单相桥式逆变器的设计

1、：48V/1KVA 单相桥式逆变器的设计48V/1KVA单相桥式逆变器的设计单相桥式逆变器的设计 摘摘 要要逆变是对电能进行变换和控制的一种基本形式，它完成将直流电变换成交流电的功能，现代逆变技术就是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门学科。这门学科综合了现代电力电子开关器件技术、现代功率变换技术、模拟和数字电子技术、PWM技术、开关电源技术和现代控制技术等多种实用设计技术，己被广泛的用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。在已有的各种电源中，蓄电池，干电池，太阳能电池，都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电动机调速用变频器，不间断电源，感应加

2、热电源等电力电子装备使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。有人甚至说，电力电子技术早期曾处在整流器时代，后来则进入逆变器时代。 本文提出了先利用桥式整流电路得到直流，再由桥式逆变电路将电能回馈交流电路。用逆变PWM集成控制器SG3525产生PWM信号作为桥式驱动集成电路芯片IR2110的输入信号，并由IR2110驱动大功率场效应管MOSFET，以逆变出交流电的方案。关键词：关键词：逆变器；SG3525; 电力电子技术；MOSFET 场效应管；安徽工程大学毕业设计（论文）I48V/1KVA Hardware Approach Design of the Single Phase Inver

3、terAbstractInverter is the power to transform and control of a basic form, it had completed its transformation into alternating current to direct current functions, modern inverter technology is to study the theory of modern inverter circuit design and application of methods of a discipline. It comb

4、ines the discipline of modern power electronic switching device technology, modern power conversion technology, analog and digital electronic technology, PWM technology, switching power supply technology and modern control technology and other practical design techniques, has been widely used in the

5、 field of industrial and civil various power conversion systems and devices.In various existing power supply, battery, batteries, solar cells, are the DC power supply, when you need them the power to the AC load power supply, inverter circuit is required. In addition, the AC motor speed control by i

6、nverter, Uninterrupted power supplies, induction heating power supply and other power electronic equipment is widely used, are a core part of the circuit inverter circuit. Some even say, power electronics technology had earlier era in the rectifier, and later into the inverter era.In this paper, the

7、 use of bridge rectifier circuit to be DC, by the bridge inverter circuit will be the exchange of energy feedback circuit. PWM inverter controller with integrated PWM signal generated SG3525 bridge driver IC as the input signal IR2110, IR2110-driven by high-power field effect transistor MOSFET, the

8、AC inverter in the program.This program simplifies the structure, saving machines, the increased speed and real-time, the flexibility to adjust the output voltage or current magnitude and frequency, control performance and good electrical performance. Key words: Inverter ; SG3525;Power electronic te

9、chnology ； MOSFET field effect transistor;：48V/1KVA 单相桥式逆变器的设计II 目目 录录引 言.1第 1 章 绪论.21.1 电力电子技术概述.21.2 电力电子开关器件.21.3 逆变电路的分类.41.4 逆变的目的和优越性.51.5 逆变技术应用领域.51.6 本次设计的任务.7第 2 章 主电路的选择和设计.82.1 逆变电路的分类.82.2 逆变电路的基本工作原理.92.3 本次设计的电路及原理.10第 3 章 PWM 信号的产生.133.1 PWM 集成控制器 SG3525 的结构与特性.133.1.1 SG3525 的结构与特性.

10、133.1.2 SG3525 的引脚功能.143.2 SG3525 的工作原理及注意事项.153.2.1 SG3525 的工作原理.153.2.2 SG3525 的使用注意事项.18第 4 章 MOSFET 栅极驱动电路设计.194.1 驱动器的选择.194.2 IR2110 主要功能及技术参数.194.3 驱动电路的设计.214.4 保护电路.23第 5 章 电路模型的建立与仿真.25结论与展望.27致 谢.28附录 A：系统原理图.29附录 B：外文参考文献及其译文.30附录 C：主要参考文献及其摘要.34安徽工程大学毕业设计（论文）III插图清单插图清单图 2-1 电压型半桥逆变电路及其

11、电压波形8图 2-2 电压型全桥逆变电路及其电压波形.9图 2-3 电压型三相桥式逆变电路及其电压波形9图 2-4 系统框图 .10图 2-5 整流电路11图 2-6 全桥逆变电路11图 3-1 SG3525 内部结构图 14图 3-2 SG3525 引脚图 15图 3-3 PWM 信号的产生电路.16图 3-4 光耦隔离电路 .18图 4-1 IR2110 引脚图20图 4-2 IR2110 输入输出时间图21图 4-3 IR2110 连接图.22图 4-4 IR2110 外围电路.22图 4-5 过电流保护电路.23图 4-6 欠压保护电路.24图 5-1 PWM 逆变电路仿真模型 25图

