基于SG3525的单相桥式逆变器的设计与仿真-姚宁

方案设计丨ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎ基于ＳＧ3525的单相桥式逆变器的设计与仿真作为应用最为广泛的单相桥式逆变器，为了提高产品的侧接在电网上时，即交流电接有电源，集成度及可靠性，提出用集成ＰＷＭ控制器ＳＧ3525产生的称为有源逆变；当交流侧直接和负载连ＰＷＭ信号作为桥式驱动集成电路芯片丨Ｒ2110的输入信号，接时，称为无源逆变。逆变器在工作过并由丨Ｒ2110驱动大功率场效应管ＭＯＳＦＥＴ以逆变出交流电程中电流不断从一个支路流向另一个支的方案。最后利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ强大的仿真功能建立其路，这就是换流。换流方式在逆变电路仿真模型，通过对电路参数的选择优化完成样机的制作。实中占有突出的地位。ＭＯＳＦＥＴ属干全控＠证明使用ＳＧ3525ＴＳＶ1■的单相桥式逆变＃§具有性能优良、型器件，可利用其自关断能力进行换流功能齐全以及通用性较强的特点，因此该系统有较好的实用一单相（益件换流）。价值图1中Ｑ1￣Ｑ4是典型的桥式电路。姚宁／许昌学院电气信息工程学院当Ｑｌ、Ｑ4导通，Ｑ2、Ｑ3关断时，电流从Ｑ1流向Ｑ4，负载电压为正；同理，逆变器是指通过半导体功率器件当Ｑｌ、Ｑ4关断，Ｑ2、Ｑ3导通时，负载（如ＧＴＲ、ＭＯＳＦＥＴ和ＩＧＢＴ等）的导通电压为负，这样就将直流电转变为交流与关断，将直流电能转换成交流电能，电，改变两个臂导通的切换频率，即可ｒ＾ｍ是整流器的反向变换装置。逆变器技术改变输出交流电的频率，这就是逆变电融合了电力电子开关器件技术、模拟与路最基本的工作原理。当负载为电阻｜Ｈ数字技术以及ＰＷＭ技术等现代技术。时，负载电流和电压的波形相同，相位（由于逆变器是通过功率器件的导通和关也相同；当负载为电感时，电流相位滞＾断进行电能转换的，因此具有转换效果后于电压，两者波形也不相同。巴高的优点，同时也使其输出的波形比较＾差’且含有较高的谐波成分。逆变器尤ｐ。｜Ｑ1（＾，否Ｑ二姚宁／讲师其是正弦波逆变器，已经广泛应用于各ｍＲ60ｒＲｙ？种工业和民用的功率变换装置中，如交1ＶＳ＇＾ＶＳ2流传动系统、ＵＰＳ电源和变频电源。同时各种先进控制技术的发展，使其性能、效ＮｍＦ460Ｔｒ＂＾460关键词／Ｋｅｙｗｏｒｄｓ率和可靠性都提高到一个新的水平。图1全桥逆变电路单相桥式逆变器？ＭＯＳＦＥＴ？逆Ｗ器工作原理及分ｉ2．逆变器的分类ＳＧ3525‘1．逆变电路的工作原理（1）单相全桥逆变器ＰＷＭ－逆变器通过开关器件的有序导通全桥是指内部驱动电路的结构形＿0．与关断将直流变换为交流方波。当交流式，其中由各含2个功率晶体管的桥臂连接成正方形组成全桥，4个晶体管轮流工河南省科技厅项目（丨42丨022丨0292），河南省教ｆ作于正弦波的各个波段，两组开关的中（14Ａ140020）？性点构成输出端，相当于取两个半桥的140丨石（ｆｌ．冶金电气．2015年第34卷第8期基于ＳＧ3525的笮柑桥式逆变器的设计与仿真ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎ｜方案设计电压差，因此可以得到正负双向的交流输出。全2咖Ｕ－＿ｎＯｆ／（3）桥逆变器可以不依赖外加器件，仅使用单电压源°｜＿Ｊｔ＿‘ｄ输出双端的完全交流信号。单相全桥逆变电路及式中，ｃ／＾为基波的幅值；…为基波的有效值。其电压电流波形如图2所示。．主电路的选择和设计ＵｇｌＨｂｄ‘丨本样机的设计采用单相全桥结构，具体设计参ｕｇ2＂ｌ＝ｄ数如下：输入直流电压为48Ｖ；输出功率为1ｋＷ；－ｎｍ￣Ｕｇ3｜ｎ「■输出电压为单相交流220Ｖ。