逆变电源设计报告(自动化0808—王华)

1、题号： A 武汉理工大学第四届电工电子创新设计大赛设计报告题目：逆变电源参赛者：王华学院班级：自动化学院 自动化0808联系方式分标准：项目满分得分基本要求论文结构完整性10理论分析与计算20硬件电路设计与器件选择45分析及结论20创新特色5总分逆变电源摘要本设计实现了一种基于Cortex M3的高频链逆变电源。系统由输入欠压保护、推挽升压、全桥逆变、SPWM波产生、低通滤波、输出过流保护、辅助电源等电路组成。12V的直流电通过推挽式变换逆变为高频方波，经高频变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的约320V直流电压。前级DC-DC变换采用SG3525驱动MOSFET得到

2、高压直流电，然后通过M3产生的SPWM驱动全桥电路，再经低通滤波得到220V的工频正弦交流电。采用反激式开关电源升压再经稳压芯片稳压供电很好的实现隔离，并且具有输入欠压保护和输出过流保护，输出功率可达100W。该电源体积小、效率高、输出电压稳定，非常适用于车载逆变器。关键词：推挽升压 全桥逆变 滤波 反激式 M3Abstract This design implements a Cortex M3 based on the high-frequency link inverter power supply.System consists of input undervoltage protec

3、tion, push-pull boost, full-bridge inverter, SPWM wave generator, low pass filtering, output over-current protection, auxiliary power and other circuit.12V direct current through the push-pull inverter is a high frequency square wave transform, the high-frequency step-up transformer, then rectified

4、and filtered to get a stable DC voltage of about 320V.Former level DC-DC conversion by using SG3525 drive MOSFET high voltage DC and then generate the SPWM drive M3 full bridge circuit, and then low-pass filter obtained by the frequency sinusoidal AC 220V.With a flyback switching power supply step-u

5、p regulator chip re-powering through the realization of good isolation, and with input voltage protection and output over-current protection, output power up to 100W.The power, small size, high efficiency, output voltage stability, ideal for automotive inverter. Key words: push-pull boost full-bridg

6、e inverter flyback M31、 方案论证与比较 1、总体方案的比较方案一：如图1所示，12V的直流电经过DC-AC逆变成10V/50HZ交流电，再经工频变压器升压到220V.如图1 方案一原理框图方案二：系统框图如图2所示，本系统主要由推挽升压电路、全桥逆变电路、SPWM波产生电路、保护电路和辅助电源等电路组成。12V直流电压经过推挽式高频逆变和高频整流得到高压直流电，在经全桥DC-AC逆变和低通滤波输出220V的工频交流电。 图2 方案二电路框图 方案一比较简单，升压斩波电路前后级电压倍数低，可以采用非电气隔离性直流变换器，但采用工频变压器经AC-AC升压，存在体积大，效率低

7、等缺陷。方案二实现了无工频变压器的逆变电路，可以很好的克服方案一存在的问题，同时保证了电源输出电压更稳定、更平滑。通过比较，本设计选择方案二。 2、隔离型DC-DC电路方案方案一：采用半桥式变换电路，该电路对开关管的耐压值要求低，开关管截止时承受电压为电源电压，所用功率变压器的铁芯没有单向偏磁现象，但对电流要求大。方案二：采用推挽式变换电路，这种电路一般需要选择高耐压值的开关管，电流要求低，截止时开关管承受电压为电源电压两倍以上。两组开关管的漏极连在一起，门极驱动电路无需彼此绝缘，驱动电路简单。由于本系统输入只有12V，但电流将近10A,采用方案一获得同样的输出功率要求开关管流过方案二两倍的电