12、 5-2 仿真波形26：48V/1KVA 单相桥式逆变器的设计IV表格清单表格清单表 1-1 电力电子器件的分类2表 1-2 几种常用的电力电子开关器件性能比较.3表 4-1 IR2110 的工作参数20表 4-2 动态传输延迟时间参数20：48V/1KVA 单相桥式逆变器的设计0引引 言言所谓逆变器，是指整流(又称顺变)器的逆向变换装置，其作用是通过半导体功率开关器件(如SCR、GTO、GTR、IGBT和功率MOSFET模块等)的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能。由于是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，所以其转换频率高，但转换输出的波形比较差，是含有相当多谐波成分的

13、方波。1948年，美国西屋(Westinghouse)电气公司用汞弧整流器制成了3000Hz的感应加热用逆变器。1956年，第一只晶闸管问世，这标志着电力电子学的诞生，并开始进入传统发展时代。在这个时代，逆变器继整流器之后开始发展。首先出现的是SCR电压型逆变器。1960年以后，人们注意到改善逆变器波形的重要性，并开始进行研究。1962年，A.Kernick提出了“谐波中和消除法”，即后来常用的“多重叠加法”，这标志着正弦波逆变器的诞生。20世纪70年代后期，可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR及其模块相继实用化。80年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了各种高频化的全控器件，并得到

14、了迅速发展，如功率场效应管Power MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT、静电感应晶体管SIT、静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管MCT、以及MOS晶体管MGT等，这就使电力电子技术由传统发展时代进入到高频化时代。逆变器，特别是正弦波逆变器，主要用于交流传动，静止变频和UPS电源。逆变器的负载多半是感性负载。为了提高逆变效率，存储在负载电感中的无功能量应能反馈回电源。因此要求逆变器最好是一个功率可以双向流动的变换器，即它既可以把直流电能传输到交流负载侧，也可以把交流负载中的无功能量反馈回直流电源。安徽工程大学毕业设计（论文）1第第 1 章章 绪论绪论1.1 电力电子技术概述 电力电子技术是利

15、用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。它包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。现代电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机（微处理器）技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用,是现代电力电子技术的具 体应用。当前,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的

16、方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。 当今世界能源消耗增长十分迅速。目前，在所有能源中电力能源约占 40%，而电力能源中有 40%是经过电力电子设备的转换才到使用者手中。预计十年后，电力能源中的 80%要经过电力电子设备的转换，电力电子技术在 21 世纪将起到更大作用。1.2 电力电子开关器件 电力电子开关器件也称为功率半导体器件(Power Semiconductor Device)，是电力电子技术中用来进行高效电能形式变换、功率控制与处理，以及实现能量调节的新技术核心器件。1958年世界上第一支晶闸管研制成功，使半导体技术在工

17、业领域的应用发生了革命性的变化，有力的推动了大功率电子器件多样化应用的进程。在随后的二十多年里，功率半导体器件在技术性能和应用类型方面又有了突飞猛进的发展，先后分化并制造出功率逆导晶闸管、三端双向晶闸管和可关断晶闸管等。在此基础上为增强功率器件的可控性，还研制出双极性大功率品体管，开关速度更高的单极MOSFET场效应晶体管和复合型高速、低功耗绝缘栅双极晶体管，从此功率半导体器件跨入了全控开关器件的新时代。进入90年代，单个器件的容量明显增大，控制功能更加灵活，价格显著降低，派生的新型器件不断涌现，功率全控开关器件模块化和智能化集成电路己经形成，产品性能和技术参数正在不断的改进和完善。电力电子开

18、关器件正在向着高频化、全控化、集成化和多功能化的方向发展。表1-1根据开关器件的导电类型对常见的半导体功率器件进行了分类表1-1 电力电子器件的分类类型器件名称器件符号双极型普通晶闸管双向晶闸管可关断景闸管 静电感应晶闸管 大功率晶闸管 SCRTRISGTOSITHGTR：48V/1KVA 单相桥式逆变器的设计2单极型 功率场效应晶体管静电感应晶体管绝缘门极晶体管MOSFETSITIGBT复合型MOS控制晶体管MOS控制晶闸管 MGTMCT目前，逆变电路中己经被广泛应用的电力电子开关器件主要有SCR， GTO， GTR，MOSFET和IGBT。由于它们的电流容量和开关速度各不相同，所以在逆变电

19、路中的应用范围也不相同，具体的性能比较见表1-2 。根据电力电子开关器件的发展和各种开关器件的性能比较结果，在将来一定时间内，在对于主电路开关器件的选择基本上可以遵循以下几个原则：1) 在几百KVA以上的大容量和超大容量的逆变电路中，开关器件的选择仍以GTO为主。如高压直流输电、大型电机驱动和大型化学电源，其容量都在几百KVA以上。但是在某些工频场合下有时也用SCR，其中SCR主要还用于整流式电源设备。2) 在几KVA到几百KVA直至上Mw的中大容量的逆变器中，开关器件将以IGBT为主，GTR由于其驱动功耗大和开关速度慢等不足，将逐步被IGBT和其他新型开关器件所取代。这个容量等级的逆变器应用

