单相正弦波逆变电源-全国大学生电子设计竞赛论文

2012 年全国大学生电子设计竞赛 单相正弦波逆变电源单相正弦波逆变电源（C 题题） 【HJQ-C-003HJQ-C-003 组组】 学校名称:哈尔滨剑桥学院 队长姓名：王文鹏 队员姓名：陈建新、杜诠成 指导教师姓名：马文龙 2012 年 8 月 3 日 I 单相正弦波逆变电源单相正弦波逆变电源 摘要摘要 本单相正弦波逆变电源的设计是以 12VDC 为输入,输出电压为 36VAC50hz 标 准的单相正弦波逆变电源， ，采用推挽升压和半桥逆变两级变换，在控制电路上， 前级推挽升压电路采用 TL494 芯片控制，闭环反馈；逆变部分采用驱动芯片 IRS2092 进行半桥逆变，采用三角波正弦波配合完成 SPWM 的调制其输出为正弦 波电压，具有输入过压、欠压保护功能，当满足过压、欠压条件时，关闭输出； 具有输出过流保护功能；同时具有输出保护功能，可自恢复。输出正弦波电压 THD1%。输出频率 20100hz 可调。逆变效率可达到83%以上，通过一系列的 方法系统测试的结果及结果分析，实验结果精确稳定且成本极低。因此，该电源 很好的完成了各项指标。 关键字关键字: :单相正弦波逆变DC-ACSPWM II Abstract The design of the single phase sine wave inverter power supply is 12 VDC for input, output voltage of 36 VAC50hz standard single-phase sine wave inverter power supply, and by the push-pull booster and half-bridge converter two level transformation, in the control circuit, the former stage is used to boost the push-pull TL494 chip control, closed-loop feedback. Inverter part adopts IRS2092 drive chip for half-bridge converter, the triangle with complete SPWM sine wave wave modulation of the output voltage for the sine wave, with input pressure, voltage protection function, when meet over-voltage, owe pressure conditions, close output; With output over current protection function; At the same time a output protection function, can from recovery. Output voltage than 1% THD sine wave. Output frequency 20 100 hz is adjustable. Frequency inverter efficiency can reach more than 83%, through a series of methods of the system test results and results, the experimental results accurate and stable and very little cost. Therefore, the power supply good finish each index. KeyKey word:word: single phase inverter DC-AC SPWM sine wave III 目目录录 摘要摘要I AbstractII 1.1.设计任务设计任务1 1.1 基本要求.1 1.2 发挥部分.1 2.2.方案论证方案论证1 2.1 DC/AC 变换器方案的论证与选择.1 2.2 滤波器的论证与选择.2 2.3 正弦波发生器的论证与选择.3 2.4 过流保护功能模块的论证与选择.4 2.5 过压欠压保护模块的论证与选择.4 2.6 自动恢复模块的论证.5 2.7 SPWM 的实现的论证.6 3.3.