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1、SPWM全桥逆变器主功率电路和控制电路设计一设计目的通过电力电子技术的学习， 熟悉无源逆变概念； 采用全桥拓扑并用全控器件 MOSFET形成主电路拓扑，设计逆变器硬件电路，并能开环工作。熟悉全桥逆变器拓扑， 掌握逆变原理，实现正弦波输出要素，设计 SPWM逆变器控制信号发生电路。输入： 48VDC输出： 40VAC/400HZ二设计任务(1) 掌握全桥逆变的概念，分析全桥逆变器中每个元件的作用；（ 2）分析正弦脉宽调制 SPWM原理，及硬件电路实现形式；（ 3）应用 Protel 制作 SPWM逆变器线路图；（ 4）根据线路图制作硬件，并调试；三设计原理电路组成及工作原理分析：电路主要由正弦波
2、和三角波发生电路，控制电路和逆变电路组成。电路中所用到的元器件主要有ICL8038，运算放大器LF353，比较器 LM311，IR2110，MOSFET，CD4069，电阻电容及齐纳二极管组成。控制电路分析 ：当电路开始工作， 首先由 ICL8038 产生的正弦波和三角波， 正弦波和三角波的幅值由可调电阻来控制， 得到的波可以通过 LF353 运算放大器构成的反相电路进行反向， 得到方向相反的正弦波， 正弦波与三角波信号通过 LM311比较芯片产生 SPWM脉冲。1主电路分析：本次设计我们采用倍频式SPWM技术，在开关频率不变的情况下，达到输出频率倍增的效果。IR2110 用于驱动全桥逆变器用
3、以控制MOSFET的通断，在 IR2110 的外围电路使用二极管和齐纳二极管防止MOSFET的同时导通而击穿。如下图所示，MOSFET采用 2SK1825，4 个2SK1825两两串联后并联成桥式逆变主电路，U输入为出入电压， VDC输出电压，电容 C1、C3为 VCC的滤波电容，电容 C2、C4为自举电容，二极管为自举二极管。MOSFET的驱动采用芯片IR2110 驱动， 2 个IR2110 芯片分别驱动桥式逆变主电路的2 个桥臂。工作时，两个IR2110（1）和 IR2110（2）的输入 SPWM脉冲是相反的，两个IR2110分别驱动不同桥臂的MOSFET管， IR2110（1）的 HO驱
4、动 Q1、IR2110（ 1）的 LO驱动 Q2，IR2110（2）的 HO驱动 Q3、IR2110（ 2）的 LO驱动 Q4，由于输入的两个SPWM脉冲是相反的， 2 个桥臂上的 MOSFET管会交叉导通，即Q1、Q3同时导通或者 Q2、Q4同时导通，两种情况2依次循环导通，从而完成逆变。1正弦波和三角波的生成电路设计实现 PWM控制的方法有很多， 虽然具体的控制方案不尽相同， 但不论是哪一种 PWM控制策略，一般都必须包含两个基本环节： 一是计算并确定逆变器开关状态的切换时刻， 二是在设定的时刻输出逆变器的控制脉冲。能够实现以上 PWM控制基本任务的方法大致可以分为硬件电路和软件控制产生两
5、大类。在这次设计中， 我们采用专用集成电路来实现。 正弦波和三角波的产生由专门的 ICL8038 生成，芯片 ICL8038 能够稳定输出方波、三角波、正弦波等，输出波形精度高， 输出频率范围很宽 (0 001HZ3300KHZ)，还有温漂小，外围电路简单等优点。 ICL8038 的 8 脚为调频电压输入，即振荡输出频率受此端电压的控制， 是一种电压一种频率(V f) 转换电路，称为压控振荡。其振荡频率与调频电压成正比，线性度约为 O5，调频电压的值是指 +Vcc 端与管脚 8 之间的电压，此值应不超过 l 3(Vcc+Vee) 。7 脚为调频电压输出端，其值由器件内部的分压电阻值决定， 这里
6、指的是 Vcc 端和 7 脚之间的电压， 此值为 l 5(Vcc+Vee) ，它可作为 8 脚的输入电压。 3 脚为三角波输出端，2 脚为正弦波输出端， 4 脚为占空比调整端， 5 脚为频率调整端， 6 脚为电源正极 Vcc，11 脚为电源负极 Vee，1 0 脚接定时电容 C。1 3 、14 脚为空脚。2逆变电路设计所谓“逆变是将直流电转化为极性周期改变的交流电，从电路拓扑上看，有多种结构可以实现电能的极性反转。以电压源功率变换为例：桥式逆变结构基本的电压源桥式逆变结构如图所示，两组功率开关串联跨接于4电源，成为一个桥臂，以其串联中点为输出点。这样的结构不允许串联开关同时导通， 按照不同开关