20、在交流电动机变频调速、逆变式弧焊电源、通信开关电源和有源滤波装置等场合中。3) 在几Kw以下的逆变电源中，开关器件以MOSFET为主。这类电源的容量密度高，噪声很小。如医用电源、照明、汽车、和家用电器等。表1-2 几种常用的电力电子开关器件性能比较 器件指标GTOGTRMOSFETIGBT电压耐量（V）9000140010004500电流通量（A）90008007002500浪涌电流（A）10le3le5le5le驱动方式电流电流电压电压驱动能耗中等 高低低开关频率(HZ)10k50k20m150k最高结温()125150200200抗幅射性能 很差差中等中等制造工艺复杂复杂很复杂很复杂使用难

21、较难很容易中等注：1. 这里电压耐量是指目前应用器件的最高值，而不是所以器件能达到的耐压值。安徽工程大学毕业设计（论文）32. 这里电流通量是指单个器件或模块的最大额定通流量。一般器件在最大通流量时耐压都很低，远远达不到最高耐压值。3. 这里的1e是指单只器件的最大额定通流量。4. 这里的开关频率是指该类器件的极限工作频率。各种开关器件的实际工作频率一般都比这个值低的多。1.3 逆变电路的分类电能变换技术是对电能的变换、控制和调整的技术，它是因各种用电设备对电能的不同需求而发展起来的。如今，电能变换技术正以电力电子、微电子和控制技术三者紧密结合的形式，形成了电力电子技术。由于微电子技术的迅速发

22、展，特别是微型计算机的普及和应用，使电力电子技术呈现欣欣向荣的景象。控制技术的发展使实现变流器的多功能化、智能化和电力电子装置及系统的数字仿真成为可能。从而把电力电子装置的性能、效率和可靠性提高到一个全新的水平。随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域应用越来越广泛，其主要应用在交流电动机变频调速和不间断电源系统中，除此以外，逆变技术在感应加热、弧焊电源、通信开关电源、变频电源、风力发电、直流输电、现代汽车、家用电源、航空逆变器、机器人、武器系统等方面都有应用。而在电力系统中，特别在变电站综合自动化和电厂方面，一些重要的用电设备的电源等，逆变技术也有

23、应用。逆变是对电能进行变换和控制的一种基本形式，它完成将直流电变换成交流电的功能，现代逆变技术就是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门学科。这门学科综合了现代电力电子开关器件技术、现代功率变换技术、模拟和数字电子技术、PWM技术、开关电源技术和现代控制技术等多种实用设计技术，己被广泛的用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。逆变器（inverter） ，又称变流器，反流器，或称反用换流器，电压转换器。是一个利用高频电桥电路将直流电变换成交流电的电子器件，其目的与整流器相反。根据逆变器的电路形式与输出的交流信号，可分为半桥逆变器、全桥逆变器和三相桥式逆变器。1.3.1 电压型逆变电

24、路及其特点 逆变电路直流侧电源是电压源的称为电压型逆变电路（Voltage Source Type InverterVSTI)。直流电源采用相控整流电路，由普通晶闸管组成。逆变电路由 6 个导电臂组成,每个导电臂均由具有自关断能力的全控型器件及反并联二极管组成，所以实际上也是一种全控型逆变电路。负载为感性，星形接法，在整流电路和逆变电路之间并联大电容 Cd。由于 Cd 的作用，逆变入端电压平滑连续，直流电源具有电压源性质。 1) 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。 2）只有单方向传递功率的功效。由于

25、直流电源是由晶闸管组成的相控整流电路，其输出电流方向不能转变；直流侧又并联大电解电容，因此输出电压平均值极性也不能转变，因此逆变入端功率平均值恒大于零，即电能只能由直流侧经逆变电路输向负载而不能沿相反方向由负载反馈回电网。 3）故障电流较难克制。由于逆变入端并联大电容，当逆变侧短路时，电容中电能将释放出来，形成浪涌短路电流。：48V/1KVA 单相桥式逆变器的设计41.3.2电流型逆变电路及其特点 直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。实际上理想直流电流源并不多见，一般是在逆变电路直流侧串联一个大电感，因为大电感中的电流脉动很小，因此可近似看成直流电流源。电流型逆变电路有以下主要特点：

26、1) 直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。2) 电路中开关器件的作用仅是改变直流甩流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。3) 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多，就其换流方式而言，有的采用负载换流，有的采用强迫换流。1.4 逆变的目的和优越性现代电力电子技术的发展为逆变技术的采用提供了必要的条件，采用逆变技术是为了获得不同的稳定或变化形式的电能。例如：1) 由蓄电池中的直流电源获得交流电，如

