正弦波逆变器设计毕业论文

安阳师范学院本科学生毕业设计报告正弦波逆变器设计作者：系（院）：物理与电气工程学院专业：电气工程及其自动化年级：学号：111154021指导老师：日期：诚信承诺书郑重承诺：所呈交的论文是作者个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与作者一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：导师签名：日期：院长签名：日期：论文使用授权说明本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密论文在解密后遵守此规定。作者签名：导师签名：日期：第1页正弦波逆变器设计（安阳师范学院物理与电气工程学院,河南安阳455000）摘要：本论文基于IR2110控制芯片设计了一个全桥正弦波逆变器。文章首先简要介绍了逆变器的基本工作原理、电压控制芯片SPWM脉宽调制方式及芯片IR2110的内部结构、管脚功能和其特性，IRF540N通道增强型场效应功率开关管的特性。提出了基于IR2110芯片构成的单相电压全桥控制正弦逆变器,并对电压控制全桥正弦电压逆变器电路的主电路、控制电路、死区时间电路和输出低通道滤波电路四个部分进行了详细设计。关键词：逆变器；IR2110；开关管；正弦脉宽调制1引言1.1逆变器的用途和意义逆变器出现于电力电子飞速发展的20世纪60年代，随着社会的飞速发展，逆变器越来越得到广泛的应用。逆变器在发电厂发电系统、工厂企业中具有举足轻重的作用，其性能的改进对于提高系统的效率、可靠性,降低成本至关重要。电力逆变电源有着广泛的用途，它可用于各类交通工具，如汽车、各类舰船以及飞行器，在太阳能及风能发电领域，逆变器有着不可替代的作用。在电力系统中为保证变电所的诸如后台机、分站RTU、通讯设备等能在交流电源停电后不间断工作，工程做法一般采用UPS电源作为主要解决方案，但UPS电源存在容量小、价格贵、故障率高、维护量大等不足，因此综合自动化变电所中可采用电力正弦波逆变电源来代替常规不间断UPS电源。交流电动机的调速用变频器、UPS不间断电源，感应加热电源等电力电子装置，其电路的核心部分都是逆变电路。此外，逆变器还可将直流电能转换为交流电供用户直接使用或输送到电网，对节约自然资源和环境保护有举足轻重的意义。1.2逆变器发展历程、现状和趋势逆变技术的原理早在1931年就有人研究过，从1948年美国西屋电气公司研制出第一台3KHZ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）、电力开关管（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）、绝缘栅极开关管（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80年代后，逆变技术从应用低速器件、低开关频率逐渐向采用高速器件，提高开关频率方向发展。逆变器的体积进一步减小，逆变效率进一步提高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大提高。目前，逆变器技术多数采用了MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制电路，甚至采用数字信号处理器（DSP）控制。各种现代控制理论，如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用领域也达到了前所未有的广阔，从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站；从日常生活的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备，都少不了逆变电源。毋须怀疑，随着计算机技第2页术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。2设计要求2.1设计要求(1)制作正弦波逆变器，输入端用12V蓄电池产生的直流电供给电路，输出端输出12V的交流电压。(2)设计电路最后输出电压波形为正弦波。(3)设计电路最后输出交流电压频率为50HZ。2.2设计思路题目要求设计一个单相电压正弦波逆变电源，输出电压波形为50HZ，电路输出电压波形为正弦波。设计中主电路采用DC-AC的逆变技术，控制部分采用SPWM（正弦脉宽调制）技术，利用芯片IR2110对逆变器件电力开关管MOSFET进行驱动控制，同时电路中死区时间控制和低通道滤波的功能，增强了电源的安全性和稳定性，使输出获得交流正弦波的稳压电源。3方案论证3.1方案1半桥式DC-AC逆变电路。在驱动电压的开关轮流作用下,半桥电路两只开关管SW1和SW2交替导通和截止,从而产生交变的方波脉冲,实现功率转换。半桥式结构原理图如图1所示，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和电容组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点便为直流电源的中点。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:9-May-2013SheetofFile:C:\Users\lenovo\Desktop\单桥.DdbDrawnBy:Cin控制SW1SW2CCLCVoutVinACAC图1半桥式结构电路图3.2方案2全桥DC-AC逆变电路。全桥式电路如图2所示，他有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。全桥电路中桥臂SW1与SW3互为一对，桥臂SW2与SW4互为一对，互为对角的两个开关同时关断导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电能变成幅值与输入电压幅值相等的交流电压，改变开关的占空比，可以改变输出电压。成对桥臂的两个开关管在脉冲触发下同时导通，每对桥臂轮流导通，负载两端就得到交流电能。每对桥臂分别工作半个周期，其输出电压波形为180度的方波。