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1、1第第 1 1 章章 概述概述任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整正弦波逆变电源是连续控制的线性正弦波逆变电源 。这种传统正弦波逆变电源技术比较成熟,并且已有大量集成化的线性正弦波逆变电源模块,具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点、但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都不得和很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有 45%左右。另外,由于调整管上消耗较大的
2、功率,所以需要采用大功率调节器整管并装有体积很大的散热器,很难满足现代电子设备发展的要求。在近半个多世纪的发展过程中，正弦波逆变电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛的应用，正弦波逆变电源技术进入快速发展期。正弦波逆变电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。它的功耗小，效率高，正弦波逆变电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器，此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此正弦波逆变电源具有重量轻、体积小等优点。另外，于功耗小，机内温升低，提高了整
3、机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为 220V10%,而正弦波逆变电源在电网电压在 110260V 范围变化时,都可获得稳定的输出阻抗电压。正弦波逆变电源的高频化是电源技术发展的创新技术,高频化带来的效益是使正弦波逆变电源装置空前的小型化,并使正弦波逆变电源进入更广泛的领域,特别是在高新技术领域的应用,扒动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外正弦波逆变电源的发展与应用在节约资源及2保护环境方面都具有深远的意义。目前市场上正弦波逆变电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用 MOSFET 的正弦波逆变电源转抽象频率可达几百千
4、赫。为提高开关频率，必须采用高速开关器件。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是正弦波逆变电源的主要发展方向。高可靠性正弦波逆变电源的使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高的可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。正弦波逆变电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导
5、体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率 MOSFET、IGBT 等新型高速器件,开发高频用的低损磁性材料,改进磁元件的结构及设计方法,提高滤波电容的介电常数及降低其等串联电阻等,对于正弦波逆变电源小型化始终产生着巨大的推动作用。总之，人们在正弦波逆变电源技术领域里，边研究低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进并推动着正弦波逆变电源以每年过两位数的市场增长率向小型、薄型、高频、低噪声以及高可靠性方向发展。3第第 2 2 章章 设计总思路设计总思路 2.12.1 总体框架图总体框架图驱动电路UC3842 脉 宽调制电路输出 220V 交流电误差比较输入 315V 直流电逆变电路滤波电路4
6、图 1 总体框图此次课程设计要求输入 315V 直流，输出 220V 交流，主电路采用单相桥式逆变电路，对高频开关器件常用 PWM 波控制，要产生正弦波可采用 SPWM 控制方法，通过控制电力电子器件 MOSFET 的关断来控制产生交变正弦波电压。控制电路主要实现产生 SPWM 波，设计要求选用 UC3842电流控制型 PWM 控制器产生控制脉冲。而 UC3842 实质上是通过输入的两路波进行比较，输出比较后形成的脉冲波，鉴于 UC3842 的这一特征，可以通过输入正弦漫头波和锯齿波进行比较得到所需的正弦波控制脉冲。正弦波产生器的设计有多种方法，本次课程设计采用 555 定时器多谐振电路产生方
7、波经过滤波产生正弦波的方法作为正弦波产生器，再经过整流，使之成为正弦漫头波。锯齿波的产生电路比较简单，可以直接利用UC3842 内部提供的谐振器加入外围电阻电容产生。此外电路要求输出的正弦波幅度可调，此时就需要使加入的正弦波漫头波幅值可调，此可以通过一加法器使之与设置电压相叠加产生电压可变的正弦电压。主电路和控制电路的一些中间环节都是需要滤波的，由于产用 SPWM控制，主电路的谐波成分较少，可以通过简单的 RC 无源滤波。控制电路中的方波要变成较为标准的正弦波，要滤去的谐波成分就要多得多，可以采用有源滤波，且可以通过积分环节使方波变成比较好的正弦波。由于设计出来的电路是作为电源用的，对电源电流
8、、电压检测就显得非常有必要了，可以通过从电源负载取出电流信号作为 UC3842 的关断信号，从而实现主电路的限流作用。要实现电流、电压的稳定，则可以通过取出的电流、电压信号与控制电路构成闭环控制来实现。为了不至使电路结构过于复杂，只设计了简单的电压反馈环使电压基本能跟随给定维持恒定。 2.22.2 设计的原理和思路设计的原理和思路5图 2 正弦波逆变电源的组成框图该电路采用他励式,2 管双推动输出脉宽调制方式输出电压为 220V,输出电流 2A,有欠压、过压和过流等多重保护功能。 第第 3 3 章章 主电路设计主电路设计 3.1 SPWM 波的实现3.1.1 PWM 固定频率的产生PWM 波形
