逆变电源的设计教材

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1、桂林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 目 录 引言.1 1 绪论2 1.1 逆变电源的广泛应用2 1.2 逆变电源的发展趋势3 1.3 本课题的任务3 2 逆变电源原理5 2.1 开关逆变电源原理5 2.2 SPWM 概述.6 2.3 SPWM 调制7 2.3.1 单极性正弦波脉宽调制方式8 2.3.2 双极性正弦波脉宽调制方式9 2.4 SPWM 的采样方法.10 2.4.1 自然采样法10 2.4.2 规则采样法10 2.4.3 等面积法11 2.5 SPWM 生成方法.11 2.5.1 调制过程特征13 2.5.2 载波比(N)15 2.5.3 脉冲的占空度17 2.6 本章小结

2、17 3 逆变主电路设计.18 4 直流升压电路设计19 4.1 直流升压主电路拓扑确定19 4.1.1 升压环节拓扑结构比较19 4.2 升压电路选择20 4.3 本章小结21 5 控制电路设计22 5.1 PIC16F73 单片机及外围电路设计.22 5.2 驱动电路设计22 桂林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 5.3 本章小结25 6 逆变电路设计26 6.1 逆变电路拓扑确定26 6.2 逆变主电路的选择27 6.3 逆变主电路元器件及其参数选择28 6.4 本章小结28 7 采样反馈保护电路设计29 7.1 采样反馈电路设计29 7.2 保护电路设计29 7.2.1NMOS

3、 过流保护的必要性29 7.2.2 设计短路保护电路要求30 7.2.3 保护电路设计30 7.3 本章小结31 8 软件设计.32 8.1 正弦波脉宽的生成32 8.2 软件设计32 8.3 本章小结35 9 实验结果与展望.36 9.1 实验结果36 9.2 展望37 10 总结38 10.1 设计中的不足38 谢 辞.39 参考文献40 附 录.41 附录 1 单片机控制电路 PCB41 附录 2 驱动电路 PCB.41 附录 3 逆变电路 PCB.42 附录 4 电压反馈保护电路 PCB.42 附录 5 程序清单43 桂林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 第1页 共54页 引言

4、 随着国民经济的高速发展和国内外能源供应的紧张，电能的开发和利用显得更为 重要。目前，国内外都在大力开发新能源，如太阳能发电、风力发电、潮汐发电等。 一般情况下，这些新型发电装置输出不稳定的直流电，不能直接提供给需要交流电的 用户使用。为此，需要将直流电变换成交流电，需要时可并入市电电网。这种 DC-AC 变换需要逆变技术来完成。用电设备对市电电网造成严重的污染，反过来，被污染的 市电电网也会使用电设备工作不正常，用电设备之间通过市电电网相互干扰。为解决 此问题，必须提高市电电网的供电质量。以逆变技术为基础的电力有源滤波器和电能 质量综合补偿器可以净化市电电网，使其为用电设备提供高质量的电能。

5、由于在用电 高峰期间或者雷电、暴风雨等自然灾害可能造成市电电网的超量波动，甚至供电中断。 这将造成用电设备工作失常，特别是计算机的数据丢失或者硬件的损坏。为此，需要 不间断电源（UPS）来保证计算机的运行安全。UPS 中的核心部件是逆变器。 本文的主要工作就是利用单片机设计正弦波逆变电源。第一章介绍了逆变电源的 发展及应用；第二章介绍了逆变的工作原理；第三章到第六章介绍了本设计的硬件电 路选择和软件设计；第七章是保护电路和反馈电路的介绍；第八章是调试样机的结果 介绍及对所做的工作的一些展望；最后是总结。 桂林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 第2页 共54页 1 绪论 1.1 逆变电源

6、的广泛应用 现代逆变电源以其高集成度、高性能比、最简的外围电路、最佳的性能指标等显 著优点而受到青睐，可以说逆变电源从问世以来就引起了国内外电源界的普遍关注。 随着逆变电源技术的不断完善，逆变电源已经广泛地应用于计算机、电子设备、仪器 仪表、通信设备和家用电器中。近年来随着电子信息产业的飞速发展，人们对逆变电 源的需求也与日俱增，逆变电源也因此显示了其强大的生命力。逆变技术在新能源的 开发与利用领域有着至关重要的地位。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

7、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料而成为人类使用的主体能源，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 池发电方式将成为主体发电方式。因此，除此之外逆变技术还有下列主要应用: (l)交流电机变频调速:采用逆变技术将市电电网电压变换成幅值可调、频率、可 调的交流电供给交流电动机，以调节电动机的转速，可用于控制风机、水泵、机床、 轧机、机车牵引、电梯、传动及空调器等很多领域。 (2)UPS电源系统:在许多领域中被广泛应用的计算机、通信设备、检测设备等都需 要采用UPS电源。UPS电源主要由整流器(包括充电器)和逆变器组成。在市电有电

8、时， 整流器为蓄电池充电;在市电停电时，蓄电池通过逆变器向负载继续供电。 (3)电动汽车:随着汽车数量的不断增加，排放气体对环境造成的污染越来越严重， 已经成为空气污染的主要来源。各大汽车公司均投入巨资积极发展电动汽车。不管是 采用蓄电池的电动汽车还是采用燃料电池的电动汽车，在用交流电动机作为动力时， 都必须用逆变器把电池的直流电能变换成交流电能来驱动交流电动机。 (4)感应加热:中频炉、高频炉及电磁灶等设备都是采用逆变技术产生交流电，从 而产生交变磁场，金属在磁场中产生涡流而发热，从而达到加热的目的。 (5)谐波治理:市电电网中的谐波，主要是由各种电力电子装置、变压器、荧光灯 等产生的。采用