ＶＴ＾Ｊ2ｉＶＤ，ＶＴ3，Ｊｙｄ21‘‘‘1ｌ＾3ｕｇ4＾＾1？单相逆变器的系统原理图单相逆变器硬件回路由主电路、控制电路和＿丨：ＩＶＤｌ‘ｌＶＤｊｆ驱动电路3部分组成。其中主电路采用典型的交－直－交变换电路；控制回路以集成ＰＷＭ控制器⑷单相全桥递受电路（ｂ）电压电流波形、ｎｎｒ－4．ｒ4．ＬＬｉｎｏｉ1ａｔｘ．／，！ＳＧ3525为核心；驱动电路由驱动芯片ＩＲ2110及外图2单相全桥逆变电路及其电压电流波形＆工―一围构成。单相逆变器的系统原理如图4所71＾（2）三相桥式逆变器ｉｉｒ—ｎ，［－—1＾．，ｃｐｏｃｏｃ光锅＾ＩＲ？110ｉ＞■全桥逆又流》ＯＵＴＰＵＴ三相桥式逆变器由3个桥臂和6个功率晶休＾Ｘ／Ｍ隔离———变电路1」ＭＯＳＦＥＴ￣￣管组成，逆变器的输出分别位于三组开关的中性Ｔ直流点，取两两之间的电压差就可以得到三相电所需ｇｇ的3个相电压。控制三组功率晶体管的导通和关断顺序，三相桥式逆变器即可以输出幅值相等、频率34相等的三相电信号。三相桥式逆变电路如图3所示。（1）逆变主电路逆变器的核心是逆变开关电路，通过功率器ｕ，ｆＶｒ＾＾Ｖｒ＾ＶＤ！ｆ牛通和关断完成变工力育Ｂ。本？白勺3：％48Ｖ输入、220Ｖ输出的逆变电源由以下几部分＼／ＴＶＤ4ｖｔＶＤ6ＬＩ1＿ｒｗｖ＞＾ｌＴＣＯｖＴ＾组成。」＿＿1）降压电路。为了得到直流48Ｖ电源，需要Ｕｎ，ｒ－｜＿Ｊ夺目漂邑＝＾111在整流电路前加变压器将交流220Ｖ变为交流电源40Ｖ，由于降压电路简单在此不作详述。图3电压型二相桥式逆变电路2）整流电路。其电路如图5所示。3．逆变器的输出电压计算，单相全桥式逆变电路在各类产品中得到广泛一￣的应用，当逆变器中的功率晶体管以ＰＷＭ调制的＾58．92＾8192＾＾方式工作时，按傅里叶级数展开后，幅值为＾的ＡＣＶＤ，＿＿ＶＤ4＿＿矩形波ｔ／。可以看作是由基波和谐波的叠加，因此存在以下关系图5整流电路Ｕｎ＝＾＾－（ｓｉｎｃｙ／＋丄ｓｉｎ3收＋丄ｓｉｎａ）ｔ＋－＂）（1）＾35系统的工作原理如下：当交流电压处于正向4Ｕｄ（2）电压时，二极管ＶＤ，、ＶＤ4导通，电流从二极管ｔ／°ｌｍ＝￣＝1＇27ｔ／ｄＶＤ，，ＶＤ4流过，通过负载电阻对电容Ｃ，、（：2充ｗｗｗ．ｅａｇｅ．ｃｏｍ．ｃｎ2015年4月下．冶金电气．《［名（ｆｌＩ141方案设计丨ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎ电；当交流电压处于负半周期时，二极管ＶＤ2、同时该引脚还通过电阻／？14（10Ｑ）与引脚7相连；ＶＤ3导通，电源通过二极管ＶＤ2、ＶＤ3，负载对电引脚8通过Ｃｌ4（100ｎＦ）接地，起到软起动功能；容Ｃ，、Ｃ2充电。经过周期性的工作后，最终输出电引脚13和引脚15为该芯片的工作电压输入端，接压经电容Ｃ，、＜：2滤波后得到直流电压。15Ｖ电源；引脚11、引脚14为两路ＰＷＭ信号输出3）全桥逆变电路。本文采用全桥逆变电路端；ＰＷＭ1和ＰＷＭ2为ＳＧ3525输出的两路占空比作为主电路，该电路适合大功率输出电路。电相等、相位差为180°的驱动信号。通过／？｜6调节占路由大容量的电解电容Ｃ；和4个型号为ＩＲＦ460的空比，调节／？16即可改变输入引脚2的电压值…，ＭＯＳＦＥＴ管组成。直流电压由整流桥的输出经整当参考电压仏减小时，ＰＷＭ1的占空比增大。由流滤波后提供。单相全桥逆变电路共由4个桥臂ＳＧ3525输出ＰＷＭ1和ＰＷＭ2两路ＰＷＭ信号，通过组合而成：其中桥臂1和4为一对，是正电压形成光耦隔离及驱动电路驱动逆变器的上下桥臂两路通道；桥臂2和3为另一对，是负电压形成通道。ＭＯＳＦＥＴ管。