8、流，管子发热严重。而方案二即使要求开关管承受电压为电源的两倍，也不过24V，一般MOSFET完全胜任。通过比较，本设计选择方案二。3、高频变压器后级整流方案方案一：采用全波整流电路，电流回路中只有一个二极管压降，损耗小，整流过程中只需两个二极管。但是，二极管关断时承受反压是二倍的交流电压幅值，对器件耐压值要求比较高，而且变压器二次绕组有中心抽头，制作复杂。方案二：利用全桥整流，二极管断态时承受反压仅为交流电压幅值，而且变压器绕组结构简单。缺点是任意时刻电感的电流总要相继流过两个二极管，损耗大。通过比较，由于逆变后电压较大有300400V，对管子耐压要求较高。为了使变压器绕制简单，管子耐压较低，

9、选择方案二。4、SPWM波产生方案 方案一：采用模拟电路实现SPWM。由模拟元件构成的三角波和正弦波产生电路分别产生三角载波信号ut和正弦调制波信号ur送入电压比较器，从而产生SPWM波，这种利用模拟电路调制方式的优点是完成Ut与ur信号的比较和确定脉冲所用的时间很短，几乎是瞬问完成而且ut和ur的交点是非常精确的，未做任何近似处理。方案二：采样法软件计算实现SPWM，利用Cortex M3通过编程直接生成SPWM波。充分利用M3内部带死区可调的PWM模块和丰富的定时器，轻松实现稳定可靠SPWM波。方案一电路复杂，而且正弦波不太稳定，方案二电路极其简单且程序也不复杂，输出SPWM非常漂亮。故本

10、次设计选择方案二。二、理论分析与计算1.高频变压器参数设计1.1 磁芯选择与参数计算 选择铁氧体磁芯，先求出磁芯窗口面积AW与磁芯有效截面积Ae的乘积AP, 根据AP值, 查表找出所需磁芯材料之编号。由于输出要求100W,当效率为0.8时，逆变器输入端应有120W,考虑到温升问题高频变压器功率预留6% 的裕度, 则设计输出功率为Po= 1.06*120= 127W 。由于变压器用于推挽变换电路当中, 由 其中J=400A/cm4, K =0.4,=0.8,=0.8,f=60KHZ,Bm =0.2。求得AP=0.7395cm4，查磁芯参数表知EC42符合设计要求，再根据型号查找对应的有效截面积A

11、e=2.04cm2。1.2 变压器匝数计算 初级绕组匝数为：1.43取初级匝数N1=2。 次级绕组匝数为：取次级匝数为50匝。1.3 绕组导线线径及股数计算采用铜线考虑集肤效应，由于开关频率为60KHZ,故穿透深度为：可知线径不得超过0.54mm，取线径为0.38mm。根据工程实际情况和绕组损耗, 取J= 4A/mm2,导线直径为=0.38mm,由设计要求知Iimax=12A,IOMAX=0.45A,由公式：可知初级线圈采用26股并绕，同理可求出次级线圈股数为1股。2. LC低通滤波参数设计 为了将SPWM波的谐波分量滤除，在逆变器的输出端加了LC滤波器，从而得到正弦交流信号，滤波器的截止频率

12、一般都是开关频率的1/101/2，设定SPWM波的频率为20K，则f定为1.2kHZ，由公式 取电容C=3.3uF，电容选择聚丙电容，得L=4.7mH。 三、电路与程序设计1.推挽式隔离型直流变换电路如图3，电路由脉宽调制芯片SG3525产生带死区互补PWM波驱动IRF3205，两个开关管经变压器初级绕组的中心端交替导通，每次导通时间小于半个周期。次级整流二极管也轮流导通，交替经滤波电感向负载提供电流并向电容充电。图3 推挽升压电路2.逆变电路由于输出功率较大，达100W所以采用全桥逆变，如图4所示。利用Cortex M3产生的两路带死区互补的SPWM经IR2110驱动开关管IRF840。IR

13、2110驱动功率器件，采用自举驱动方式，悬浮沟道设计使其能驱动母线电压小于600V的功率管。它可以仅用一个供电电源来实现对全桥电路4个管子的驱动，避免了以往桥式驱动中多独立电源的麻烦，还可以和主电路共地。 由于MOS管通常导通时间要小于截止时间，这样在交替导通的瞬间往往容易发生桥路短路现象，改进的办法是在驱动臂上并联二极管1N4148来加速电流回吸，以起到加速截止的作用，使MOS管的截止加快。为了防止MOS管在开关的瞬间，尖锋电压导致MOS管被击穿，在桥路中加入了起缓冲嵌位作用的二极管，电阻和电容。 图4 逆变电路 3.保护电路如图5所示，电流1在采样电阻上产生的电压经LM358放大10倍后于