27、不间断电源(UPS)、应急灯电源、通用逆变电源等。2) 由蓄电池中的直流电源获得多路稳定的直流电，如程控电话交换机二次电源等各种通用DC/DC变换器。3) 获得可变频率的交流电源，如交流电动机调速变频器等。4) 实现电能量回馈，如电动机制动再生能量回馈有源逆变系统等。5) 使电源设备小型化、高效节能、获得更好的稳定性和调节性能，如各种类型的直流电源变换器。6) 利用感应涡流产生热量，如中频炉和高频感应加热。逆变技术的优越性主要体现在如下几个方面：1) 灵活地调节输出电压或电流的幅度和频率；2) 将蓄电池中的直流电转换成交流电或其他形式的直流电；3) 明显地减小用电设备的体积和重量，节省材料；4

28、) 高效节能 ；5) 动态响应快、控制性能好、电气性能指标好；6) 保护快 。正是由于逆变技术的这么多的优越性，它已被广泛应用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。1.5 逆变技术应用领域 随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域获得了越来越广泛的应用。下面列举的是其主要的应用:1) 光伏发电 能源危机和环境污染是目前全世界面临的重大问题，许多国家采取了提高能源利安徽工程大学毕业设计（论文）5率、改善能源结构、探索新能源和可再生能源等措施，以达到可持续发展的目的。开发利用新能源和可再生能源是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术之一，充分

29、开发利用太阳能是世界各国可持续发展的能源战略决策，其中光伏发电最受瞩目。 太阳能光伏发电就是将由太阳电池阵列产生的直流电，通过逆变电路变换为交流电供给负载或并入电网。自70年代开始采用太阳能光伏技术以来，目前，世界光伏发电累积装机容量已经超过了500MW，国外己开发出并网发电专用逆变器及相应的配套组件，光伏发电技术日趋成熟。我国具有丰富的太阳能资源，太阳能光伏发电前景非常广阔，但目前国内的光伏发电技术与世界先进国家相比有不小的差距。“九五”期间，国家科委开始将太阳能屋顶并网发电系统列入国家科技攻关计划，企业界己经在深圳和北京分别建成了100KW, 17KW和7KW的光伏发电屋顶系统，并成功的实

30、现了并网发电。2002年我国太阳能光伏发电系统累积总装机容量己达到了13.1MW，光伏发电的潜在市场非常巨大。2)不间断电源系统在许多领域中被广泛应用的计算机、通信设备、检测设备等都需要采用不间断电源UPS。UPS的主要构件有充电器和逆变器。在电网有电时，充电器为蓄电池充电，负载由电网供电；在电网停电时，逆变器将蓄电池提供的直流电逆变成交流电供给用电设备。3)交流电动机变频调速采用逆变技术将普通交流电网电压变化成电压、频率都可调的交流电，供给交流电动机，以调节电动机的转速，可用于控制风机、水泵、机车牵引、电梯、空调、机床等许多场合。4)直流输电由于交流输电架线复杂、损耗大、电磁波污染环境，所以

31、直流输电是一个发展方向。首先把交流电整流成高压直流电，再进行远距离输送，然后再逆变成交流电供给用电设备。5)通信开关电源6)风力发电风力发电机因受风力变化的影响，发出的交流电很不稳定，并网或供给用电设备都不安全。可以将其整成直流，然后再逆变成比较稳定的交流，就能安全的并到交流电网上或直接供给用电设备。7)有源滤波、无功功率补偿8)现代汽车汽车电器的发展潜力很大，照明、音响、防盗、自动控制等都将逐步使用节电效果明显的开关式电源-9)弧焊电源10)感应加热中频炉，高频炉、电磁灶等设备利用逆变技术产生交流电，从而产生交变磁场，金属在磁场中产生涡流而发热，从而达到加热的目的。11)变频电源世界上一些国

32、家采用的是60Hz的市电，而我们国家采用的是50Hz的交流市电。我们在生产出口外销的家电、电动机等产品时，调试、检验、老化过程中都需要大量的60Hz的交流电源。采用逆变技术就可以设计出这种电源。：48V/1KVA 单相桥式逆变器的设计612)磁悬浮列车为减少列车轮子与铁轨之间的摩擦而提高牵引效率，正在发展磁悬浮列车。磁悬浮列车就是采用逆变等技术产生一种磁场，使列车和铁轨不完全接触，减小磨擦。13)医用电源14)化学电源15)家用电器在现代的家庭生活中，有不少的家用电器都用到了逆变技术，从而达到了节能和改善使用性能的目的。如变频空调、电磁灶、微波炉、大屏幕彩电等。1.6 本次设计的任务 输入直流

33、电压：48V。设计容量为 1KVA 的电压型单相桥式逆变器，要求达到：输出单相 220V 交流电，完成总体系统设计。安徽工程大学毕业设计（论文）7：48V/1KVA 单相桥式逆变器的设计8第第 2 章章 主电路的选择和设计主电路的选择和设计2.1 逆变电路的分类 1）单相半桥逆变器单相半桥逆变器由两个开关串联组成，输出端位于两个开关的中点，由上下两个开关的开通、关断来决定输出的电压。半桥逆变器配合两个分压电容，可以输出双端之间的高频交流电。开关旁一般需要并联续流二极管，以便在感性负载时起到续流作用。半桥逆变器配合正负双电压源，可以输出双端的完全交流、含有直流分量的交流以及完全直流信号。D1驱动