分析与计算分析与计算6 3.1 系统的整体方案.6 3.2 DC/AC 转换器的分析.7 3.2.1 升压模块理论分析7 3.2.2 正弦波发生器模块分析7 3.2.3 自动恢复部分模块分析7 3.3 升压电路参数的计算.7 3.3.1 升压电路的占空比计算.8 3.3.2 升压电路电容磁环及线径计算.8 3.3.3 升压电路的电感计算.8 3.4 单相正弦波逆变电源各模块的计算.8 3.4.1 函数发生器参数的计算.8 4.4.测试测试9 4.1 测试条件与仪器9 4.2 测试结果及分析9 5 5结论、心得体会结论、心得体会10 5.1 结论.10 5.2 心得体会.10 附录：11 附 1：元器件表.11 附 2：电路原理图.12 1 单相正弦波逆变电源单相正弦波逆变电源 1.1.设计任务设计任务 1.1 基本要求 （1）在额定输入电压 Ui=1014.5V 下，输出电压 UORMS=360.5V，频率 0.5Hz50 O f ， 额定满载输出功率 50W； （2）输出正弦波电压，THD3%； （3）满载情况下，逆变效率83%； （4）具有输入过压、欠压保护功能，欠压保护点 90.5V，过压保护点 160.5V。当满足 过压、欠压条件时，关闭输出； （5）输出过流保护功能，动作电流 Io=1.60.1A。 1.2 发挥部分 （1）进一步提高逆变器效率，95%； （2）输出正弦波电压 THD1%； （3）输出频率可调 20100Hz； （4）具有输出短路保护功能，可自恢复，具有工作及保护指示； （5）其他。 本系统主要由正弦波发生模块、DC/AC 变换器模块、滤波器模块、闭环反馈、过压、过 流保护模块、恢复模块、组成，下面分别论证这几个模块的选择。 2.方案论证方案论证 2.1 DC/AC 变换器方案的论证与选择 方案一：全桥 DC-AC 变换器。全桥电路中互为对角的两个开关同时导通，而同一侧半桥 上下两开关交替导通， 将直流电压成幅值为 in V的交流电压， 加在变压器一次侧开关的占空比， 也就改变了输出电压 out V。全桥式电路如图 2-1 所示。 Cin SW 1 SW 2 1 2 3 4 D N2 N1 T Lo 控制 SW 3 SW 4 C Cout + - + - Vin Vout 图图2-12-1 全桥式电路全桥式电路 2 方案二：半桥式 DC-AC 变换器。在驱动电压的轮流开关作用下,半桥电路两只晶体管交 替导通和截止,它们在变压器 T 原边产生高压开关脉冲,从而在副边感应出交变的方波脉冲, 实现功率转换。半桥电路输入电压只有一半加在变压器一次侧，这导致电流峰值增加，因此 半桥电路只在 500W 或更低输出功率场合下使用，同时它具有抗不平衡能力，从而得到广泛 应用。半桥式拓扑结构原理图如图 2-2. 图图 2-22-2 半桥式拓扑结构半桥式拓扑结构图图 综合以上两种方案，选择方案二。 2.2 滤波器的论证与选择 方案一：数字滤波器实现，将含噪信号进行采样获得离散信号，利用一定的滤波算法， 对含噪信号进行滤波运算，噪声成分在滤波计算中被滤除或得到部分抑制，从而得到有用信 号成分的离散信号，若需要，还可以进一步将滤除噪声后的离散信号恢复成为模拟信号，但 电路复杂，效率低。 方案二：电容电感滤波电路。电容电感滤波电路. 电容器与负载电阻并联，接在整流器 后面。利用电容器的充放电作用来进行滤波。容量越大，滤波效果越好，输出波形越趋于平 滑，输出电压也越高，并且制作容易，成本低廉，滤波效率高。结构原理图如图 2-3 所示 。 3 图图 2-32-3 电容电感滤波电路电容电感滤波电路 综合以上二种方案，选择方案二 2.3 正弦波发生器的论证与选择 方案一：由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得 到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳 定，输出阻抗高，抗干扰能力强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂 移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波，且输出波形幅度及频率均可通过改变元件参 数进行调整。 方案二：采用文氏桥电路，输出波形稳定，可调结构范围大，而且电路简单，比较经典 ， 抗感染能力比较强，最主要的一点是经济，采用 LM358 芯片，外围电路很简单，本电路自主 开发，经过测量数据，非常使用简单。参数可根据电位器进行调节，结构原理图如图 2-4 所 示。 图图 2-42-4 正弦波发生器正弦波发生器 4 综合考虑采用方案二。 