶振频率下运行，速度快,同时设置了复位和保护电路。根据相关资料可知产品的另一项明显的优点,是抗干扰能性能好，对应的耗电量低，下图显示出其引脚相关情况。STM32图引脚对比分析可知这种单片机是对51单片机进行改进形成的，不过分析可知其驱动性能并不高,甚至无法驱动大电流,但STC32单片机驱动的性能大幅度提高，这样也提高了其适用范围。为其广泛应用提供支持。设置了内部系统时钟，这种模式下系统的功耗也会明显的降低。STC32系列中设置了多种中断控制，根据相关资料可知其中断主要包括外围间断0(/INT0)、定时器零间断、定时器1间断、低压测试间断、PCA间断。中断的主要作用是为单片机处理外界紧急事件提供支持,这种模式下单片机可暂停当前的工作去处理紧急事件，因而表现出较高的应用性能优势，可很好的满足突发事件的处理要求。4.3供电模块设计4.3.1DC/DC变换器在此设计过程中对比分析选择了直流/DC压降式转变器,在应用过程中这种转换器的作用是将直流电压通过LM2596芯片减压然后进行输出而满足要求。这种转换控制过程主要是调节其PWM电流来调节输出的有效电流的变化。通过直流电压-直流电压转换器给整个控制系统中所有线路用电,在转换过程中对应的流程为，将直流电先逆变后压降为交换电,其后转换为符合设备应用要求的直流信号，相关情况如下。 DC/DC原理图其中重要的为BUCK回路,而电感则进行释放,同时电流值降低,在此基础上满足电信号输出相关的要求。4.3.2LM2596芯片此芯片为一种高性能的稳压调节器,有很好的线性和负荷调整特点,能够提供低于37V的各种电压。在运行过程中其可以起到降压作用，为单片机的正常运行提供支持，满足可靠性相关要求，以下进行具体说明。下图显示出LM2596电路情况LM2596电路图4.4逆变驱动电路模块设计具体分析可知逆变器是指一个直流转交流的集成电路系统器件。而全桥逆变器集成电路则是把直流电变成交流电的逆变器,当直流供电给交换负荷用电后,就要求逆变器回路。在运行过程中其功能主要是在控制电路的调节下,对输出的支流电进行转换处理形成可方便调节的交流供电系统，从而满足相关的应用性能要求。对比分析可知全桥逆变器的开关电流有一定幅度降低，同时也结合了共太阳极接法，这种条件下在一定的转换基础上可获得所需的正弦波,因而可很好的满足大功率输出条件下的应用性能要求。DC/AC模块在运行过程中功能主要是对转换后的直流电经过SPWM波转换为交流电，接着进行滤波后获得满足要求的信号。对整体系统而言，该模块有重要意义，其主要包括单片机控制电路，以及滤波电路。L298N为高性能的桥式的电力驱动芯片,采用了全桥逆变电路,既能够推动两个二相电机,也能够推动一台四相电机,也能够利用单片机度电机的转速和方向进行控制，而满足动力输出要求。根据相关资料可知，L298模块中设置了L7805稳压芯片，这样输出5V的电信号而满足单片机运行要求。下图显示出L298N的引脚相关情况。L298N引脚图对控制回路开始设计的时候,应该首先了解MOS管的建模、MOS管的开关程序、MOS管的栅极电荷,还有MOS管的输入输出电容器、跨接电容器、等效电容器等参数对控制的深远影响。驱动电路的优劣直接着开关电源的工作性能和安全可靠,一条好的MOSFET驱动电路的基本特点为:1.开关管导通时,控制回路应能供给适当大的补充流量以将栅源压力提高至所需要值,保证开关管快速打开,且不出现上沿的高频震荡。2.驱动电路结构尽可能简化,尽量有隔离。驱动电源参数与要求:MOSFEF器件的启动要求,一般是由其直流栅极上的栅极总充电电量(Qg)等关键参数条件决定。在符合其它一些重要驱动参数要求的情形下,尽可能选用比Qg教小以便于直接进行在直流驱动电路上的优化设计。驱动器回路电流限值的选取者应该在能尽量地保持驱动器件内远离其最大的栅源电流值范围(VGSS)内的电流前提下选择能将驱动器其最大输出Ron值范围内尽量限制的较小些的驱动器最大输出的电流值范围.该系统设计通过使用不隔离的互补驱动集成电路,通常利用IR2104驱动集成电路,使MOSFET的闭合时间大大减少。不分离的互补驱动器电路图为最常见的小功率驱动集成电路,结构简单安全,造价低廉。其R值是驱动限流电阻,通常在为数ω至十几ω之间,因而电阻通常用来控制一个较高电阻特性的驱动电源回路中可能产生的寄生震荡(通常在布线中,一般都会规定驱动电源与其所要驱动的栅极尽可能接近—以尽量减少选择线所引进的电气感应及驱动切换时电源中各部分参数所共同产生的谐振。而稳定管也可用作固定栅源电压,并供给正则关时的泄放电路。但有时工程设计中仅用较大阻的电流取代稳定管,供给关断时的泄放电路。由于MOSFET是双电压式驱动器件,在将其关断时,由于漏源二端的正电流的上升会通过连结电容而在栅源二端形成阻碍电流,因而所述的电路无法供给负电流,固其抗干扰能力性欠佳,但有要求时仍可将其的地改为-Vcc值,以改善抗干扰能力性和增加正则关速度。IR2104四是由美国IR公司产品,主要用于驱动高功率MOSFET和IGBT。IR2104使用了COMS工艺,具有独特的高级和低端进口出口,使用了电容自举电路,驱动方式单一,开通关断延时小,驱动方法单一,体积小,外围电路单一。MOSFET中采用了IR的HEXFET功率场效应管,IRF3205则使用了国际领先的工艺创新制造,并具有极低的导通电阻。IR2104特点：·逻辑电源电压5-20V；·兼容TTL与COMS信号；·独立的高低端输入通道；·输出最大缝制电流2A；其内部原理如下图：IR2104S内部原理图最终驱动电路设计如图SPWM驱动全桥逆变4.5LC低通滤波模块设计具体分析可知这种系统的组成单元主要包括过滤电容器、电抗器和电阻器等，这种模块在运行过程中主要是过滤谐波，对应的原理为电容器和电感对不同频率信号的阻挡作用。4.6系统硬件总电路图系统调试5.1系统测试结果实物如图在进行调试时根据设计的调试方案，连接示波器并调节示波器和系统后，进行一定的逆变调节，而得到满足要求的正