34、 T1驱动T20,5TsTs0.5UoUoIoIoIo驱动 T11.5TSTTTTT2 驱动0.25Ts0.75TsTS（b ） 电压波形（c ） 电阻负载波形（d) 电感负载波形(e)RL 负载电流波形OOOOT1D2T2IomiomR-LD1T1D2T2+-UdC2C1RT1T2D1D2（a ） 图 2-1 电压型半桥逆变电路及其电压电流波形2）全桥逆变器由各含两个开关的两个桥臂连接成正方形组成，输出端的两端分别位于两组开关的中点，相当于取两个半桥的电压差，因此可以得到正负双向的交流输出。全桥逆变器可以不依赖外加器件，仅仅使用单电压源输出双端的完全交流、含有直流分量的交流以及完全直流信号。

35、安徽工程大学毕业设计（论文）9.+-UdV1V2VD1VD2LRV3V4VD3VD4uug1ug2ug3ug4u0tttttt1t2u0t3io 图 2-2 电压型全桥逆变电路及其电压电流波形3）三相桥式逆变器三相桥式逆变器有三个桥臂，输出端的三端分别位于三组开关的中点，取两两之间的电压差就可以得到三相电所需的三个相电压。根据三组共六个开关的开通顺序，三相桥式逆变器可以得到一组幅值相等、频率相等的三相电信号。.V1V3V5V4V6V2VD1VD3VD5VD4VD6VD2NUV0.5Ud0.5UdNWD0TT电阻负载波形负载电流波形1驱动 T1驱动 T20,5TsTs.5UoUoIoIoIo驱动

36、 T11.5TSTTT2驱动0 .25Ts0.75TsTS（b） 电压波形（ c）（ d)电感负载波形(e)RLOOOOT1D2T2Iom- iomR -LD1T1D2T2 图 2-3 电压型三相桥式逆变电路及其电压电流波形2.2 逆变电路的基本工作原理 DC /AC变换是将直流变换为交流，通常称为逆变，相应的功率变换装置称为逆变：48V/1KVA 单相桥式逆变器的设计10器。逆变器的实质是通过开关器件的有序导通与关断，将直流变换为交流方波。当交流侧接在电网上，即交流电接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。变流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个电路的转移

37、，这就是换流。换流方式在逆变电路中占有突出的地位。MOSFET属于全控型器件，可利用其自关断能力进行换流单相（器件换流） 。下面介绍逆变电路的基本工作原理：如下图 2-6 中 Q1Q4 是桥式电路的 4 个臂，当 Q1、Q4 导通，Q2、Q3 关断时，负载电压为正；当 Q1、Q4 关断，Q2、Q3 导通时，负载电压为负，这样就把直流电转变为交流电，改变两个臂导通的切换频率，即可改变输出交流电的频率。这就是逆变电路最基本的的工作原理。当负载为电阻时，负载电流和电压的波形形状相同，相位也相同；当负载为阻感时，电流相位滞后于电压，两者波形的形状也不相同。主控电路中最重要的是逆变电路，逆变电路根据直流

38、测电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。本文所设计的逆变电路就属于电压型逆变电路。电压型逆变电路主要有以下特点：a. 直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。b. 由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压源为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形或接近三角波，或接近正弦波。c.当交流侧为电感性负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的能量提供通道，每个桥臂都要有续流二极管。d. 逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流

39、电源无脉动，故传送功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。 单相全桥式逆变电路是应用最为广泛的电路之一，当逆变桥中的开关管以 PWM方式工作时，幅值为的矩形波oU可以看作是由基波和谐波的叠加，按傅氏级数展开dU以后存在以下关系： (2-1)0411(sinsin3sin35dUUttt ） (2-2)41.27dolmdUUU (2-3)2 20.9dddUUU其中，为基波的幅值，为基波的有效值。olmUolU2.3 本次设计的电路及原理系统总体设计框图如图 2-4 所示。安徽工程大学毕业设计（论文）11SG3525IR2110 PWM信号 光耦隔离驱动MOSFET 全桥逆变 电路交流OUTPU

40、TINPUT交流直流整流电路图2-4 系统框图该系统由主电路、控制电路和驱动电路三部分组成，其中主电路的核心部分为由二极管和电容、阻感性负载搭成的整流桥和由大功率开关器件 MOSFET、阻感性负载等搭成的单相全桥电压型逆变电路，以 SG3525 集成 PWM 控制器为核心的 PWM 信号发生及控制器构成该系统的控制电路，IR2110 及其外围器件构成 MOSFET 驱动电路。下面详细介绍各部分的组成及工作原理。逆变主电路逆变系统的核心就是逆变开关电路，或者叫逆变电路，通过电力电子开关的导通与关断，完成逆变的功能。在这里主电路由两部分组成：电源降压电路，桥式整流电路和全桥逆变电路。1)电源降压电

