单相正弦脉宽调制逆变器设计方案

1、单相正弦脉宽调制逆变器的设计 朱代祥，张代润，彭协华 (四川大学电气信息学院，四川 成都 610065） 摘要：论述了单相正弦波逆变器的工作原理，介绍了SG3524的功能及产生SPWM波的方法，对逆变器的控制及保护电路作了详细的介绍，给出了输出电压波形的实验结果。 关键词：逆变器；正弦波脉宽调制；场效应管 0 引言 当铁路、冶金等行业的一些大功率非线性用电设备运行时，将给电网注入大量的谐波，导致电网电压波形畸变。根据我们的实验观察，在发生严重畸变时，电压会出现正负半波不对称，频率也会发生变化。这样的供电电压波形，即使是一般的电力用户，也难以接受，更无法用其作为检修、测试的电源。同时，在这种情况

2、下，一般的稳压电源也难以达到满意的稳压效果。为此，我们设计了该逆变电源。其控制电路采用了2片集成脉宽调制电路芯片SG3524，一片用来产生PWM波，另一片与正弦函数发生芯片ICL8038做适当的连接来产生SPWM波。集成芯片比分立元器件控制电路具有更简单、更可靠的特点和易于调试的优点。 1 系统结构及框图 图1示出了系统主电路和控制电路框图。交流输入电压经过共模抑制环节后，再经工频变压器降压，然后整流得到一个直流电压，此电压经过Boost电路进行升压，在直流环上得到一个符合要求的直流电压350V（50Hz/220V交流输出时）。DC/AC变换采用全桥变换电路。为保证系统可靠运行,防止主电路对控

3、制电路的干扰，采用主、控电路完全隔离的方法，即驱动信号用光耦隔离，反馈信号用变压器隔离，辅助电源用变压器隔离。过流保护电路采用电流互感器作为电流检测元件，其具有足够快的响应速度，能够在MOS管允许的过流时间内将其 关断。 图1 系统主电路和控制电路框图 2 控制及保护电路 为了降低成本，使用两块集成PWM脉冲产生芯片SG3524和一块函数芯片ICL8038，使得控制电路简洁，易于调试。 2.1 SG3524的功能及引脚 图2所示为SG3524的结构框图和引脚图。 (a) SG3524引脚说明 (b) SG3524内部框图 图2 SG3524引脚及内部框图 SG3524工作过程是这样的： V从脚

4、15 直流电源接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定 s的5V基准电压。5V再送到内部（或外部）电路的其他元器件作为电源。 CRfRCfRC=1.18/和电容由外接电阻 振荡器脚7须外接电容，脚6须外接电阻决定，。振荡器频率 TTTTTCRC=0.225kHz，取=5k；逆变桥开关频率定为。本设计将Boost电路的开关频率定为10kHz，取，=0.22FTTTTR=10k。振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿F，T波形式送至比较器的同相端，比较器的反向端接误差放大器的输出。 误差放大器实际上是个差分放大器，脚1为其

5、反向输入端；脚2为其同相输入端。通常，一个输入端连到脚16的基准电压的分压电阻上（应取得2.5V的电压），另一个输入端接控制反馈信号电压。本系统电路图中，在DC/DC变换部分，SG3524-1芯片的脚1接控制反馈信号电压，脚2接在基准电压的分压电阻上。误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，从而在比较器的输出端出现一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。双稳态触发器的两个输出端互补，交替输出高低电平，其作用是将PWM脉冲交替送至两个三极管V1及V的基极，锯齿波的作用是加入了死区时间，保

6、证V及V两个三极管不可能同时导通。最后，晶体管V及V22211分别输出脉冲宽度调制波，两者相位相差180°。当V及V并联应用时，其输出脉冲的占空比为090；当21V及V分开使用时，输出脉冲的占空比为045，脉冲频率为振荡器频率的1/2，在本系统电路图（图1）21中，两块SG3524都为并联使用。当脚10加高电平时，可实现对输出脉冲的封锁，进行过流保护。 2.2 利用SG3524生成SPWM信号 按照上述SG3524的工作原理，要得到SPWM波，必须得有一个幅值在13.5V，按正弦规律变化的馒头波，将它加到SG3524-2内部，并与锯齿波比较，就可得到正弦脉宽调制波。我们设计的控制电路