2.4 过流保护功能模块的论证与选择 方案一：采用采样电阻进行测量，电路用成本低廉的 LM358，但是采样电阻一般用作采 集直流数值时候用，而且采样电阻非常容易坏，结果不是很精确。 方案二：采用电流互感器采集电流，结果比较准确，而且电路简单，成本低廉，电流互 感器主要是取交流的常用原件。使用 LM358 电路，设计外围电路，经过实验分析和多次试验 证实了可行性。过流保护模块电路如图 2-5 所示 图图 2-52-5 过流保护功能模块过流保护功能模块 综合考虑采用方案二。 2.5 过压欠压保护模块的论证与选择 方案一：本保护电路由变压器降压电路，桥式整流电路，双极性三极管放大电路，电磁 继电器电路，电容滤波电路，稳压电路组成。该电路能够实现过压和欠压保护。但电路较复 杂。 方案二： ：系列保护器用于交流或直流电源供电电压的监测保护，应用了 LM358 芯片， 当供电电压过高或过低时，均有灯光报警器及继电器转换接点（一常开，一长闭）输出，将 触点接至用电设备的控制线路，就可实现对设备的保护作用，当供电电压正常时，继电器吸 合，供电电压过高时，红色指示灯亮，继电器释放，供电电压过低时，绿色指示灯亮，继电 器也释放，该电路制作简单，易于调试，成本低，采用过压、欠压保护可以提高电源的可靠 性和安全性。过压欠压保护模块结构原理图如图 2-6 所示。 5 图图 2-62-6 过压欠压保护模块过压欠压保护模块 综合考虑采用方案二。 2.6 自动恢复模块的论证 采用简单的 NE555 稳态电路，Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发 NE555 使其启动它的时间 周期。触发信号上缘电压须大于 2/3 VCC，下缘须低于 1/3 VCC,通过比较，触发工作。原理 是通过电压的比较实现的，非常实用，成本极低。自动恢复模块如图 2-7 所示。 图图 2-72-7 自动恢复模块电路自动恢复模块电路 6 2.7 SPWM 的实现的论证 本部分主要用的是 IRS2092，通过芯片内部发生三角波，和芯片外部的外围电路，把正 弦波发生器发生的正弦波放大，同时于芯片内部的三角波互切，通过这种办法，巧妙地完成 了 SPWM 的发生。主要的电路如图 2-8 所示。 图图 2-82-8 SPWMSPWM 的实现的实现 3.3.分析与计算分析与计算 3.1 系统的整体方案 7 3.2 DC/AC 转换器的分析 3.2.1 升压模块理论分析 DC/AC 变换器由 D 类放大器，滤波电路，过流保护电路及变压器组成。其中 D 类放大电路 由功率转换输出电路，脉宽调制器，自举推动电路，低通滤波器组成。D 类放大电路由 TL494 和 TRS2092 为两个主芯片。其中 D 类功率放大器：是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲 的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过 LC 低通滤波器后输出音频信号。D 类功率放 大器，在外部输入正弦信号控制下，TL494 组成的脉冲款调制器产生 PWM 信号，经过 IRS2092 组成的自举推动电路后，控制 V-MOS 管组成的半桥电路实现功率放大。该方案制作简单，逆 变出波形稳定。实验表明，这个电路能很好地实现 36V 升压的功能，满足本设计电路的需要。 3.2.2 正弦波发生器模块分析 文氏桥振荡器又叫 RC 桥式正弦波振荡器。如右下图所示，以 RC 串并联网络为选频网络和正反馈网 络、并引入电压串联负反馈，两个网络构成桥路，一对顶点作为输出电压，一对定点作为放大电路的净输 入电压，就构成文世桥震荡电路。实验表明，这个电路能很好的实现正弦波的发生。 3.2.3 自动恢复部分模块分析 自动恢复模块应用 LM358,其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放 大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条 件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有 可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 3.3 升压电路参数的计算 8 3.3.1 升压电路的占空比计算 (1) 占空比 稳定工作时,每个开关周期导通期间电感电流的增加等于关断期间电感电流的减少,即 Vi*don/(f*L)=(Vo+Vd-Vi)*(1-don)/(f*L),整理后有 don=(Vo+Vd-Vi)/(Vo+Vd),参数带入,可求出 don。 