单相桥式PWM逆变器设计

安阳师范学院本科学生毕业设计报告单相桥式PWM逆变器的设计作者李岩松系（院）物理与电气工程学院专业电气工程及其自动化年级2008级专升本学号081852048指导教师陈永超日期2010年06月01日成绩学生诚信承诺书本人郑重承诺：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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。与我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。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。签名：导师签名：日期：第1页单相桥式PWM逆变器的设计李岩松(安阳师范学院物理与电气工程学院，河南安阳455002)摘要：本文简要介绍了PWM的基本原理，设计了一个单相全桥PWM控制的逆变器。该设计包括主电路、驱动电路、SPWM信号产生电路、过流保护等方面的设计。该逆变器主电路采用的是功率型器件MOSFET；驱动电路采用的是现在大功率MOSFET、IGBT专用驱动芯片IR2110；PWM信号产生电路采用的是CD4538芯片控制产生的；过流保护采用的是用电流互感器检测保护的。经过系统的设计调试，可以得到稳定的逆变正弦波，频率在20-50赫兹范围内可调。此设备可以应用在系统变电站和调度所得继电保护和综合自动化管理设备上，此逆变器在众多场合能够得到广泛应用。关键词：单相全桥；主电路；IR2110；CD45381引言随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）、绝缘栅晶体管（MOSFET）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，MOSFET具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。MOSFET最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管MOSFET模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外绝缘材料的缺陷也是一个问题。在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。本次毕业设计研究单相桥式PWM逆变电路，通过该电路实现逆变电源变压、变频输出。2设计任务与要求2.1设计任务通过所学习的电力电子课程完成单相全桥PWM逆变主电路及驱动电路的设计，主电路采用可控的MOSFET作为元器件，开关管用芯片IR2110驱动，设计参数如下：直流电压为60V；阻感负载；负载中R=2，L=1mH；要求输出频率范围：10HZ~50HZ；结合单相全桥PWM的产生做系统整体设计；制做相关电路及装置；结合控制电路，进行整体调第2页试；最终获得设计的成功。2.2设计要求（1）以实用、易用、成本低为目的，完成系统设计所列出的几个参数；（2）基本技术指标：实现逆变输出正弦电。（3）能实现稳定逆变。3系统整体方案设计根据功能要求，该系统应包括逆变主电路、SPWM信号产生电路、过电流保护、驱动电路、直流稳压电源和滤波输出电路等模块，系统总体框图如图1所示驱动电路逆变主电路滤波输出电路直流稳压电源SPWM信号产生电路过流保护图1系统总体框图3.1逆变主电路直流电经过逆变电路将直流电逆变成交流电，再经过滤波、从而输出稳定的交流电。关于逆变主电路的选择可以有以下两种选择，第一采用全桥逆变主电路，第二采用半桥逆变主电路，本次设计采用的是全桥逆变，关于全桥逆变主电路的选择和半桥逆变主电路的选择下面做一个详细介绍。全桥逆变电路，它有四个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。二极管采用的是IN5408，直流侧接有一个足够大的电容，负载连接在四个桥臂联结点之间，其逆变电路的主要缺点是使用器件多，结构复杂，并且所需驱动电路比较复杂，不容易调试，优点是效率高，鉴于目前效率在生产上占主要指标所以选择这种逆变器的设计。图2逆变主电路选择功率管MOSFET作为开关器件，为了进一步增强电路的安全性和稳定性，防止MOSFET击穿，选用耐压值100V的功率管MOSFETIRF540,此芯片采用TO-220封装，在外壳温度Tc=20OC时可以通过30A电流，其导通电阻为0.85欧姆，在满载运行时功耗较大，使用时安装散热片。开关管的频率要合适，如果开关频率过高，则一方面会增加开关管的开关损耗，另一方面会有死区累积效应，会使输出电压降低。如果开关频率过低，会使输出谐波频率降低，这样大大增加输出滤波器的体积，经过测试开关频率取20KHz输出D1D2D3D4T1T2T4T3RC第3页效果较好。由于开关管存在一定的开通和关段时间，为防止两个开关器件之间出现直通，使电路发生短路，控制信号中必须设定几个微秒的死区时间，在死去时间内，两个开关器件都截止。尽管死区时间非常短暂，引起的输出电压误差较小，但是开关的频率较高，死区引起的误差的累加值将会引起负载的电流的波形畸变，使输出电压降低。全桥逆变主电路的工作原理如下：由图2可以看出全桥电路有四个桥臂，可以看成是有两个半桥电路组合而成，桥臂一和桥臂四做为一对，桥臂二和桥臂三作为另一对，在SPWM信号作用下，当输入的信号是高电平时开关管1和管4导通，当输入的信号是低电平时，管子2和管子4导通组成回路实现逆变，全桥逆变主电路里面的反串联的稳压管是为了保证MOSFET栅极和源极有足够的电压导通和保护MOSFET避免因为电压过高而烧毁MOSFET设计的。第二种方法采用半桥逆变电路，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。