闭环自激型逆变器设计要点

1、闭环自激型逆变器设计要点1. 设计任务设计一个能够输岀100v/60hz的正弦交流电源变换器，其输入电源标准为220v/50hz。该电源 变换器的输出功率要求在500w以上，总谐波失真小于10%,输出电压屮基本无直流成份。在输入 电源电压波动10%以内的条件下，输出电压波动也要小于10%。2. 闭环自激逆变电路由于上述逐级变换的逆变电路不便于进行瞬时反馈，难以克服非线性失真缺陷，造成有严重的 谐波失真，或者说是波形畸变。这也是开环电路共有的弊端。闭环自激型逆变电路由于闭环反馈的 作用，可以输出失真度很小的正弦电压。只是在电路结构上并没有独立的？电路，而是将？熔 合于整个闭合环路中。木文所述的闭

2、环向激型逆变电路组成的基本思想是根椐输出电压大小和输入调制电压进行比 较，形成自激振荡，直接控制脉冲宽度。其原理结构如图3-23所示。由于无独立pwm电路，电路结 构显得更简单。阁3-23闭环q激型全桥逆变电路阁3-23所示闭环向激型全桥逆变电路采用ir2111芯片驱动，实现了四个独立驱动脉冲输出。 ir2111的脉冲信号传递关系为：2端（in）高电平时，7端（ho）高电平，4端（lo）低电平，也 就在于是in与ho的脉冲同相位。波形曲线关系如图3-24所示。从波形相位关系上可以发现，ho 与lo脉冲间无死区时间，容易造成半桥电路的上下管同时导通不良状态，这也是该电路的一大缺 陷。因此，特别要

3、注意选择高速开关管，并且，加入缓冲电路加以弥补。in|hoiiiiiiiiloiiiiiiii图3-24ir2111芯片脉冲传递的相位关系该闭环自激型全桥逆变电路的pwm调制频率基本上由r,、r2、c15、cl9、l5五个元件的参数 决定，是属于延迟负反馈振荡电路结构。当然，电压比较器正反馈网络r3、r4决定的滞冋电压大小也会影响振荡频率。因为rh r2二个电阻的比值还要控制输出正弦电压的幅度，一般是通过调整 c,5的容量来改变振荡频率。ir2111芯片需要提供两套电源电压：h0端口输出的需要一套独立的电源电压vb,加在8、6 脚之间；其他电路用另一套电源电压va，加在1、3脚之间。一般在电路

4、设计中为了简单化，vex； 采用辅助电源供电，而vb则是采用电压自举方式从vcc取电。d3、c5、c7就是一个自举取电电路， 功率电路的功率管反复处于通、断交替状态，当半桥功率电路中q2管导通时，15v辅助电源通过 03和（）2对电容（：5、c7充电，当关闭时c5、（：7上的电压悬浮，维持对ho输出电路的供电。同 样，d4、c6、c8是另一块芯片的自举取电电路。辅助电源采用15v电压，是基于功率场效应管栅极 激励需要近15v的电压而确定的。两套电源之间的电压差只要不超过600v,都能够安全工作。输出正弦电压的幅度由全桥功率电路的供电电压大小限制，一般全桥功率电路的供电电压要比 输岀的正弦波峰伉

5、电压高10v左右。全桥功率电路的供电电压巾另外一套电源电路提供，参考下一 节的说明。给定足够大的功率电路供电电压后，输出正弦电压的幅度还可以由仏、r2二个电阻分压 比调整。3. 60hz正弦振荡电路60hz正弦振荡器采用rc文氏振荡电路结构，如图3-25所示。其巾的r26、r28川作频率微调振荡信号输出的峰峰值控制在8.0v 电路屮元件的取值计算如下.振荡频率/60 hz(/?25 + z?26 )c4w 120兀2.65x10-3若c2取为o.lpf，r25可取为27kq，r26可取为0q根据关系vopp+12v图3-25 rc文氏振荡电路以及/?29 +/?3e=2& 计算，可以得

