UC3875正弦波逆变电源设计-11-王庙鹏

1湖南工程学院课程设计任务书课程名称：电力电子技术题目：UC3875正弦波逆变电源设计专业班级：自动化1291学生姓名：王庙鹏学号：11指导老师：赵葵银、唐勇奇等审批：任务书下达日期2014年12月15日设计完成日期2014年12月26日1设计内容与设计要求一．设计内容：1．电路功能：1）逆变就是将直流变为交流。由波形发生器产生50Hz、幅度可变的正弦波，与锯齿波比较后，再通过PWM电路，输出SPWM波，经过驱动电路驱动逆变电路进行逆变，再经过高频变压器与滤波电路输出-50Hz的正弦波。2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：高频逆变电路、滤波环节。控制电路主要环节：正弦信号发生电路、脉宽调制PWM、电压电流检测单元、驱动电路。3）功率变换电路中的高频开关器件采用IGBT或MOSFET。4）系统具有完善的保护2.系统总体方案确定3.主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4.控制电路设计与分析1）检测电路设计2）功能单元电路设计3）触发电路设计4）控制电路参数确定二．设计要求：1．要求输出正弦波的幅度可调。2．用UC3875产生脉冲3．设计思路清晰，给出整体设计框图；4．单元电路设计，给出具体设计思路和电路；5．分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。6．绘制总电路图7．写出设计报告；1主要设计条件1．设计依据主要参数1）输入输出电压：输入（DC）+315V、220V（AC）2）输出电流：4A3）电压调整率：≤1%4）负载调整率：≤1%5）效率：≥0.82.可提供实验与仿真条件说明书格式1．课程设计封面；2．任务书；3．说明书目录；4．设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5．单元电路设计（各单元电路图）；6．故障分析与电路改进、实验及仿真等。7．总结与体会；8．附录（完整的总电路图）；9．参考文献；10.课程设计成绩评分表1进度安排第一周星期一:课题内容介绍和查找资料；星期二:总体电路方案确定星期三:主电路设计星期四:控制电路设计星期五:控制电路设计；第二周星期一:控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期四~五:写设计报告，打印相关图纸；星期五下午:答辩及资料整理参考文献1．石玉，栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，1998.2．王兆安，黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000.3．浣喜明，姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000.4．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000.5．郑琼林，耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996.6．刘定建，朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996.7．刘祖润，胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995.8．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999.1目录第1章概述····························1第2章系统总体方案························22.1主电路方案··························22.2控制电路方案·························22.3系统框图···························3第3章主电路设计·························43.1主电路结构设计························43.2MOSFET单相桥式电压型逆变电路的调制法·············43.3主电路保护设计························53.3.1缓冲电路设计························53.3.2功率开关MOSFET的过电压保护电路设计············63.4主电路计算及元器件参数选型··················73.4.1滤波电容和电感的选型····················73.4.2续流二极管的选型······················73.4.3快速熔断器的选择······················73.4.4电力MOSFET的选择·····················7第4章单元控制电路设计······················84.1主控制芯片的说明及其外围元件设计···············84.2控制方法及控制功能单元电路设计················94.2.1正弦波产生电路的设计···················94.2.2检测及控制保护电路设计··················104.3驱动电路设计·························11第5章实验与仿真·························125.1实验步骤··························13第6章总结····························14附录································15评分表·······························1611第1章概述电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。所谓逆变电源，就是一种能够将DC12V直流电转换为和市电相同AC220V交流电，供一般电器使用，是一种方便的电源转换器。此外正弦波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。现运行的综合自动化变电所中，一般设后台监控微机，通讯设备大多为微波及光纤机等，此类监控和通讯设备工作电源为逆变电源可直接利用所用直流电源系统的大容量蓄电池提供交流电源，避免了蓄电池组的重复投资，减少了维护工作量，降低了运行成本。