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1、築龍網zhulongrcorn目录1设计要求12逆变器控制方式选择13方案设计23.1系统总体框图23.2主电路的设计33.3 DSP的选取43.4 驱动电路的设计53.5 采样电路63.6 保护电路64 元件参数计算74.1输出滤波电感弓、滤波电容C的选取74.2变压器的设计84.3 功率开关的选择85 仿真结果95.1驱动波形95.2功率开关器件两端的电压波形105.3 逆变器输出波形106 结论11参考文献12主要内容：利用倍频单极性SPWM调制法究逆变器的调制方式，分析系统 的稳定性和外特性，给出系统的硬件结构框图，设计系统各个部分的硬件电路， 完成数字控制SPWM逆变器的原理试验和仿
2、真。基本要求：输入电压：4060VDC；输出额定容量：lkVA；输出电压：220V 3%；输出电压频率：50Hz载波频率：25kHz； THD：W3%。2逆变器控制方式选择传统逆变器的控制电路都是采用模拟电路和小规模数字集成电路实现的。随 着信息技术的发展，数字控制技术在逆变电源控制领域已得到越来越广泛的应 用。综合考虑系统性价比以及数字控制方式存在的问题，目前，部分数字化(CPU) 产生基准正弦，宽频带的电压调节器仍由模拟电路实现)不失为中小功率逆变器 控制电路的优选方案。本文分别对两种模拟/数字混合控制方案进行了比较研究， 分析了它们的设计与实现，给出了相关实验结果。本章研究的混合控制方式
3、，也是基于数字控制器的。利用DSP取代纯模拟 控制中的一些实现环节，如基准正弦发生器、输出过载保护、输出过压/欠压保 护等，对于减小控制电路复杂程度、提高系统控制特性是有好处的。同时，混合 控制方式也考虑了数字控制可能产生的一些问题，尽可能保留模拟控制的优点， 仍采用模拟电路实现电压调节器，与全数字控制系统相比，提高了系统带宽频率 和动态响应速度。可见，这种模拟/数字混合控制逆变器具有较高的性价比，在 一些应用场合具有较大的优势。根据 PWM 控制信号的产生方式，常用的混合控制实现方案有两类：模拟/ 数字混合控制方案I、模拟/数字混合控制方案II。方案I的实现框图如图1。图1混合控制方案I的实
4、现框图信号的数值以执行各种保护等，控制电路的其它部分如电压调节器(包括控制框图中前向通道的有源PI校正电路和反馈通道的无源超前校正网络)、PWM发生 器等都是用模拟元件实现的。由于DSP产生的基准正弦信号带有高频谐波分量, 需采用低通滤波器才能得到光滑的基准正弦波，作为逆变控制系统的指令信号。图2给出了模拟/数字混合控制方案II的实现框图，系统工作过程为：DSP 提供基准正弦数据，经低通滤波器滤波后得到连续的基准正弦波形，有源PI校 正电路将误差信号变为调制信号，由DSP自带的A/D转换器采样并通过DSP内 部的事件管理器产生各路PWM控制信号，再经驱动电路控制逆变桥功率开关管 的通断。图 2
5、 混合控制方案 I 的实现框图就控制电路的复杂程度而言，尽管两种方案采用了相同的 DSP 作为控制芯 片,由于方案I仍采用与纯模拟控制电路中相同的PWM控制信号生成电路，没 有充分运用DSP的片上资源，使得控制电路规模变大，而方案II则可省去比较 复杂的三角波发生器和比较器，具有一定的成本优势。如前节所述，采用方案I时，功率开关管驱动信号的死区时间需要通过模拟 器件产生，与方案II的软件编程产生死区时间相比，控制精度降低，灵活性差， 必须设置相当长的死区时间以保证功率电路的安全，而方案II产生的死区时间精 度很高，只需根据功率开关管的工作特性设置较短的死区即可，于是可以减轻死 区效应，提高逆变
6、器的控制性能。本文拟采用方案I进行分析与设计。3 方案设计3.1 系统总体框图以数字信号处理器(DSP)为核心的逆变器控制框图如图3所示。在数字信号处理器(DSP)中产生SPWM控制信号，逆变器输出高频脉宽调制型交流电。该交流电经工频变压器和输出滤波器处理后，得到稳定、纯洁的正弦波电源。3.2主电路的设计1、主电路的结构图 3 系统总体框图逆变器的主电路结构形式多种多样，有全桥型、半桥型及推挽型等。中小容 量逆变电源多采用半桥式逆变器结构，结构简单，控制方便。中大容量逆变电源 一般采用全桥式和推挽式逆变器结构。为了滤除高次谐波，逆变桥后级均接有 LC滤波器。全桥型的主电路结构由于各种因素的影响
7、必然存在直流偏磁的问题。 直流偏磁的存在致使铁心饱和，从而加大了逆变器输出变压器的损耗，降低了效 率，甚至会引起逆变失败，对系统的运行有着极大的危害，必须采取措施加以解 决。小容量逆变电源因为输出容量小，电压和电流不大，因此开关器件多选用电 力MOSFET。而大容量正弦波输出的逆变电源因其电压电流一般都比较大，因 此多采用IGBT作为它的开关器件。本文主要研究的是50Hz,1kW的低频逆变电源。基于以上的分析，选用全桥 型，带有输出隔离变压器的主电路形式，并采用 MOSFET 作为开关器件。主电 路图如图 4 所示。2、输出滤波电容的选取输出滤波电容C用来滤除输出电压U的高次谐波，若C越大，输