9、产生原理图如图 3.1.1 所示6图 3.1.1 PWM 波的产生电路图PWM 固定频率是由 SG3525 芯片产生。SG3525 芯片的资料见如下：管脚说明：引脚 1：误差放大反向输入 脚 9：PWM 比较补偿信号输入端引脚 2：误差放大同向输入 引脚 10：外关断信号输入端7引脚 3：振荡器外接同步信号输入端 引脚 11：输出 A引脚 4：振荡器输出端 引脚 12:信号地引脚 5:振荡器定时电容接入端 引脚 13：输出级偏置电压接入端引脚 6：振荡器定时电祖接入端 引脚 14：输出端 B引脚 7:振荡器放电端 引脚 15：偏置电源输入端引脚 8:软启动电容接入端 引脚 16：基准电源输出端
10、图中 11 与 14 脚输出两路互补的 PWM 波，其频率由与 5、6 管脚所连的 R、C 决定。PWM 频率计算式如下：f=1/C5(0.7R15+3R16)，调节 6端的电阻即可改变 PWM 输出频率。同时，芯片内部 16 脚的基准电压为5.1V 采用了温度补偿，设有过流保护电路，5.1V 反馈到 2 端同向输入端，当反向输入端也为 5.1V 时，芯片稳定，正常工作。若两端电压不相等，芯片内部结构自动调整将其保持稳定。在脉宽比较起的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化，由于结构上有电压环河电流环双环系统，因
11、此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，目前比较理想的新型控制器。R 和 C 设定了 PWM 芯片的工作频率，计算公式为T=(0.67*RT+1.3*RD)*CT。再通过 R13 和 C3 反馈回路。构成频率补偿网络。C6 为软启动时间设定电容。3.1.2 SPWM 波的原理在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲宽度也最大，脉冲间隔最小，反之正弦值较小时，脉冲宽度也小，脉冲间的间隔较大。这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减少，成为正弦波脉宽调制。83.1.3 SPWM 调制信号的产生要得到正弦电压的输出，就要使逆
12、变电路的控制信号以 SPWM 方式控制功率管的开关，所得到的脉冲方波输出再经过滤波就可以得到正弦输出电压。通过 SG3525 来实现输出正弦电压，首先要得到 SPWM 的调制信号，而要得到 SPWM 调制信号，必须得有一个幅值在 l3 5V，按正弦规律变化的馒头波，将它加到 SG3525 脚 2，并与锯齿波比较，就可得到正弦脉宽调制波实现 SPWM 的控制电路框图如图 3.1.3(a)所示，实际电路各点的波形如图 3.1.3(b)所示。图 3.1.3(a) SPWM 波控制电路框图基准方 波调制电 路滤波电 路整流电 路加法 器基准电 压误差信 号SG3525时序电路9图 3.1.3(b) S
13、PWM 电路主要节点波形由图 3.1.3(a) 图 3.1.3(b)可知，基准 50Hz 的方波是由 555 芯片生成的，用来控制输出电压有效值和基准值比较产生的误差信号，使其转换成 50Hz 的方波，经过低频滤波，得到正弦的控制信号。103.2 保护电路模块该系统是由直流边交流，弱点变为强电。故对系统进行必要的安全保护是必须的，在对系统进行调试时必须要注意安全。系统除了芯片本身具有的保护措施外，还对系统进行了专门的保护，具体如下。3.2.1 过电流保护过电流保护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 IGBT 允许的过流时间内将其关断，起到保护作用。如图 3.2.1
14、所示，过流保护信号取自 CT2，经分压、滤波后加至电压比较器的同相输入端，如图 2.4 所示。当同相输入端过电流检测信号比反相输入端参考电平高时，比较器输出高电平，使 D2 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，使电压比较器一直稳定输出高电平。同时，该过电流信号还送到 SG3525 的脚 10。当SG3525 的脚 10 为高电平时，其脚 11 及脚 14 上输出的脉宽调制脉冲就会立即消失而成为零。图 3.2.1 过电流保护电路113.2.2 空载保护电路的设计空载检测电路如图 3.2.2 所示。是用电流互感器检测电流输出，当没有电流输出时，使三极管 Q8 截止，从而
15、使 RS-CK 为高电平，停止输出SPWM 波。8s 后，再输出一组 SPWM 波，若仍为空载，则继续上述过程。若有电流输出则 Q8 导通，使得 RS-CK 为低电平，连续输出 SPWM 波形，逆变电路正常工作。图 3.2.2 空载检测电路图123.2.3 浪涌短路保护电路的设计浪涌电路保护电路原理图如图 3.2.3。此电路图是短路保护，用 0.1欧的电阻对电压进行采样，通过 470 千欧电阻得到电流，并使这电流通过光电耦合器，当电流过高时使得 SPWM 波不输出，关闭 IGBT 形成保护。故障排除后光电耦合器输出关断，逆变器正常工作。图 3.2.3 浪涌短路保护电路原理图13第第 4 4 章
16、章 单元控制电路设计单元控制电路设计 4.1 DC-AC 电路设计由前面论证已经明确采用全控桥式逆变电路。其中各桥臂通断由SPWM 波控制的 IGBT 完成。 系统采用 SG3525 来实现 SPWM 控制信号的输出，该芯片其引脚及内部框图如图 4.1 所示。图 4.1 SG3525 引脚及内部框图直流电源 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)电路的其它元器件作为电源。振荡器脚 5 须外接电容 GT 脚 6 须外接电阻 RTo 振荡器频率 f 由外接电阻 RT 和电容 CT 决定，f=11 8RCTo 逆变桥开关频率定为 l0kHz，14取 GT=O22F，RT=