变电所中装设的直流电源系统，可靠性高、寿命长，因此采用直流动力逆变器方案，利用所用直流电源系统的监控功能和逆变器的通讯功能可远方实时监视逆变电源的运行状态，解决了无监控，容易出现蓄电池损坏又不能及时发现的问题。由于变电所直流电源系统蓄电池的大容量，电网断电后护肤品不间断供电时间大大延长，真正起到了保安电源的作用，提高了其供电可靠性。由于新一代DC/AC电力逆变器的超隔离输出，超强的抗干扰能力，强大的通讯功能，在农村综合自动化变电所中采用直流动力逆变器方案，具有较好的运行经济性、可靠性和安全性，真正实现无人值守对设备工作电源的监控要求。12第2章系统总体方案2.1主电路方案单相逆变器的结构可分为半桥逆变器、全桥逆变器和推免逆变器等形式。本课题采用MOSFET作为开关器件的单相全桥电压型逆变电路。功率开关器MOSFET要有保护电路、缓冲电路和驱动电路。逆变器通常作为二次电源使用，其输入脉动直流电流污染了直流电源，必然要影响到直流电源的其他用电设备。因此，为了使输入电流平稳化和谐波降低到允许值，必要设置输入滤波器。输入滤波器有双重功能，既能抑制从直流电源来的瞬变量，又能抑制逆变器对直流电源产生的瞬变量和噪音。所以设置了单级LC直流输入滤波器。逆变器的输出电压波形除了基波分量外还含有谐波分量。脉宽调制波虽然消除了低次谐波，但还含有高次谐波。所以必须设置输出滤波器。选用单级LC交流输出滤波器。2.2控制电路方案PWM控制技术是通过控制电路按一定规律来控制开关管的通断,以得到一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形并使其逼近正弦电压波形。其方法有模拟方法和数字方法两种，其中模拟方法的电路比较复杂,且有温漂现象，会影响精度,降低系统的性能。数字方法则是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点并将其存入内存,然后通过查表及必要的计算生成PWM波，因此数字方法受内存影响较大,且与系统精度之间存在着矛盾。考虑到现实条件本课题选用模拟方法实现PWM控制。实现全桥逆变器的移相PWM控制的方法很多，比如：采用分立器件进行逻辑组合，采用专用的集成控制芯片，采用DSPCPLD数字实现等。第一种方法较为复杂，不利于工业应用，第三种方法的成本相对较高；而采用专用的集成控制器是电源开发设计者们较多采用的方法。当今应用较多的移相全桥集成控制芯片主要是UC3875和UC3875/6/7/8系列。SPWM正弦脉宽调制可分为双极性调制方式、单极性调制方式和单极性倍频调制方式。单极性调制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压：另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大程度上减小了开关损耗。但又不是固定其中一个桥臂始终为低频（输出基频）另一个桥臂始终为高频，（载波频率），而是每半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在后半周则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率13管工作状态均衡，对于选用同样的功率管时，使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。双极性调制方式的特点是4个功率管都工作在较高频率（载波频率）。虽然能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。单极性倍频调制方式的特点是输出SPWM波的脉动频率是单极性的两倍，4个功率管都工作在较高频率（载波频率），因此，开关管损耗与双极性相同。为了得到较平滑的正弦输出电压波形，本课题选用双极性PWM控制方式。2.3系统框图系统总体方案框图如图2-1所示。图2-1系统框图高频逆变电路滤波电路过压保护电路路驱动电路过流保护电路正弦信号产生电路脉宽调制PWM直流输入交流输出14第三章主电路设计3.1主电路结构设计主电路图如图3.1所示，包括直流电压源输入、直流滤波环节、高频逆变电路、交流滤波环节、交流输出等部分。图3-1主电路图3.2MOSFET单相桥式电压型逆变电路的调制法V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。控制规律如下：在输出电压uo正半周，让V1保持通态，V2保持断态，V3和V4交替通断。由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，负载电压uo等于直流电压Ud；V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0。在负载电流为负的区间，仍为V1和V4导通时，因io为负，故io实际上从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud；V4关断，V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。这样uo总可得到Ud和零两种电平。同样在uo负半周，让V2保持通态，V1保持断态，V3和V4交替通断，负载电压uo可得到-Ud和零两种电平。控制V3和V4通断的方法如图3.2所示。在ur的半个周期内，三角载波有正有负，15所得的PWM波也是有正有负。在ur的一个周期内，输出的PWM波只有±d两种电平。在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制U各MOSFET的通断。在ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。即当uruc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号，这时如果io0，V1和V4通，如io0，则VD1和VD4通，不管哪种情况都是输出uo=Ud。当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号，这时如果io0，则V2和V3通，如io0，则VD2和VD3通，不管哪种情况都是uo=-Ud。按照这种调制方法在高频变压器的副边得到-SPWM波形，经过LC滤波后，得到-50Hz的正弦波，调节正弦波的幅度便可调节输出电压的大小。图3.2双极性PWM控制方式波形3.3主电路保护设计为使主电路长期稳定、安全可靠地工作，必须设计各种类型的保护电路，避免因电路出现故障、使用不当或条件发生变化而损坏电路上的零器件。主电路的保护分为两大类：第一类是高频功率开关MOSFET的保护。包括设置缓冲电路软化开关过程，设置功率开关MOSFET的过压保护和过流保护。第二类是