单相半桥无源逆变电路地设计

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1、基于MOSFET的单相半桥无源逆变电路的设计设计目的:1 掌握单相桥式全控桥整流电路和单相半桥无源逆变电路的工作原 理,进行结合完成交-直-交电路的设计;2熟悉两种电路的拓扑,控制方法;3掌握两种电路的主电路,驱动电路,保护电路的设计方法,元器 件参数的计算方法;4培养一定的电力电子的实验和调试能力;5培养学生综合运用知识解决问题的能力与实际动手能力;2加深理解电力电子技术课程的基本理论;设计指标:MOSFET电压型单相半桥无源逆变电路设计(纯电阻负载)(1) 输入直流电压:Ui=200V(2) 输出功率:500W(3) 输出电压波形:1KHz方波总体目标及任务:选择整流电路,计算整流变压器额

2、定参数,选择全控器件的 额定电压电流,计算平波电抗器感值,设计保护电路,全控器件触发电路的 设计,画出主电路原理图和控制电路原理图,进行Matlab的仿真,画出输出电 压,电流模拟图。1主电路的设计:(1) 整流部分主电路设计:单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路如图(1):T八 VT3udR图在单项桥式全控整流电路中,晶闸管VT VT4组成一对桥臂,VT2和VT3组 成另一对桥臂。在u2正半周(即a点电位高于b点电位),若4个晶闸管均不导 通,负载电流i为零,u也为零,VT、VT串联承受电压u,设VT和VT的漏电 dd14214阻相等,则各承受u2的一半。若在触发角a处给VT1和VT加触发脉

3、冲,VT、41VT即导通,电流从a端经VT、R、VT流回电源b端。当u为零时,流经晶闸管4142的电流也降到零,VT和VT关断。14在u2负半周,仍在触发延迟角a处触发VT和VT (VT和VT的a =0处为s323t=n), VT2和VT3导通,电流从电源的b端流出,经V-、R、VT2流回电源a端。 到u2过零时,电流又降为零,VT2和VT3关断。此后又是VT1和VT4导通,如此 循环的工作下去,整流电压ud和晶闸管VT、VT两端的电压波形如下图(2)所4示。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为:u和血U。Z 22工作原理第1阶段 st):这阶段u2在正半周期,a点电位高于b点电位晶闸管V

4、T和VT方向串联后于u连接,VT承受正向电压为u/2, VT承受 u/2的反向1 2 2 1电压;同样VT和VT反向串联后与u连接,VT承受u /2的正向电压,VT承受342324u2/2的反向电压。虽然VT1和VT3受正向电压,但是尚未触发导通,负载没有电 流通过,所以ud=0, id=0odd第2阶段(stn):在st】时同时触发VTVT3,由于VTVT3受正向 电压而导通,有电流经a点*VT f R*VT f变压器b点形成回路。在这段区间13里,u=u , i =i =i =u /R。由于VT和VT导通,忽略管压降,u =u =0,而承d 2 d VT1 VT3 d13VT1 VT2受的

5、电压为u =u =u oVT2 VT4 2第3阶段(ns t2):从st=n开始u2进入了负半周期,b点电位高于a点电位,VT1和VT3由于受反向电压而关断,这时VTVT都不导通,各晶闸管14承受u2/2的电压,但VT】和V-承受的事反向电压,VT2和VT4承受的是正向电压, 负载没有电流通过,ud=0, id=i =0odd 2第4阶段(st 2n):在st2时,u2电压为负,VT2和VT4受正向电压, 触发VT2和VT4导通,有电流经过b 点fVT2fRfVT4*a点,在这段区间里,匕巴,id=ivT2=ivT4=i2=Ud/R。由于VT2和VT4导通,VT2和VT4承受u2的负半周期电压

6、,至 此一个周期工作完毕,下一个周期,充复上述过程,单项桥式整流电路两次脉 冲间隔为180。(2) 逆变部分主电路设计:如图所示,它有两个桥臂,每个桥臂由一个全控器件和一个二极管反并联而成。 在直流侧有两个相互串联的大电容,两个电容的中点为直流电源中点。负载接 在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。开关器件设为V1和V2,当负载为感性时,输出为矩形波,Um=Ud/2刚开始V1为通态,V2为断态,给V1关断信号,V2开通信号后,V1关断,但由 于感性负载,电流方向不能立即改变,就沿着VD2续流,直到电流为零时VD2 截止,V2开通,电流开始反向。依此原理,V1和V2交替导通,VD1和VD2交替 续

7、流。此电路优点在于结构简单,使用器件少,缺点是输出交流电压幅值仅为Ud/2。(3) 控制电路的设计:控制电路需要实现的功能是产生控制信号,用于逆变电路中功率器件的通断 通过对逆变角的调节而达到对逆变后的交流电压的调节。我们采用PWM控制方法,进行连续控制,我们采用了 SG3525芯片,它是一款专 用的PWM控制集成芯片,它采用恒频调宽控制方案,内部包括精密基准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器和保护电路等。SG3525是电流控制型PWM控制器,所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电 流来调节脉宽的。在脉宽比较器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