41、路课题要求逆变器输入源为交流40V，所以应该在整流电路前加降压器使输入的由交流220V变成交流40V，匝数比为5.5:1，由于降压电路简单在此不作详述2）.桥式整流电路：如图2-5所。AC+AC-D D1 15 58 81 19 9D D2 25 58 81 19 9D D3 35 58 81 19 9D D4 45 58 81 19 9L LR RE ES S1 1C C1 1+ +C C2 2DC+DC-直流图2-5 整流电路当交流电压（AC）处于正半周期时，二极管D2、D3导通，电源通过二极管D2、D3、阻感性负载L对电容C1、C2充电；当交流电压（AC）处于负半周期时，二极管D1、D4

42、导通，电源通过二极管D1、D4、阻感性负载L对电容C1、C2充电，如此反复直至电容电压达到U1,输出电压U1经电容C1、C2滤波后得到直流电压（DC） 。二极：48V/1KVA 单相桥式逆变器的设计12管整流桥把输入的交流电变为直流电，正常情况下，交流输入为40V，经过整流后变为48V直流电。3)全桥逆变电路：如图2-6所示。V VS S1 1V VS S2 2Q Q1 1I IR RF F4 46 60 0Q Q2 2I IR RF F4 46 60 0Q Q3 3 I IR RF F4 46 60 0Q Q4 4 I IR RF F4 46 60 0M MG G1 1M MG G2 2MG

43、3MG4R RR RE ES S1 1DC+DC-+ +C C4 4 E EL LE EC CT TR RO O1 1+ +C C3 3 E EL LE EC CT TR RO O1 1图2-6 全桥逆变电路逆变式主电路有单端正激、双单端、半桥、全桥等形式，由于全桥式逆变主电路适于输出大功率，在本研究中采用这种逆变主电路形式。该电路由2只容量耐压相同的电容器C3、C4和4只型号一致的MOSFET场效应管Q1、Q2、Q3、Q4组成电桥，其电路的输入是经整流滤波后的低纹波的直流电压U1。例如全桥逆变电路，它共有四个臂，可看成由两个半桥逆变电路组合而成。桥臂1和4为一对，桥臂2和3为另一对，成对的两

44、桥臂由控制电路提供驱动波形同时导通，两对交替各导通180，再经阻感性负载后,在阻感性负载处得到交变的电压。交替导通的实现是通过其基极控制信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且两者互补。安徽工程大学毕业设计（论文）13第第 3 章章 PWM 信号的产生信号的产生电力电子的功率变换技术，从广义的角度来讲，是指对电能进行变换、对器件进行控制的采用的策略。更确切的讲，是指脉宽技术（PWM） ，就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或需要的波形。它按一定的规则对各个脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率

45、。PWM 技术起源甚早，它是随着自关断器件的发展而发展起来的。80 年代以后，他被广泛应用于工业频率控制的逆变器中，从此获得迅速发展，并逐渐成熟。PWM 技术适用于很多领域，如直流斩波、正弦波整流器、谐波吸收、无功补偿和变频装置等。PWM 信号的产生方法也从最初由分立元件构成的模拟电路，到模拟集成电路，如 SG3525 等。3.1 PWM 集成控制器 SG3525 的结构与特性美国硅通用公司的第二代产品脉宽调制器 SG3525，是一种性能优良、功能齐全、通用性强的单片集成 PWM 控制器。这种芯片主要特点包括两路互补的开关信号、5.1伏基准电压以及脉宽调制锁存等功能。因此 SG3525 在桥式

46、开关电源中得到了广泛的应用。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，得到了广泛的应用。如图 2-3 和图 2-4 所示，本电路采用功率场效应管(MOSFET) 作为自关断器件，利用集成脉宽调制 SG3525 产生的脉宽调制信号作为驱动信号，控制由四个 MOSFET管搭成的电桥交替导通从而在阻感性负载处逆变出交流电。下面详细介绍 PWM 集成控制器 SG3525 的结构与特性。3.1.1 SG3525 的结构与特性 SG3525 电路有以下几部分组成：基准电压、振荡器、误差放大器、PWM 比较器及锁存器、分相器、欠压锁定器、输出极、软启动及关断电路等组成。 5.1 V1

47、.0%的基准电压 8V-35V的工作电压 频率范围为100 Hz 400 kHz 独立的同步振荡器 死区调节 输入欠压锁定 获得PWM避免多脉冲 输出极值电流为400 mA有关SG3525 的内部结构、功能、工作原理与应用特点、PWM(脉宽调制) 波的形成等说明如下：如图3-1 所示，虚线框内为SG3525 的内部结构图,下面详细介绍SG3525主要的组成部分。：48V/1KVA 单相桥式逆变器的设计145 5. .1 1V V基基准准欠欠压压锁锁定定15V1 15 51 16 65.1V5 5. .1 1V V振振荡荡器器7 7放放电电6 65 5R RT TT TC C3 3同同步步4 4