7、框图，以及实 所示。3际电路各点的波形，如图 (a) 控制电路框图 (b) 各点波形 图3 控制电路框图及各点波形 uR所示。正弦波的频率由引脚和具体的接法如图4ICL8038产生。正弦波电压 ICL8038由函数发生器a RCfRRRR是用来调整正弦波失真度来决定，都用可调电阻，=，为了调试方便，我们将和，及和12212CRfR。正弦波信号产生后，一路经过精密全F=0.22=9.7k，其中用的。在实验中我们测得当=50Hz时，21uuu基准经过加法器后，另一路经过比较器得到与正弦波同频率，同相位的方波与。波整流，得到馒头波1Vcbcuuu内部的比较器进行比较产SG3524-2和锯齿波将在与脚

8、1，脚29相连，这样得到的脚，输入到SG3524-2ddduuu加到分相电路后就所组成。和74LS05生SPWM波。分相电路用一块二输入与门74LS08和一块单输入非门ebeuuuu 管驱动电路的光耦原边，就可以实现正弦脉宽调制。，再将可以得到驱动信号和和MOS加到gfgf 图4 ICL8038用于正弦波信号发生 2.3 驱动电路设计 RR和基准两部分组成。脉冲放大包括光耦V， 设计的驱动电路如图5所示，它由驱动脉冲放大和5V 1o1CRC，它既为和，；5V基准部分包括，对高频干扰信号进行滤波的，中间级的V，推挽输出电路V和VV2T2Z121T1T34MOS管提供5V的偏置电压，又为输入光耦提

9、供副边电源。其工作原理是： 1）当光耦原边有控制电路的驱动脉冲电流流过时，光耦导通，使V基极电位迅速下降，V截止，导致T1T1R，使MOS管导通；V，栅极电阻 导通，VV截止，电源通过5T2T2T3 2）当光耦原边无控制电路的驱动脉冲电流流过时，光耦不导通，使V基极电位上升，V导通，导致VT3T1T1R迅速放电，5V偏置电压使之可靠地关断； 管栅极电荷通过V截止，MOSV，栅极电阻导通，5T2T3R和稳压管V，V用以保护MOS管栅极不被过高的正、反向电压所损坏； 3）电阻Z3Z25 4）光耦V采用组合光敏管型光耦6N136，具有光敏二极管响应速度快，线性特性好，电流传输大的优o1点，能满足实验

10、的要求。 图5 MOS管驱动电路原理图 2.4 过流保护电路 过流保护是利用SG3524的脚10加高电平封锁脉冲输出的功能。当脚10为高电平时，SG3524的脚11及脚14上输出的脉宽调制脉冲就会立即消失而成为零。过流信号取自电流互感器（对SG3524-1芯片串接在工频变压器的副边，对SG3524-2芯片串接在滤波电路前），经整流后得到电流信号加至如图6所示过流保护电路上。的同相端。当过流信号使同相端电平比反相端参考电平高时，比较器将输出高电LM339过流信号加至电压比较器平，则二极管D将从原来的反向偏置状态转变为正向导通，并把同相端电位提升为高电平，这一变化将使得电2压比较器一直稳定输出高电

11、平封锁脉冲，则Boost电路停止工作，在正常状态下，比较器输出零电平，不影响Boost电路工作。 图6 过流保护电路 2.5 反馈调压电路 反馈调压电路图如图7所示。当逆变器正常工作时，逆变器的输出信号接反馈变压器，其二次电压经整uu的大小正比于逆变器的输出电压。调节W，显然，流，滤波，分压得到反馈电压可调节负反馈电压的大小，1oou控制信号被送到SG3524-1芯片的误差放大器的反相端脚1从而调节逆变器输出电压的幅值。误差放大器的o同相端脚2接参考电平。这样，SG3524的输出脉冲的占空比就受到反馈信号的控制。调节过程是这样的，当逆变器输出因突加负载而降低时，它会使加在SG3524-1的脚1

12、的输入反馈电压下降，这会导致SG3524-1输出脉冲占空比增加，从而使得Boost电路输出电压升高，逆变桥的直流电压升高，逆变器输出交流电压升高。反之亦然。可见，正是通过SG3524-1的脉宽调制组件的控制作用，实现了整个逆变器的输出自动稳压调节功能。 图7 反馈调压电路 3 逆变器的实验结果 LC=5F，滤波器参数取SPWM逆变器方案试制了样机，其额定输出功率为300W，滤=0.7mH，按本设计的 波效果较好，样机的输出电压如图8所示。从直观看，电压波形正弦度较好（因条件所限，尚未测试THD）。用此样机带负载运行，效果较好。实验表明，本文提出的系统方案是切实可行的，可以用在铁路、冶金等大功率非线性用电设备附近，作为对电网输入电压要求较高的一类负载（如检修、测试设备）