8、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和电流环双环系统,因此,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,是目前比较理想的新 型控制器。SG3525的结构和工作原理:Representative Block Diagramvcc XL:WA IbirofrrjCirwiry阳Ftn驚tfKfer-酢7qSJ1162153144135126117168CTRT故电0同步端二|负应Z Vs B曾E一 A. BffC二I二I AE二闭讯揑制二1紺I. Inv.input (引脚1):误差放大器反向输入端。在闭环系统中,该引脚接反馈 信号。在开环系统

9、中,该端与补偿信号输入端(引脚9)相连,可构成跟随器。 2.Noninvinput (引脚2):误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中, 该端接给定信号。根据需要,在该端与补偿信号输入端(引脚9)之间接入不同 类型的反馈网络,可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。3.Sync(引脚3):振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现 与外电路同步。4. OSC .Output(引脚4):振荡器输出端。5. CT(引脚5):振荡器定时电容接入端。6. RT (引脚6):振荡器定时电阻接入端。7. Discharge(引脚7):振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻,构

10、成放电回路。8.Soft-Start (引脚8):软启动电容接入端。该端通常接一只5的软启动电容。9. Compensation (引脚9) : PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接 入不同类型的反馈网络,可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。10. Shutdown (引脚10):外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连,以实现故障保护。11. Output A (引脚11):输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。12. Ground(引脚12):信号地。13. Vc(引脚13):输出级偏置电压接入端。14.Output B (引脚14

11、):输出端B。引脚 14和引脚11是两路互补输出端。15Vcc (引脚15):偏置电源接入端。16Vref (引脚 16):基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准其中,脚16为SG3525的基准电压源输出,精度可以达到(5.11%) V,采用了温度补偿,而且设有过流保护电路。脚5,脚6,脚7内有一个双门限比较器,内电容充放电电路,加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525的振荡器。 振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1及脚2分别为芯片内误差放大器的反 相输入端.同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器,直流开环增益为70dB 左右。SG3525的特点如下:工作电压范围宽:835V。

12、(2) 5.1(1 1. 0%)V微调基淮电源。(3) 振荡器工作频率范围宽:100Hz 400KHz(4) 具有振荡器外部同步功能。(5) 死区时间可调。(6) 内置软启动电路。(7) 具有输入欠电压锁定功能。(8) 具有PWM琐存功能,禁止多脉冲。(9) 逐个脉冲关断。(10) 双路输出(灌电流/拉电流):mA(峰值)。各部分功能:a基准电压源:基准电压源是一个三端稳压电路,其输入电压VCC可在(8一35) V内变化,通常采用+15V,其输出电压VST = 51V,精度1%,采用温度补偿, 作为芯片内部电路的电源,也可为芯片外围电路提供标准电源,向外输出电流 可达400mA,没有过流保护电

13、路。b振荡电路:由一个双门限电压均从基准电源取得,其高门限电压VH=3.9 V, 低门限电压VL=09,内部横流源向CT充电,其端压VC线性上升,构成锯齿波 的上升沿,当VC=VH时比较器动作,充电过程结束,上升时间t1为:t1= 0. 67RTCT比较器动作时使放电电路接通,CT放电,VC下降并形成锯齿波的下降沿,当 VC=VL时比较器动作,放电过程结束,完成一个工作循环,下降时间间t2为:t2=1 3RDCT注意:此时间即为死区时间锯齿波的基本周期T为:T=t1+12=(0 67RT+1 3RD)CT振荡频率:f=1/TCT和RT是连接脚5和脚6的振荡器的电阻和电容,RD是于脚7相连的放电

14、电 阻的阻值。控制电路图:15V-VORR33 1KU1SG3525sync DISCCSS COMPSOVREFOSCOUTAOUTB三R312OQ(4)驱动电路的设计:565810Te4Ti)4D2D3C31uFO.luf驱动信号如图,我们采用了电气隔离的光耦合方式。光耦合器(optical coupler,英文缩写为OC) 亦称光电隔离器,简称光耦。光 耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入输出电信号有良好的隔离作用,所 以,它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光 电器件之一。光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。 输入的电信号驱动发光二极管(L

15、ED),使之发出一定波长的光,被光探测器接 收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。这就完成了电一光一电的转换, 从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有 良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的 低阻元件,因而具有很强的共模抑制能力。所以,它在长线传输信息中作为终 端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔 离的接器件,可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是:信号单向传输,输入端与输出端完全实现了电气隔离 隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,工作稳定,无触点,使用寿 命长,传输效率高。光耦合器是70年

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