驱动波形的同时控制同一桥臂的两个ＭＯＳＦＥＴ导ｉ5ＶＵ5通，上下桥臂交替导通各180°，从而在负载处得到1，3＇ＴＶ交变的电压。（2）ＰＷＭ信号的产生＿ｉ｜￣Ｉ6—ＰＷＭ＇Ｉ／？，：5．1ｋＱＬ－｜￣￣｜1脉宽调制（ＰＷＭ）技术是随着自关断器件的51、，上｜￣ｆ［ＰＷＭ2发展而发展起来的。20世纪80年代以后，被广泛｜｜8应用于工业频率控制的逆变器中，因而得以迅速ｆＣ＇4ＳＧ3525发展并逐渐成熟。ＰＷＭ利用半导体开关器件的导”通和关断使输出端得到一系列幅值相等而宽度不图6ＰＷＭ信号产生的电路相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或需要的（3）光耦隔离电路波形，并按照一定的规则对脉冲进行调制即可改ＳＧ3525发出两路ＰＷＭ信号：其中一路信号经变逆变器的输出电压和输出频率。ＰＷＭ信号的产电阻Ｒ送到光耦1的输入端，同时该信号经74ＨＣ14生也从最初的分立元器件构成的模拟电路发展到反向处理后，送给光耦2；另外一路ＰＷＭ信号做同集成电路（如ＳＧ3525），该芯片可以输出两路互样的处理。经光耦隔离处理后的ＰＷＭ信号驱动集补的ＰＷＭ斩波信号、5．1Ｖ的基准电压以及脉宽信成电路芯片ＩＲ2110的高、低端输入信号。光耦隔号锁存等功能，因其具有高可靠性、使用方便等离电路如图7所示。一系列优点在功率变换电路中（如直流斩波、正。Ｐ1ＰＷＭ1Ｒ、ｒ－－－＾ｎＶ弦波整流器、谐波吸收和变频装置等）得到了广＾ＴｉｑＨＩＮ1泛的应用。Ｕ1Ａ＞9ＤＯＰ252110ｋＱ＿＿＿＾－－，＋12ｖ1ｋ”ｉｉＬＩＮ1ＰＷＭ信号作为驱动信号，控制单相桥式逆变器的Ｍｕｍ—；ＪｎＯＰ352110ｋＱ4个ＭＯＳＦＥＴ管交替导通，从而在负载处逆变出交＾——卞．－；厂1＋旧灿，ｋＱ！Ｈ］Ｎ2＇／ｍｌ电ｏ＿ｊ＿｜Ｕ2Ａ，■＊‘—￣ＰＷＭ信号产生的电路如图6所示。其中，引脚1＾02＾＾气＋12，1与引脚9短接；引脚2通过电阻／？15（10ｋＱ）和电！2位器／？｜6（10ｋ￡2）的中性点相连；电位器／？，6的两＂5＇2＂＇ｉｆｋＱ端分别接基准电压（5．1Ｖ）和接地；引脚3和引脚’114悬空，引脚5通过滤波电容Ｃｌ3（0．01＾ｉＦ）接地，07光麵离电路142Ｉ．冶金电气．2015年第34卷第8期某：Ｔ－ＳＧ3525的笮相桥式逆变器的设计与仿真ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎ［方案设计（4）ＭＯＳＦＥＴ栅极驱动电路设计一个小容量的电容并联作为自举电容，在逆变器的工为了提高单相逆变器的可靠性、简化电路以作频率为20ｋＨｚ时，选取Ｃ，。为0．1＾Ｆ，〔9为1．0垆。及提高系统的集成度，经过调研决定采用美国ＩＲ并联高频小电容的作用是吸收逆变电路工作时产公司出品的ＩＲ2110驱动集成芯片。该芯片采用双生的干扰电压。通道、栅极驱动，另外在芯片中还采用了高集成的电平转换技术，简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，并集成了多种保护功能，因此电路参为了验证文中所提方案的正确性，需要选择数一致性好、稳定可靠。1Ｒ2110上管采用外部自合适的器件参数，利用ＭａｔｌａｂＳｉｍｕｌｉｎｋ软件对单相举电容上电方式，因此减少了驱动电源的数量。逆变电路进行仿真。为了得到与实际相符合的结对于常见的三相桥式逆变器，由于1Ｒ2110集成两果，对电路的元器件建立合适的模型。仿真模型路驱动电路，因此只需三片ＩＲ2】］0、一路15Ｖ电主要由ＰＷＭ波形发生器、单相逆变器和尺Ｌ滤波器源。在硬件设计上大大减少了电源变压器的体积组成。和驱动电源数量，提高了系统的可