SPWM全桥逆变器主功率电路和控制电路设计

1SPWM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。2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3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(0．001HZ～4300KHZ)，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O．5％，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，10脚接定时电容C。13、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5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6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）: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0V7Nc（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10—20V。4）逻辑电源的输入范围（脚9）5—15V，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，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40V400Hz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8)21221(16.0RRRCRf产生正弦波时，C=0.47μF，R1+R2=21KΩ,10KΩR111KΩ,10KΩR211KΩ。输出f=400Hz时，调节1KΩ电位器，可以调节输出频率为400Hz。产生正弦波时，C=1000pF，R1+R2=35KΩ,15KΩR120KΩ,15KΩR220KΩ。输出f=6000Hz时，调节5KΩ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5．PWM脉宽调制PWM(PulseWidthModulation)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9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(Sinepulsewidthmodulation，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较产生，而另一个桥臂脉冲由同一正弦波和反相的三角载波比较产生(或者是反相三角载波和同一正弦波比较产生)。这种调制输出谐波性能等效于2倍载波频率的单相单极性SPWM，所以叫做倍频式SPWM，它仅仅在控制上作了简单改动，却大幅度提高了性能，是一种很具实用价值的技术。对开关频率不变，等效输出频率倍增的效果，可以从不同的角度直观理解：一种是从调制波反相角度看，将两桥臂视为两组独立反相双极性SPWM半桥输出，它们的奇数倍开关频率谐波群也反相抵消掉了；或者可以从载波反相角度理解，相当于等效载波频率加倍。由于逆变器应用场合不同，负载特性与要求也各异，到目前为止并没有一种PWM方法能够兼顾各方面的要求。随着逆变技术和微处理10器性能的不断发展，传统的PWM控制方法不断受到新控制策略的挑战，新思想、新方法和新技术层出不穷，形成了逆变控制技术蓬勃发展的景象。2).正弦脉冲宽度调制到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，简称正弦脉宽调制。产生SPWM脉冲，采用最多的载波是等腰三角波；既可以采用自然采样也可以规则采样；既可以采用单极性控制模式也可以采用双极性控制模式，但使用较多的是规则采样双极性控制方式。a.准正弦脉宽调试法在正弦调制波上叠加幅度适当并与正弦调制波同相位的三次谐波分量，从而得到合成后的马鞍形调制波，这个三次谐波和三角波比较产生PWM脉冲的方法就是准正弦波脉冲宽度调制法。b.消除特定谐波法消除特定谐波法的核心是通过对电压波形脉冲缺口位置的合理安排和设置，以求既能达到控制输出电压基波大小，又能有选择地消除逆变器输出电压中某些特定谐波的目的。c.电压空间矢量脉冲宽度调制技术电压空间矢量脉冲宽度调制技术是从交流电机的角度出发，以控制交流电机磁链空间矢量轨迹逼近圆形为调制目的，以求减小电动机的转矩脉动，改善电动机的动态性能。117．主要参数和器件清单ICL8038波形发生器2个LF353运放器1个LM311比较器2个4069反向器2个IR21102个IRF1504个4.7K电阻若干10K电阻若干0.01uf电容若干8.参考文献《电力电子技术》金海明郑安平等编著北京邮电大学出版社《电力电子应用技术》叶斌主编清华大学出版社《电力电子自关断器件及电路》黄俊秦祖荫机械工业出版社129.心得体会这次课程设计历时二个星期多左右，通过课程设计，发现自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。刚开始的时候，大家就分配好了各自的任务，大家有的绘制原理图，进行仿真实验，有的积极查询相关资料，并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经仿真成功而热情高涨。虽然这只是一次的极简单的课程制作，可是平心而论，也耗费了我们不少的心血，才意识到老一辈对我们社会的付出，为了人们的生活更美好，他们为我们社会所付出多少心血啊！通过这次课程设计，我想说：为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐，和团队人员这十几天的一起工作的日子，让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的实习，我感觉我和同学们之间的距离更加近了。这个工程确实很累，但当我们仿真实验成功的时候，我们的心中就不免兴奋，不免激动。以前种种艰辛这时就变成了最甜美的回忆！对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知