电力电子应用课程设计SPWM全桥逆变器控制电路设计2014

1、 电力电子应用课程设计课题： SPWM全桥逆变器控制电路设计 班级 学号 姓名 专业 系别 指导教师 淮阴工学院电气工程系2014年2月一、设计目的1. 加深学生对推挽变换电路的理解，学会分析推挽电路的各种工作模态，及原边开关管、副边二极管的电压电流参数设计和选取。2.培养学生分析、解决实际问题的能力，培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。3、熟悉变换器中变压器复位的基本原理及设计。4.培养学生的创新能力。使学生能系统全面的总结所学过的理论知识，掌握各类电力半导体器件所构成的各种功率变换电路，掌握各变换主电路的构成和工作原理，不

2、同负载对电路工作特性的影响以及主电路的元件参数计算与选择等。二设计任务与要求 首先熟悉全桥逆变器拓扑，掌握其逆变原理，实现正弦波输出要素，重点设计SPWM逆变器控制信号发生电路。参数指标：输入：48Vdc, 输出：40Vac/400Hz1、掌握全桥逆变概念，分析全桥逆变器中每个元件的作用； 2、分析正弦脉宽调制（SPWM）原理，及硬件电路实现形式； 3、应用protel制作SPWM逆变器控制电路线路图； 4、根据线路图制作硬件，并调试。三. 设计总体框图 四设计原理分析SPWM脉宽调制原理 PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列

3、脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。当采用正弦波作为调制信号来控制输出PWM脉冲的宽度，使其按照正弦波的规律变化，这种脉冲宽度调制控制策略就称为正弦脉冲宽度调制(Sine pulse width modulation，SPWM)，产生SPWM脉冲，采用最多的载波是等腰三角波；因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。SPWM波形的产生1).全桥倍增SPWM控制 主电路和其他全桥逆

4、变电路完全一致，控制脉冲的发生类似双极性SPWM的模式，所不同的是，其桥臂之一所使用的互补控制脉冲由正弦调制波和三角载波比较产生，而另一个桥臂脉冲由同一正弦波和反相的三角载波比较产生(或者是反相三角载波和同一正弦波比较产生)。这种调制输出谐波性能等效于2倍载波频率的单相单极性SPWM，所以叫做倍频式SPWM，它仅仅在控制上作了简单改动，却大幅度提高了性能，是一种很具实用价值的技术。对开关频率不变，等效输出频率倍增的效果，可以从不同的角度直观理解：一种是从调制波反相角度看，将两桥臂视为两组独立反相双极性SPWM半桥输出，它们的奇数倍开关频率谐波群也反相抵消掉了；或者可以从载波反相角度理解，相当于

5、等效载波频率加倍。2).正弦脉冲宽度调制 采用正弦波作为调制信号来控制输出PWM脉冲的宽度，使其按照正弦波的规律变化，这种脉冲宽度调制控制策略就称为正弦脉冲宽度调制，简称正弦脉宽调制。产生SPWM脉冲，采用最多的载波是等腰三角波；既可以采用自然采样也可以规则采样；既可以采用单极性控制模式也可以采用双极性控制模式，但使用较多的是规则采样双极性控制方式。a.准正弦脉宽调试法 在正弦调制波上叠加幅度适当并与正弦调制波同相位的三次谐波分量，从而得到合成后的马鞍形调制波，这个三次谐波和三角波比较产生PWM脉冲的方法就是准正弦波脉冲宽度调制法。 b.消除特定谐波法 消除特定谐波法的核心是通过对电压波形脉冲

6、缺口位置的合理安排和设置，以求既能达到控制输出电压基波大小，又能有选择地消除逆变器输出电压中某些特定谐波的目的。 c.电压空间矢量脉冲宽度调制技术 电压空间矢量脉冲宽度调制技术是从交流电机的角度出发，以控制交流电机磁链空间矢量轨迹逼近圆形为调制目的，以求减小电动机的转矩脉动，改善电动机的动态性能。1.电路组成及工作原理分析：电路主要由正弦波和三角波发生电路，控制电路和逆变电路组成。电路中所用到的元器件主要有ICL8038，运算放大器LF353，比较器LM311，IR2110，MOSFET，CD4069，电阻电容及齐纳二极管组成。ICL8038分析：ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡

7、集成电路, 只需调整个别的外部组件就能产生从0.001HZ300kHz 的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调频信号输入端, 所以可以用来对低频信号进行频率调制。 icl8038中文资ICL 8038 的主要特点:(1) 可同时输出任意的三角波、矩形波和正弦波等。(2) 频率范围: 0.001HZ300kHz(3) 占空比范围: 2% 98%(4) 低失真正弦波: 1%(5) 低温度漂移: 50ppm/(6) 三角波输出线性度: 0.1%(7) 工作电源: ±5V ±12V 或者+ 12V + 25V1引

8、脚功能及内部结构         图1 ICL8038的引脚功能排列图    图2 ICL8038内部电路方框图由图2可知, 该芯片由三角波振荡电路、比较器1、比较器2、触发器、三角波正弦波变换电路、恒流源CS1、CS2 等组成。恒 流源CS1、CS2主要用于对外接电容C 进行充电放电, 可利用4、5脚外接电阻调整恒流源的电流, 以改变电容C 的充放电时间常数, 从而改变10脚三角波的频率。两个比较器分别被内部基准电压设定在2 3V s 与1 3V s。使两个比较器必须在大于2 3V

9、s 或小于1 3Vs 的范围内翻转。其输出同时控制触发器, 使其一方面控制恒流源CS2 的通断, 另一方面输出方波经集电极开路缓冲器, 由9 脚输出方脉冲, 而10脚经缓冲器直接由3 脚输出三角波, 另外还经三角波正弦波变换电路由2 脚输出低失真正弦波。外接电容C 由两个恒流源充电和放电。若S 断开, 仅有电流I1 向C 充电, 当C 上电压上升到比较器1 的门限电压2 3V s 时, 触发器输出Q = 1。开关S 导通, CS2 把电流I2加到C上反充电, 当I2> I1 时, 相当于C 由一个净电流I2- I1放电, 此时C 上电压逐渐下降, 当下降到比较器2的门限电压1 3V s时

10、, R·S触发器被复位,Q = 0, 于是S 断开CS2, 仅有CS1 对C充电, 如此反复形成振荡, C上电压近似为三角波, 而触发器输出则为方波。当两个电流源CS1、CS2 的电流分别设定为I、2I时, 电容C上的充电、放电时间相等, 则10脚三角波以及变换的正弦波就是对称的, 方波的占空比是50%。若恒流源CS1、CS2的电流不满足上述关系, 则3脚输出非对称的锯齿波, 2 脚输出非对称的正弦波, 9脚输出占空比为2% 98% 的脉冲波形。另外改变恒流源I的大小, 即可改变振荡信号的频率。 2.控制电路分析：当电路开始工作，首先由ICL8038产生的正弦波和三角波，正弦波和三角

11、波的幅值由可调电阻来控制，得到的波可以通过LF353运算放大器构成的反相电路进行反向，得到方向相反的正弦波，正弦波与三角波信号通过LM311比较芯片产生SPWM脉冲。（如图3）3.1 驱动电路设计在功率变换装置中，根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式.美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。该芯片具有驱动电流大，速度快，外围电路简单，可驱动母线电压高达500V的全桥，对输入信号要求低等优良性能R2110的内部功能框图如图1所示。由三个部分组成：逻辑输入，电平平移及输出保护。如上所述IR2110的特点，

12、可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的成功设计，可以大大减少驱动电源的数目，三相桥式变换器，仅用一组电源即可。3.2 IR2110引脚功能及特点简介（图4）：图4 IR2110引脚图L0(引脚1)：低端输出COM(引脚2)：公共端Vcc（引脚3）:低端固定电源电压Nc（引脚4）: 空端Vs（引脚5）:高端浮置电源偏移电压VB (引脚6):高端浮置电源电压HO（引脚7）:高端输出Nc（引脚8）: 空端VDD（引脚9）:逻辑电源电压HIN（引脚10）: 逻辑高端输入SD（引脚11）:关断LIN（引脚12）:逻辑低端输入Vss（引脚13）:逻辑电路地电位端，其值可以为0VNc（引脚1