7、的通断组合， 桥臂可以将它所跨接的两个不同电位作为输出， 合理安排这些不同的桥臂输出电位可能生成有正有负的输出电压， 这是桥式逆变电路实现电源极性变换的基本原理。桥式电路是逆变器中得到最广泛应用的拓扑形式， 其器件电压耐受值较低，控制、组合灵活，在自换流或者负载换流模式都可以工作，不依赖变压器参与逆变， 适应性非常广泛。桥式电路的形式多种多样，如半桥、全桥、三相桥、多相桥等。3驱动电路设计在功率变换装置中，根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式. 美国 IR 公司生产的 IR2110 驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点， 是中小功率变换装置中驱动器件的首选。该芯片
8、具有驱动电流大，速度快，外围电路简单，可驱动母线电压高达 500V的全桥，对输入信号要求低等优良性能。IR2110 的内部功能框图如图1 所示。由三个部分组成： 逻辑输入，电平平移及输出保护。如上所述IR2110 的特点，可以为装置的设计5带来许多方便。 尤其是高端悬浮自举电源的成功设计， 可以大大减少驱动电源的数目，三相桥式变换器，仅用一组电源即可。IR2110 引脚功能及特点简介：L0( 引脚 1) ：低端输出COM(引脚 2) ：公共端Vcc（引脚 3）: 低端固定电源电压Nc（引脚 4）:空端Vs（引脚 5）: 高端浮置电源偏移电压VB ( 引脚 6): 高端浮置电源电压HO（引脚 7
9、）: 高端输出Nc（引脚 8）:空端VDD（引脚 9）: 逻辑电源电压HIN（引脚 10）:逻辑高端输入SD（引脚 11）: 关断LIN（引脚 12）: 逻辑低端输入Vss（引脚 13）: 逻辑电路地电位端，其值可以为0V6Nc（引脚 14）: 空端IR2110 的特点：1）具有独立的低端和高端输入通道。2） 悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V。3） 输出的电源端（脚3）的电压范围为1020V。4） 逻辑电源的输入范围（脚9）515V，可方便的与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有V 的便移量。5） 工作频率高，可达500KHz。6） 开通、关断延迟小
10、，分别为120ns 和 94ns7） 图腾柱输出峰值电流2A4.设计原理图分析及参数计算1.参数计算输入、输出电压波形如图所示，要求输出 40V 400Hz 交流电压。本次设计中采用正弦波调制 SPWM 脉冲，所以需要 400Hz 的正弦波， 三角波可以选用 10 倍到 20 倍的正弦波频率，我们选用 15 倍， 6000Hz。正弦波和三角波的产生采用 ICL8038 芯片产生。ICL8038 芯片产生三角波和正弦波的振荡频率由下式确定7f0.6R2R1C(1)2R1R2产生正弦波时， C=0.47F，R1+R2=21K,10 K R111 K,10 K R211 K 。输出 f=400Hz
11、时，调节 1 K 电位器，可以调节输出频率为 400Hz。产生正弦波时， C=1000pF，R1+R2=35K,15 K R120 K,15 K R220K 。输出 f=6000Hz 时，调节 5 K电位器，可以调节输出频率为6000Hz。正弦波波形三角波波形正弦波与三角波重合生成的SPWM 波形5PWM脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要8波形 ( 含形状和幅值 ) 。当采用正弦波作为调制信号来控制输出 PWM脉冲的宽度，使其按照正弦波的规律变化， 这种脉冲宽度调制控制策略就称为正弦脉冲宽度调制 (Sine pulse width modulation ，SPWM)，产生 SPWM脉冲，采用最多的载波是等腰三角波；因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称， 当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时， 如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。 在调制信号波为正弦波时，所得到的就是 SPWM波形。1). 全桥倍增 SPWM控制主电路和其他全桥逆变电路完全一致，控制脉冲的发生类似双极性 SPWM的模式，所不同的是，其桥臂之一所使用的互补控制脉冲由正弦调制波和三角载波比