而且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成为直流电源的中点，负载连接在直流电源中性点和两个桥臂联结点之间，半桥逆变电路的缺点是结构简单，使用器件少，其缺点是输出交流电压的幅值Um仅为Ud/2，且直流侧需要两个电容串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡，最重要的是在当今能源紧缺的今天，功率是一个很重要的问题，半桥逆变功率只有百分之五十左右，因此半桥电路常采用于几KW以下的小功率逆变电源，所以不采用此方案。3.2SPWM产生电路PWM控制的基本原理：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，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。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。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同，上述原理称为面积等效原理。冲量即指窄脉冲的面积。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。以正弦PWM控制为例，把正弦半波分成N等份,就可把其看成是N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等,都等于/N,但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线,各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量)相等,就得到脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPW（SinusoidalPWM）波形。产生SPWM电路可以有如下几种方法，本文选用的是用自然采样法去获得SPWM的。自然采样法即是正弦波作为调制波，三角波作为载波，通过三角波的调制得到SPWM的波形，可以采用模拟电路构成三角载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定他们的交点，在交点时刻来控制开关管通断，可以生成SPWM波，方法简单便于实现，所以采用此方案。第4页图3CD4538的管脚和功能表在设计SPWM时要考虑死区的影响，所以在设计的时间重点放在死区延时上。其死区延时主要是由高精度的单稳态触发器CD4538完成，CD4538管脚和功能表如图3所示。CD4538由两个高精度可重触发地单稳态触发发器组成，Q和Q非输出有缓冲，输出特性对称。该器件工作时，需外接一个电阻Rx和一个电容Cx，调节Rx和Cx数值，可得到两个不同宽度地单稳态脉冲，既可以调节Rx和Cx数值就可以改变死区时间，并且传输延迟时间不受Rx和Cx变化地影响。SPWM信号产生电路如图4所示，其仿真输出波形结果如图5所示。也可以采用数字化规律采样法，将正弦波信号和三角波信号分别存于ROM中，然后将正弦波数据与三角波数据进行比较，输出两路SPWM信号，采用此方案价格较贵，不符合性价比的要求。图4SPWM信号产生电路U1ACD4538BCNAA4BA5CDA3VDD16VSS8T1A1T2A2QA6~QA7R151¦¸R251¦¸R31k¦¸VCC15VVDD-15VXFG1XFG2VEE5VU3LM311NB/STBVS+GNDBALVS-23487156VDDVCCVEE21VSS5VC11nFR42k¦¸79C210nF8U2ACD4538BCNAA4BA5CDA3VDD16VSS8T1A1T2A2QA6~QA7VSS5VC31nFR52k¦¸C410nF186U5A74HC08N_4VU6B74HC08N_4VU7A74HC04N_4VU4A74HC04N_4VU5C74HC08N_4VU6A74HC08N_4V051643012VSS2014110VSS1013第5页图5仿真输出波形3.3驱动电路输出SPWM信号经驱动电路驱动逆变桥的开关管。本文驱动电路的设计采用的是驱动芯片。驱动芯片采用IR公司生产的大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路芯片IR2110，IR2110是IR公司生产的大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路，可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动，该芯片具有光耦隔离和电磁隔离的优点，同时还具有快速完整的保护功能和自带死区，因而它可以提高控制系统的可靠性，减少电路的复杂程度。所以选用此方案。IR2110的内部结构和工作原理框图如图6所示。图中HIN和LIN为逆变桥中同一桥臂上下两个功率MOS的驱动脉冲信号输入端。两路输出HO和LO分别与两输入HIN和LIN相对应，SD为保护信号输入端，当该脚接高电平时，IR2110的输出信号全被封锁，其对应的输出端HO和LO恒为低电平；而当该脚接低电平时，IR2110的输出信号跟随HIN和LIN而变化，两路均能正常输出，在实际电路里，该端接用户的保护电路的输出。IR2110的输入端为滞环施密特出发电路，以提高抗干扰能力和接受上升沿环慢的输入逻辑信号，Vdd/Vcc电平转换电路把输入逻辑信号电平转换为输出驱动信号电平，其两路输出均采用图腾柱输出，输出级由两只峰值电流为2A以上，内阻为3欧姆以下的N沟道FET组成，输出级可提供的驱动电压为15V—20V。驱动电路接线图如图7所示，悬浮电源VB可以从电源VCC通过二极管DIODE对电容C7充电自举获得（因为对于桥式电路，每一路驱动