13、4）:空端IR2110的特点：1） 具有独立的低端和高端输入通道。2） 悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V。3） 输出的电源端（脚3）的电压范围为1020V。4） 逻辑电源的输入范围（脚9）515V，可方便的与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有 V的便移量。5） 工作频率高，可达500KHz。6） 开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns7） 图腾柱输出峰值电流2A3.3 IR2110的工作原理IR2110内部功能由三部分组成：逻辑输入；电平平移及输出保护。如上所述IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的设计，可

14、以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。 高端侧悬浮驱动的自举原理： IR2110驱动半桥的电路如图所示，其中C1，VD1分别为自举电容和自举二极管，C2为VCC的滤波电容。假定在S1关断期间C1已经充到足够的电压（VC1 VCC）。 当HIN为高电平时如图5 ：VM1开通，VM2关断，VC1加到S1的栅极和源极之间，C1通过VM1，Rg1和栅极和源极形成回路放电，这时C1就相当于一个电压源，从而使S1导通。由于LIN与HIN是一对互补输入信号，所以此时LIN为低电平，VM3关断，VM4导通，这时聚集在S2栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg2迅速对地放电，由于死区时间影响使

15、S2在S1开通之前迅速关断。 当HIN为低电平时如图6：VM1关断，VM2导通，这时聚集在S1栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg1迅速放电使S1关断。经过短暂的死区时间LIN为高电平，VM3导通，VM4关断使VCC经过Rg2和S2的栅极和源极形成回路，使S2开通。在此同时VCC经自举二极管，C1和S2形成回路，对C1进行充电，迅速为C1补充能量，如此循环反复。 图5 HIN为高电平 图6 HIN为低电平4.主电路分析：主电路主要由驱动电路和逆变电路两大部分组成。本次设计我们采用倍频式SPWM技术，在开关频率不变的情况下，达到输出频率倍增的效果。IR2110用于驱动全桥逆变器用以控制MOSFET

16、的通断，在IR2110的外围电路使用二极管和齐纳二极管防止MOSFET的同时导通而击穿。如下图所示，MOSFET采用IRF150，4个IRF150两两串联后并联成桥式逆变主电路，U输入为出入电压，VDC输出电压，电容C1、C3为VCC的滤波电容，电容C2、C4为自举电容，二极管为自举二极管。MOSFET的驱动采用芯片IR2110驱动，2个IR2110芯片分别驱动桥式逆变主电路的2个桥臂。工作时，两个IR2110（1）和IR2110（2）的输入SPWM脉冲是相反的，两个IR2110分别驱动不同桥臂的MOSFET管，IR2110（1）的HO驱动Q1、IR2110（1）的LO驱动Q2，IR2110（

17、2）的HO驱动Q3、IR2110（2）的LO驱动Q4，由于输入的两个SPWM脉冲是相反的，2个桥臂上的MOSFET管会交叉导通，即Q1、Q3同时导通或者Q2、Q4同时导通，两种情况依次循环导通，从而完成逆变。图4 主电路图5.参数计算与分析ICL8038（如图7） 图7 ICL8038输入、输出电压波形图输入、输出电压波形如图7所示，要求输出40V 400Hz交流电压。本次设计中采用正弦波调制SPWM脉冲，所以需要400Hz的正弦波，三角波可以选用10倍到20倍的正弦波频率，我们选用15倍，6000Hz。正弦波和三角波的产生采用ICL8038芯片产生。ICL8038芯片产生三角波和正弦波的振荡

18、频率由下式确定 产生正弦波时，C=0.47F，R1+R2=21K,10 K< R1<11 K,10 K<R2<11 K。输出f=400Hz时，调节1 K电位器，可以调节输出频率为400Hz。产生三角波时，C=1000pF，R1+R2=35K,15 K< R1<20 K,15 K<R2<20 K。输出f=6000Hz时，调节5 K电位器，可以调节输出频率为6000Hz。五主要参数和器件清单ICL8038波形发生器 2个 LF353运放器 1个LM311比较器 2个 4069反向器 2个IR2110 2个 IRF150 4个4.7K电阻 若干 10K电阻 若干