第3页123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:9-May-2013SheetofFile:C:\Users\lenovo\Desktop\单桥.DdbDrawnBy:Cin控制SW1SW2LCVoutVinACACSW3SW4图2全桥式结构电路图3.3方案比较方案一和方案二都可以作为DC-AC逆变电路，由两者的工作原理可知，半桥需要两个开关管，电路简单且使用器件少。全桥需要四个开关管。半桥和全桥的开关管的耐压都为VDC,而半桥输出的电压峰值是1/2DC，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还需要控制两个电容器的电压的均衡。全桥输出电压的峰值是VDC，所以在获得同样的输出电压的时候，全桥的供电电压可以比半桥的供电电压低一半，且直流侧不需要两个电容器串联，工作时也不需要控制两个电容器的电压的均衡问题。出于这两点的考虑，决定采用方案二。4主要元器件介绍4.1IR2110芯片的介绍IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，DIP14脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路；输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；逻辑电源电压范围（脚9）5～15V，可方便地与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V的偏移量；工作频率高，开通、关断延迟小。IR2110的内部功能框图如图3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，电路中采用该芯片可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的成功设计，可以大大减少实际应用电路中的驱动问题。图3（a）IR2110内部功能框图第4页图3（b）IR2110管脚功能框图图3（c）IR2110半桥驱动电路实际设计电路中的IR2110的全桥驱动电路由IR2110的半桥驱动电路扩展而来。4.2IRF540MOS管介绍IRF540晶闸管是N沟道电压控制型MOS管，IRF540MOS管具有低的导通内阻，快速开断能力，而且驱动功率小、工作速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等优点，已广泛应用到DC-DC转换器，开关电源，电视及电脑显示器电源等。图4IRF540MOS管内部结构和参数5硬件设计5.1框图在电路设计中，12V蓄电池电源先经过滤波后输入电路中，保证输出有效值为12V的正弦波，不出现截止失真和饱和失真。系统方框图如图5所示，电路采用调节SPWM信号脉宽调制方式。在该系统中采用了两组相互隔离的辅助电源供电，一组供给SPWM信号控制器使用，另外一组供给输出电压电路使用，这样避免了交流输出的浮地和蓄电池的地不第5页能共地问题。因为SPWM控制器输出的SPWM信号不含死区时间，所以增加了死区时间控制电路，电路还设计了低通道滤波电路滤去谐波。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:10-May-2013SheetofFile:C:\Users\lenovo\Desktop\新建文件夹\protel图\单桥.DdbDrawnBy:12V蓄电池DC-AC转换滤波输出辅助电源SPWM驱动SPWM控制死区控制图5正弦波逆变器框图5.2逆变器的SPWM脉宽控制方式脉冲宽度调制，是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制。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环节上时，其效果基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。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，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，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小，称为正弦波脉宽调制。图示6所示即为正弦脉宽调制方式的脉冲序列波形。图6(a)单极性SPWM控制方式波形图6(b)双极性SPWM控制方式波形5.3电路原理介绍5.3.1正弦波逆变器的基本原理逆变器出现于电力电子飞速发展的20世纪60年代，随着社会的飞速发展，逆变器越来越得到广泛的应用。逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用，把直流电能转变第6页成为交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆过程。电压型逆变器是按照控制电压的方式将直流电能转变为交流电能，是逆变技术中常见的一种。单相全桥逆变电路也称“H桥”逆变电路，其电路结构如图7所示，由两个半桥电路组成。功率开关元件Q1与Q3互为一组，Q2与Q4互为一组，当Q1与Q3同时导通时，负载电压U0=+Ud；当Q2与Q4同时导通时，负载两端U0=-Ud，Q1与Q3和Q2与Q4轮流导通，负载两端就得到交流电能。单相全桥电路上述工作状况下Q1与Q3和Q2与Q4分别工作半个周期，其输出电压波形为180度的方波。前面所述的方波逆变电路虽然结构简单，但输出的电能质量较差，谐波分量大，随着功率器件的发展，正弦波脉宽调制（SPWM）技术得到了广泛的应用，SPWM控制是在逆变器输出交流电能的一个周期内，将直流电能变成幅值相等而宽度根据正弦规律变化的脉冲序列，该脉冲序列的宽度是随正弦波幅值变化的离散脉冲，经过滤波后得到正弦波交流电能。图7（a）单相全桥电路拓朴结构图7（b）全桥输出电压电流波形5.3.2控制线路设计原理在正弦波逆变器装置中，根据主电路的结构，其功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离，以免引起灾难性的后果。隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种