48、振振荡荡器器输输出出T T4 4C CP P9 9补补偿偿1 12 2- -+ +- -+ +8 8软软启启动动关关闭闭1 10 0T T3 35 50 0u uA A5 5. .1 1V VT T1 1R RS SQ QQ QQ QA AB BC CD D1 1P P1 1P P2 2S SG G3 35 52 25 5T T1 1T T2 2T T5 5T T6 6P P2 21 12 21 14 41 13 31 11 1p p1 1A AB BC CD D图3-1 SG3525内部结构图(a) 基准电压调整器基准电压调整器是输出为5.1V 、50mA ,有短路保护的电压调整器。它供给所

49、有内部电路,同时又可作为外部基准参考电压。(b) 振荡器振荡器的充电回路由 C13、R13 构成,电阻 R14 作为放电电阻,改变充电电容的大小即可改变锯齿波的频率,此频率也就是振荡器的振荡频率。此电路中, R14 放电电阻较小,所以形成的锯齿波波形后沿较陡。(c) 误差放大器及补偿输入误差放大器是差动输入的放大器,本电路可以不用,仅在补偿端9 引入幅值可调的直流调制信号Ur 。(d) 锁存器比较器的输出送到锁存器。锁存器由关闭电路置位,由振荡器输出时间脉冲复位。这样,当关闭电路动作,即使过流信号立即消失,锁存器也可维持一个周期的关闭控制,直到下一周期时钟信号使锁存器复位为止。另外,由于PWM

50、 锁存器对比较器来的置位信号锁存,将系统所有的跳动和振荡信号消除了。只有在下一个时钟周期才能重新置位,有利于提高可靠性,经过锁存器后的输出为PWM。(e) 输出由11 端、14 端输出信号。此外，SG3525 还有欠压锁定电路,闭锁控制电路，软起动电路。本电路不须使用闭锁控制和软起动。3.1.2 SG3525 的引脚功能SG3525 为 16 脚芯片，管脚图如图 3-2 所示。其中，脚 16 为 SG3525 的基准电压源输出，精度可以达到（5.11）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚5、脚 6、脚 7 内有一个双门限比较器，内电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成 SG35

51、25 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚 3)。脚 1 及脚 2 分别为芯片内误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流安徽工程大学毕业设计（论文）15开环增益为 70dB 左右。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚 9 和脚 1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。SG3525 各管脚如下图示：图3-2 SG3525引脚图引脚功能具体介绍如下：i.脚 15 接电源正极（835） ，当其电压低于 8V 时，将停止脉冲输出脚12 接地。ii.脚 5、7 接内部振荡器，控制振荡三角波的特性。脚 6 接电阻 R13，脚5 接电容 C13，脚 7 接放电电阻

52、 R14。如图 2-4 所示。iii.脚 3 可接外部同步信号，此处为单相逆变电源，不用此脚。iv.脚 4 输出对应锯齿波下降沿的时钟信号，调节放电电阻 R14 就调节了时钟宽度，也就是调节了死区大小，死区为推挽工作的 MOSFET 同时导通的时刻（应该避免以防短路损坏器件） 。v.脚 1、脚 2 为反相、同相输入，同相输入接脚 16 基准电压分压后的一固定电压，这样反相输入的电压可以改变脉宽的宽度，以实现PWM（脉宽调制） ，反相输入电压越高，脉宽越窄。vi.脚 8 为软启动端，通过一电容 C14 使脚 8 电压逐渐升高，脉宽逐渐加宽，以防启动时瞬时冲击损坏器件。vii.脚 10 为关闭端，

53、当出现直流电源电压过低，可以一高点平信号关断输出脉冲，保护电源。脚 13 接输出晶体管集电极，此处接电源正极（15V） 。viii.脚 11、14 为推挽输出端，在输出端为低电平时，可泄放电流，对MOSFET 的关断有利。3.2 SG3525 的工作原理及注意事项3.2.1 SG3525 的工作原理电力电子器件的通断，需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可以通过改变一个电压信号来调节，产生与调节脉冲的电路通常称为控制电路(或控制回路)。控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，从而配合逆变：48V/1KVA 单相桥式逆变器的设计16主电路完成逆变功能。本控制电路的核