6、到。当 vopp=8.0v 时，/?30=0.65/?29，/?（）=0.82/?，9。如果要输出50hz的正弦波，只要将此振荡电路频率必为50hz即可。如果把此频率连续可调， 就成为了一个变频电源。如果将振荡电路改为放大电路，从外界输入咅频信号，就成为了一个d为 功率放大器。可见，有些名称不同的电子装置的实际上核心技术是共同的。4. 输出滤波电路一般逆变器的输出频率与调制用脉冲频率相比，相差较大，可以采用结构比较简单的二阶lc 滤波电路，但图3-26中的lc电路实际是起到延时作用，滤波电路还需要另加。滤波器截止频率并无严格要求，对应l、c参数也可以有一个比较宽的变化范围。脉冲频率义 计划为2

7、0khz以上，用60hz正弦进行调制。因此，在输出脉冲信号巾包含了 60hz和n/s （n为自然 数）频率成分。当正弦调制波略有失真时，会含有120、180、240hz等60hz的低次谐波。若将截 止频率确定为lk-2khz,可以避免出现谐振现象，有效分离凋制频率和载波频率。图3-中电感l和 电容cp成最简单的低通滤波电路，按谐振于1khz附近计算，在额定负载（rf25q）下q值约取为2.0。滤波元件参数计算参考第二节。滤波电容的耐压在250v以上。为了增大载流能力，应该 采用多个电容器并联而成。l/vycpl<yyrl(b)图3-20逆变器输出滤波电路其屮=2 ji戶6280rad/s

8、。阁3-20(b)屮电阻电容参数的等效关系为:y2、r rlr2p + x2p p(吨 cp)2+i_r2p + x2p _cp' cpa)xc coxpr2prlcp)2对于纯串联电路，(2 =eorc，co1tzc由此可计算得到：l=1.6mh, 012.7 nf计算过程:corccorl(吨 cp )2+icp +cp(wp)2o)rlcpo)2ceo2cti+q :2.0o)rl 6280x25= 12.7x10"6fre2+i252 x12.7x1022+l1.6x103 h(叭 cpy-图3-21逆变器输出滤波器器特性曲线s然，当负载减轻，即rk增大时，q值会有所

9、增加。当有害谐波能量不大时，无大碍。当有害 谐波能量不能忽略时，要采取必要措施加以限制。当 rl=100q 时，= 6.4xl0-3/rjcp _ 1002x3.2xlq-6 22+1 22+l滤波电感的绕制采川（p0.7mm漆包线在（p27铁硅铝磁环上均匀密绕41匝，实际电感量为126ph。与o.lf电容 滤波电路，谐振频率约为45khz;与lpf电容滤波电路，谐振频率约为14khz。5. 直流高电压的获取通过spwm调制，可能将商压直流电转换成正弦交流电输出，而且，直流电压伉直接决定了所输 出的正弦交流电压制峰值大小。这一直流高电压值应该稳定，并且能够提供足够大的电流。对于不 同的给定条件

10、，有不同的获取方法。5.1. 从低压直流电升到高压直流电如果给定的输入条件是低压直流，如在蓄电池供电环境下，只能从低压直流电升为高压直流电。 从低压直流电升为商压所采用的最基本的电路是boost电路，如阁3-27所示。先是k导通给电感l 储能，接着k关闭，电感所储存的能量通过二极管d向电容转移，使电容获得电压。如果流经k的 平均电流大于负载电流，则电容上的电压会高于输入电压。在实际升电压电路中，一般用场效应管或igbt元件作为开关元件替代k工作。开关元件要有 足够的载流能力，电感要有足够的储能能力。这类升压电路最主要的组成有叫个部分：pwm控制电路、储能电感、开关元件、整流二极管。 图3-28

11、是一个典型的实际升压电路，由tl3842pwm芯片控制。图3-28 dc升压电路口rgflooopfjb_res212v根据功率守恒关系vin/in=vo/o+f 决定升压能力。其中p内是电路自身消耗的功率， 不要消耗在开关管和整流管上，一般所占比例较小。例如：从24v蓄电池上取电，输出200v电压100w功率，输入功率一般应该达到140w以上, 平均电流约为6a，理相状态下的峰值电流为12a，实际值还要再大一些。，5.2. 从交流电源整流获取直流电图3-31基于uc3854的pfc电路原理图6.电源变换器的制作与测试完整的正弦逆变电路的规模比较大，可以分为三块电路板安装，其中一块电路板是正弦