9、由逆变器制成的电力有源滤波器APF和静止无功功率补偿器SVC，可以 有效地治理市电电网的谐波污染。这是当前正在兴起的一门新技术。 另外，逆变技术在弧焊电源、通信开关电源、医用电源、变频电源以及航空逆变 器等领域都有应用。总之，逆变器技术已经涉及各行各业，以及各种领域的用电设备。 桂林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 第3页 共54页 1.2 逆变电源的发展趋势 逆变器也称逆变电源，通过半导体功率开关的开通和关断作用，将直流电能转变 成交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆过程，是太阳能光伏发电系统、风力发 电系统中的一个重要部件。 逆变技术的原理早在1931年就有人研究过。从1948年

10、美国西屋电气公司研制出第 一台逆变器：感应加热逆变器至今已有近60年历史了，而晶闸管SCR的诞生为正弦波逆 变器的发展创造了条件，到了20世纪70年代，可关断晶闸管(GTO)、电力晶闸管(BJT) 的问世使得逆变技术得到发展应用。到了20世纪80年代，功率场效应管(MOSFET)、绝 缘栅极晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(MCT)以及静电感应功率器件的诞生为逆变器向 大容量方向发展奠定了基础，因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化、大容量化 创造了条件。进入20世纪80年代后，逆变技术开始从应用低速器件、低开关频率逐渐 向采用高速器件、提高开关频率的方向发展，使逆变器体积进一步减小，效率

11、进一步 提高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大提高。另一方面，微电子技术的发展为逆 变技术的实用化建立了很好的平台，传统的逆变器需要通过许多的分立元件或模拟集 成电路加以完成。随着逆变技术复杂程度的增加，所需处理的信息量越来越大，而微 处理器的诞生正好满足了逆变技术的发展要求，从8位的带有PWM口的微处理器到单片 机，发展到今天的32位DSP器件，使先进的控制技术如矢量控制技术、模糊控制等在逆 变领域得到较好的应用。 总之，逆变电源虽然发展历史不长，但是发展速度迅速，它是一种更新换代的革 命性电源。逆变电源在现代援术及新器件的支持下，无论是可靠性还是性能价格比， 以及高效节能方面，都将不断进步

12、和提高。电力电子功率开关器件向高压大容量化、 集成化、全控化、高频化及多功能化的方向发展，材料学科的超导材料和软磁材料的 惊人发展速度以及智能化控制技术、信息网络技术的发展，都促使逆变电源向着高效 率、大功率、高可靠性的方向发展。因此，逆变电源的开发、研制、生产成为发展前 景十分诱人的。 1.3 本课题的任务 本课题设计主要论述了基于单片机控制逆变稳压电源的基本原理、结构和设计过 程,并且在搭接实验电路之前,利用仿真工具软件对所设计的电路进行仿真,验证电路的可 行性,最后在此基础上完成样机的调试工作。本文设计的电源是输入电压为 36V48V，负载电流有效值为 0.11A 时，输出线电压有效值应

13、保持在 220V,在设计 中,我们采用 SPWM 逆变控制技术,单片机控制输出 SPWM 波,驱动开关元件的电压型逆变电 路,最后把直流电压逆变成稳定的交流电压。 下面是本文所做的主要工作： 桂林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 第4页 共54页 1在比较全桥、半桥及推挽3种拓扑各自特点的基础上，采用并联MOS管驱动的推 挽变换器作为前级DC/DC升压电路，并实现各种保护功能； 2选用Microchip公司的高性能16位单片机为主控核心，并设计逆变系统的控制电 路及相关软件； 3采用前馈加反馈的复合控制策略，使系统的电压、频率精度分别为 220V+5、50Hz、a：05； 4研制一立运

14、行逆变系统样机，优化各模块间的布局；实现输入过欠压、输 入过流、输出过载、输出短路、等保护功能。 桂林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 第5页 共54页 2 逆变电源原理 2.1 开关逆变电源原理 在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量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，冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本提同， 是指环节输出效应波形基本相同。如果个输出波形的傅立变换进行频谱分析，可发现 它们的低频段特往非常接近，仅在高频仅略有差异。 例如图2-1a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，(图2-1a为矩形脉冲，图2-1b为三 角形脉冲，图2-1c正弦半波脉冲

15、)但是它们的面值(即冲量)都等于l，那么，当他们分 别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。脉冲越窄，其输出的差异 越小。当窄脉冲变为图2-1d的单位脉冲函数f(t)时，环节的响应即为该环节的脉冲过 度函数。 f（t ） f（t ） f（t ） f（t ） d） c） b） a） 0 0 0 0 图2-1形状不同而冲量相同的各种脉冲 上述结论是SPWM的重要基础，用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦 半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等 桂林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 第6页 共54页 幅，不等宽，中点重合，面积（冲

16、量）相等，宽度按正弦规律变化。SPWM波形脉 冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的SPWM波形。 u owt o u wt a) b) 图 2-2 用 SPWM 波代替正弦半波 要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可得到 SPWM 电流波： 电流型逆变电路进行 SPWM 控制，得到的就是 SPWM 电流波。SPWM 波形可等效的各种波 形： 直流斩波电路：等效直流波形 SPWM 波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需 波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和 SPWM 控制相同，也基于等效面积 原理。 2.2 SPWM 概述 所谓SPWM技术就是用功率器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲 系列，以实现变压变频及控制和消除谐波为目标的技术，也就是利用相当于基波分量 的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲宽度的一种方法。这里所谓相当于 桂林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 第7页 共54页 基波分量的信号波并不一定指正弦波，在