54、心是以SG3525集成PWM控制器为核心的PWM信号发生及控制器（如图3-3）及光耦隔离电路（如图3-4）。1） PWM信号发生及控制器。 其中1脚与9脚相连，2脚上接电阻R15（10K）并连接滑动变阻器R16（10 K）的2端，R16的1端和3端分别接基准电压（5.1V）和接地。3、4脚空着不使用。5脚通过电容C13（0.01F）接地，6脚通过R13（5.1 K）接地，7脚通过电阻R14（10）与5脚相连。8脚为软启动端，通过C14（100F）接地。10脚为关闭端，在这里不用。13、15脚接15V电源。11、14脚输出PWM信号。SG3525能输出两路占空比相等，且相位相差180的驱动信号。

55、其中占空比的调节是通过调节可变电阻R16 来完成的，调节R16 即可改变调制信号的电压Ur（参考信号 ),当Ur 增大时,由SG3525 的11 脚输出的PWM波的占空比减小。由SG3525 产生的PWM信号,经过光耦隔离及驱动电路,分别驱动两路功率场效应管。 1 12 23 34 45 56 67 78 89 91 15 51 16 61 11 11 14 41 13 3P PW WM M1 1P PW WM M2 21 15 5V VU U5 5S SG G3 35 52 25 51 15 5V V5 5. .1 1V VR R1 14 41 10 0K KR R1 15 51 10 0K

56、 KR R1 13 35 5. .1 1K K5 5. .1 1V V1 10 0K KR R1 16 6C C1 13 3C C1 14 4图3-3 PWM信号的产生电路SG3525产生 PWM 信号的电路如图3-3所示，其中1脚与9脚相相连，2脚上接电阻R15（10K）并连接滑动变阻器R16（10 K）的2端，其1端和3端分别接基准电压（5.1V）和接地。3、4脚空着不使用。5脚通过电容C13（0.01F）接地，6脚通过R13（5.1 K）接地，7脚通过电阻R14与5脚相连。8脚为软启动端，通过C14（100F）接地。10脚为关闭端，在这里不用。13、15脚接15V电源。输入电压、基准电压

57、（16脚）与输出电压可在835V范围变化，通常可用CV+15V。基准电压是一个标准三端稳压器，有温度补偿，精度可达（5.11）V. 它即是内部电路的供电电源，也可为芯片外围电路提供标准电源，输出电流可达40mA，有电流保护功能；振荡器由一个双门限比较器、一个恒流电源及电容充放电电路构成。C13（5脚）恒流充电，产生一锯齿波电压，锯齿波的峰点电平为3.3V，谷点电平为0.9V，锯齿波的上升边对应C13充电，充电时间决定于R13（6脚）、C13（5脚）；锯齿波下降边1t对应C13放电，放电时间 决定于锯齿波频率由下式决定：2t （3-)3 . 167. 0(131)(1141321RRCttf1）

58、安徽工程大学毕业设计（论文）17振荡器对应于锯齿波下降边输出一时钟信号脉冲（CP脉冲），其宽度为.故调节R142t即可调节CP脉冲宽度，由后面的叙述可知，这个CP脉宽决定了两输出口11、14输出脉冲之间最小的时间间隔，即死区。所以，调节R14就可调节死区，R14越大，死区dtdt越大。 振荡器还设有外同步输入端3脚，在3脚加直流或高于振荡器频率的脉冲信号，dt可实现对振荡器的外同步；误差放大器其直流开环增量为70dB。同相输入端接基准电压或其分压值，反馈电压信号接反相输入端。比较器与PWM锁存器误差放大器输出电压U加至比较器反相端，振荡器输出的锯齿波电压加于同相端，比较器输出一PWM信号,该P

59、WM信号经锁存器锁存，以保证在锯齿波的一个周期内只输出一个PWM脉冲信号；分相器是一个T 触发器，每输入一个CP脉冲，则翻转一次。所以，分相器的输出是一个方波信号，其频率为锯齿波频率的1/2。 此方波信号加至输出级两组门电路的输入端B； 当电源电压Vc7V时，欠电压锁定器输出一高电平，加至输出级门电路的输入端A，同时也加到关闭电路的输入端，以封锁输出。基准电压调整器受15 端的外加直流电压Vc 的影响，当Vc 低于7V或严重欠压时,基准电压调整器的精度值就得不到保证，由于设置了欠压锁定电路,当出现欠电压时，欠电压锁定功能使A端线由低电压上升为逻辑高电平，经过或非门输出转化为：P2 = A +B

60、 + C + D = 1 +B + C + D = 0。SG3525 的13 脚输出为高电平，功率驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失，逆变器无电压输出。欠电压使A端线高电压传到T3 晶体管基极，T3导通为8引脚外接电容C14 提供放电的途径，C14经T3 放电到零电压后，限制了比较器的PWM脉冲电压输出，该电压上升为恒定的逻辑高电平，PWM高电压经PWM 锁存器输出至D端线仍为恒定的逻辑高电平，C14 电容重新充电之前，D 端线的高电平不会发生变化，封锁输出。欠电压消失后，欠电压锁定功能使A 恢复低电压正常值，C14 电容由50A 电流源缓慢充电，C14充电对PWM和D 端线脉冲宽度产生