3.3.2 升压电路电容磁环及线径计算 (1) 输出电容: 此例中输出电容选择位陶瓷电容,故 ESR 可以忽略。 C=Io*don/(f*Vpp)，参数带入。 (2) 磁环及线径:查找磁环手册选择对应峰值电流为 I2 时磁环不饱和的适合磁环。 Irms2=(1/3)*(I12+I22-I1*I2),参数带入,得irms。 按此电流有效值及工作频率选择线径。 3.3.3 升压电路的电感计算 电感量： 先求每个开关周期内电感初始电流等于输出电流时的对应电感的电感量，其值为 Vi*(1-don)/(f*2*Io)，参数带入，得 Lx 。 deltaI=Vi*don/(L*f)，参数带入，得 deltaI。 当电感的电感量小于此值 Lx 时,输出纹波随电感量的增加变化较明显,当电感的电感量大 于此值 Lx 时，输出纹波随电感量的增加几乎不再变小，由于增加电感量可以减小磁滞损耗, 另外考虑输入波动等其他方面影响取 L=60uH， deltaI=Vi*don/(L*f),参数带入，得 deltaI, I1=Io/(1-don)-(1/2)*deltaI, I2= Io/(1-don)+(1/2)*deltaI, 参数带入得 I1，I2 3.4 单相正弦波逆变电源各模块的计算 3.4.1 函数发生器参数的计算 由式(1)和式(2)可得：当 RA=RB 时，电容的充放电时间相等，占空比为 50的三角波，其比 为： 9 式中：RA 和 RB 的阻值宜在 U1I1U1I2 范围内，且 RB 应小于 2RA。 当 RA=RB=R 时，电容两端的电压频率为： 4.4.测试测试 4.1 测试条件与仪器 测试条件：检查多次， 仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同， 并且检查无误， 硬件电路保证无虚焊。 测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用 表，直流电源 型号：SG173SB3，稳压稳流型。 4.2 测试结果及分析 (1) 测试采用叠加法，将各个模块分别依次加入到系统中，逐次检查。一旦在测试中发 现错误，终止测试，同时对模块进行修改。修改后重复被终止的测试，继续进行检查。测试 中，出现错误回溯情况时，回溯到该模块，重新进行系统测试，保证系统功能的完整和正确。 对系统按照其功能进行测试，通过模拟用户的各种操作来测试各个模块的运行情况。 (2) D 类音频功率放大器的控制测试 接通电源，函数发生器给出信号，运用示波器观察输出波形，通过计算，不断改变电阻， 电容等元器件，进而调出题目要求的正弦波输出，任意选择播放素材，在播放时随机执行增 大音量、减小音量、停止、继续等操作，观察播放情况。 测试结果：输出正弦波电压，输出频率可调 20100Hz，输出正弦波电压THD1%。 (3) 过流恢复保护测量 用与测通频带相同的方法给出给出输入信号，用示波器观察输出信号幅值，将负载两端 短路，可看到短路模块警示灯亮，功率放大部分的电源被切断，输出变为零，具有输出短路 保护功能，并且可自动恢复，具有工作及保护指示。 (4) 过压欠压保护电路测试 接通直流电源，通过调节电位器，观察指示灯，从而达到欠压保护点为 90.5V，过压保 护点为 160.5V 根据上述得出测试数据如下： (1) 在额定输入电压 Ui=1014.5V 下，输出电压 UORMS=360.5V，频率0.5Hz50 O f， 额定满载输出功率 50W； (2) 输出正弦波电压，THD3%； (3) 满载情况下，逆变效率83%； (4) 具有输入过压、欠压保护功能，欠压保护点 90.5V，过压保护点 160.5V。当满足 过压、欠压条件时，关闭输出； (5) 输出过流保护功能，动作电流 Io=1.60.1A。 (6) 进一步提高逆变器效率，95%； (7) 输出正弦波电压 THD1%； (8) 输出频率可调 20100Hz； (9) 具有输出短路保护功能，可自恢复，具有工作及保护指示； 综上所述，本设计达到设计要求。 10 5结论、心得体会结论、心得体会 5.1 结论 经过测试后， 题目的基本要求都已完成， 各项指标都完成的比较好。 在输出功率为 43.6W 的情况下，效率达到了 89%。同时该电源还具有短路保护，空载保护，过流保护的功能。而 电压显示部分，因为 AD637 的输入信号较大（V 级） ，所以输入输出基本成线性比例关系。在 重载输出的时候，输出波形失真较严重，原因是前级 DC-DC 的输出功率不足，又因为在效率 测试的时候，