8、出电压Ufofo的THD就越小，但DC/AC逆变器无功电流分量增大，从而增大了变流器的体 积和成本。一般选取I 0.51 为宜，因此滤波电容C值应满足cfo maxC (U N N 厂(f AI)fi 21k Lf max时，Lf max2)fo maxo odiLf/ dt | di ! dt。旦2)电感电流i必须能跟踪上给定电流i的变化，即Lfgi不能跟踪i的变化，输出电压的失真度就会变大，严重时甚至导致系统异常Lf工作。因此 L 不能过大，即U N)N - U sin a UL min( i 2-1omIgoomIg3)式中，U 为输出电压峰值。 om3.3 DSP的选取目前，随着计算机
9、和信息产业的飞速发展，信号处理学科不但在理论上，而 且在方法上都获得了迅速发展。特别是信号处理器DSP(Digital Signal Processor) 的诞生与快速发展，使各种数字信号处理算法得以实时实现，为数字信号处理的 研究和应用打开了新局面。由于DSP具有丰富的硬件资源、改进的并行结构、 高速数据处理能力，强大的指令系统和日益提高的性价比己经成为世界半导体产 业中紧随微处理器与微控制器之后的又一个热点，在通信、航空、航天、雷达、 工业控制。网络及家用电器等各个领域得到了广泛的应用。本系统采用的数字信号处理器为TI(TEXAS INSTRUMENTS)公司专为电机 和电源等数字化控制而
10、设计的DSP (TMS320F2407A)。这款DSP控制芯片有以 下特点：1) 采用高性能静态CMOS技术，使供电电压降为3.3V.减小了控制器的功 耗：40MIPS的执行速度，提高了控制器的实时控制能力。2) 片内有32K字的FLASH程序存储器和1.5K字的数据/程序RAM,544字 双口 RAM(DASRAM)和 2K 字的单口 RAM(SARAM)。3) 10位A/D转换器，最小转换时间为375nS。可以以两个8通道的双排序 方式采样，或一个16通道排序方式采样。4) 看门狗定时模块(WDT)。3.4 驱动电路的设计隔离驱动电路采用 A3120 光耦隔离型驱动电路， A3120 结构
11、框图及驱动电 路结构如图5所示。A3120是美国惠普公司生产的用于驱动IGBT、MOSFET器 件的光电耦合器，该芯片内部集成有光耦、接口和功放单元，可驱动1200V/100A 的IGBT模块。该驱动芯片的主要特点为：(1)工作电源电压范围宽(15V30V)；(2)最小的输出电流峰值2A； (3)最大交换速度500ns； (4)具有欠压锁定保 护(UVLO)功能；(5)输出与输入信号同相。当输入信号为高电平时，A3120输出为高电平，由功放级的NPN晶体管放 大后输出，驱动功率器件；当输入信号为低电平时，A3120输出为低电平，功放 级的PNP晶体管导通，功率器件极间承受反向电压关断。图中，
12、R 的大小将影响逆变器的开关损耗，并且影响功率开关的关断尖峰大 小以及逆变器的输出波形质量。逆变桥选用不同的功率开关，应调整r的大小，57 使逆变器获得最佳的性能。g图 5 逆变桥功率开关驱动电路在数字控制系统中，DSP片内A/D采样能够承受到输入电平范围为03.3V, 所以无法对所需的控制量直接进行 A/D 采样，因而通常需要把这些量调理后， 才能接至DSP第A/D转换口。本系统采用的是电压电流双环控制，所以包括电 压采样电路和电流采样电路。在电压电流双闭环控制系统中，需采样逆变器的输出电压作为反馈量。为了 满足DSP的A/D模块输入信号的要求，模拟量需要经过图6所示的调理电路。电流采样电路
13、和电压采样电路原理基本类似，只需把电压传感器换成电流传 感器即可：电感电流经一电流传感器得到与电感电流成正比的电压信号，然后经3.6 保护电路输入过压和欠压保护电路如图 7 所示，直流电压保护信号取自主电路输入电 压，经电阻R分压和光耦隔离后送入控制电路。利用光电耦合器把各种模拟负84载与数字信号源隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字地”断开。经过光耦的 保护信号通过比较器分别与设定的最大/最小电压值进行比较，如果电压值超过 限定值，比较器就输出低电平。比较器的输出信号相与，所得的信号送入DSP 的PDPINT中断口。当器件引脚PDPINT（电源驱动保护中断）被拉低时，会产生 一个外部中断，这
14、个中断是为系统的安全操作提供的。如果PDPINT未被屏蔽， 当PDPINT引脚拉低以后，所有的PWM输出均为高阻态。这样可以在过流等故 障的情况下，把逆变器的PWM控制信号封死，关闭功率器件，从而实现对逆变 器的保护。4 元件参数计算4.1输出滤波电感Lf、滤波电容Cf的选取取L = 1mH。滤波电容电流的有效值为:C U = 2兀 x 50 x 20 x 10 -6 x 220 = 1.38 Acf o f o110%负载时，负载电流的有效值为o maxo maxUo1000 x 110 % = 5 A220容性负载时电感电流最大，因此电感电流有效值为I = ：12 + 12 21* I cos( 90 + 申)a 6 ALfcfo maxcf LfLo maxcf其中，申=cos -10.75。考虑到滤波电感电流的脉动量，滤波电感的电流峰值为LLf max=(1 + 10%) 21= (1 + 10%) x 62 = 9.339 ALfL 选用 Mn-Zn R2KBD 型 铁氧 体材 料铁 心 PM62*49 ，其 磁路 截面 积S = 4.9(cm 2 ) 窗口面积Q =3.26 (cm