12、逆变电 路，另一块电路板是pfc电路。这两块电路功能相对独立，自成系统。第三块电路板是低压供电电 源电路，主要是提供+15v直流电压，用于控制电路的供电。6.1正弦逆变电路的装配流程各单元电路间的参数有一定依赖关系，电路的装配需要一个合适的流程。比如在主调制电路的 相关电压变化范围确定后，才能确定电平的平设定值。因此，一般先装配ic4力核心的主调制电路， 再装配脉冲反相电路，然后1（：3为核心的pwm电路，没定相关直流电平。测试他们的脉冲输出正常 后，装配脉冲驱动电路、脉冲功率电路等。6.2. 闭环自激逆变电路的装配与调整安装时将电路板分别对照各自的原理图，逐个安装其元件。部分可省略元件无需安

13、装，注意临 时改动的线路位置.场效应管的漏极都通过磁珠接入电路。二极管、场效应管、集成电路、电解电容 等都有极性，注意不能错装。图3-36逆变电路板顶视图装配前首先对照原理图和线路图，弄淸楚相互间关系，认清元件位置，从小器件到大器件逐个 安装。原理图见附件六。其中rc正弦波振荡电路中的正反馈器件暂缓装配，使电路能够工作在稳 定电压状态，便于调整。完成装配后在输入端加入各路电压，用示波器测试电压比较器输出的电压 波形，应该呈现出脉冲波形，读出其振荡频率。测试点可以选择在电阻久上。装配输出低通滤波电路低通滤波器中的电感在*（40-24）x 15mm的黄白 色铁粉芯上用1.0mm漆包线密绕140匝（

14、104+36）， 如图3-37所示。其电感量为1.92mh,配合5.2 "f无极 性电容，谐振频率约为1.6khz,介于开关频率与正弦 输出频率之间。当加上100q负载时，品质因数为5.2。功率电路与低通滤波器之间必须连接隔直流电 容，电容耐压在250v以上，电容量在2000 u f以上。阁3-37逆变屯路初期试验阁7.思考题1）输出负载呈感性吋，对输出滤波电路参数计算有什么影响?2）逆变电路与音频d类功率放大器有什么关联？逆变电路测试目的：对所装配的电路进行通电检查，排除故障，达到可用状态。步骤：1、检査闭环振荡工作情况(1) 在正弦信号未输入时(拆除r27或心)，用示波器测量电压

15、比较器的 输出端(1端口)电位和半桥电路输出点的电位。(2) 两个半桥输岀点的电位是否相等。调整电位器r22至两个电位相等，约为供电电压的一半。(3) 用示波量测量电压比较器反相端2脚电位波形 2、测量逆变情况(1) 在闭环振荡正常之后，恢复正弦振荡，测量正弦振荡电路的输出波形。(2) 用双踪示波器三波形显示功能测量逆变器输出口的逆变波形。附录四：闭环自激式交流电源变换电路元件清单commentdesignatorfootprint型号/规格value数量电容c1，c2r3cap2100uf2c3rad-0.3cap0.01uf1c4，c160805cap0.1uf2c7, c8.c15080

16、5cap0.01uf，220pf3c5，c11，c13，c18r3cap poll22uf,220uf, 470uf4c6cappr5-5x5cap poll220uf1c9rc0.2cap620p1c10，c12，c14rad-0.2cap620p3c19, c20rad-0.4cap620p2稳压二极管d1, d2dio7.8-4.6x22.1v2二极管d3, d4diode-0.4diode 1n9142集成芯片ic1p008lm3581ic3626-05lm393an1ic4, ic5sop-8ir21112电感器l1, l2axial-0.3inductor10uh2l5，l6rc0.3inductor1mh2功率场效应管q1,q2, q3.q4sfm-t3/a4.7vnmos-24电阻器r1, r35, r36, r37, r380805res239k5r8, r190805res210k2r9, r26, r27, r29, r300805res21k, 6.8k, 8.2k5r7,，r250805res220k, 27k2r2axial-0.4res2