14、参考电压比较，超过则输出低电平，C31向二极管迅速放电使#SID信号被拉低，浮栅型驱动器输出被关闭，向单片机报警。同时I变小，运放1脚输出高低平，5V经过R23对C31充电，经过一段时间达到IR211O的高电平门限，再次打开场效应管。这样可以保证过流时迅速关断输出，关闭一段时间后自行试探，在故障消除后自动恢复。图5 过流保护电路4. 辅助电源 由于输入直流电压只有12V，而给芯片供电需要15V,5V,3.3V，需要多路输出。如图6所示，采用反激式变换器再经过稳压芯片稳压，可以很好地隔离并且使损耗较小。本设计中采用电流型脉宽调制芯片UC3845驱动IRF540控制占空比，经高频变压器和半波整流得

15、到多路直流输出。图6 辅助电源5.SPWM产生程序 如图7所示为程序的流程图，利用Cortex M3产生双极性SPWM波，由于单片机没有负压故需要对脉宽进行抬升到正轴以上。由于频率较高，所以利用M3内部锁相环模块将系统时钟倍频到50MHZ，利用定时中断按时到按正弦规律变化的表中查询改变输出脉宽。 图7 SPWM波产生程序流程图 四、仿真结果及分析1.测试方法与测试条件1.1 测试仪器数字示波器 DS5062MAE；4位半数字万用表 MY65；15M数字信号源 RIGOL DG1011；双路可跟踪直流稳定电源 EM1715；OrCAD 10.5。1.2 仿真及测试方法1.2.1 隔离型直流变换的

16、测量：用双踪示波器观察输入波形，并测出开环时占空比变化，输入输出电压，电流并计算出效率。1.2.2 SPWM波的测试：通过对M3编写程序，用示波器测出波形。1.2.3 逆变电路仿真 ：在OrCadPspice中输入全桥电路，观察仿真结果。 2. 主要测试结果2.1 隔离型直流变换器的测试2.1.1 高频变压器原级波形如图8所示。图8 变压器原级波形2.1.2 效率测试占空比（%）输入电压Ui（V）输入电流Ii(A)输出电压UO(V)输出电流IO(A)效率（%）1411.91.141030.1070.8133121.781940.0900.8245121.962210.0850.7982.2 S

17、PWM波的测试 将Cortex M3产生的两路SPWM波形送入IR2110驱动全桥，用示波器测IR2110输出端波形，如图9所示。图9 SPWM波形2.3 逆变电路的仿真 利用OrCad/Pspice进行逆变模块仿真来验证参数的设定是否合理。如图10为在Pspice软件中的仿真原理图。 图10 SPWM逆变仿真主电路元件参数根据计算可知，L=4.7uH,C=2.2Uf.仿真波形如图11所示。图11 Pspice软件仿真波形3.仿真及测试结果分析通过仿真及部分实物测试结果可知，基本要求以及发挥部分均达到要求。能将12V的电压经高频变压器得到270V的高压直流电，并经过逆变得到220V的工频交流电

18、,前级高频推挽升压效率可达80%。参考文献 1杨荫福等编著.电力电子装置及系统.北京:清华大学出版社,2006.92王兆安 刘进军主编. 电力电子技术. 北京:机械工业出版社,2009.53忠炎平主编.电力电子电路设计. 武汉:华中科技大学出版社,2010.44黄智伟编著.全国大学生电子设计竞赛系统设计. 北京:北京航空航天大学出版社,2006.125黄争编著.2009年全国大学生电子设计竞赛优秀作品选集. 上海:德州仪器半导体技术（上海）有限公司大学部,2009.12附件：实物图：SPWM程序：#include hw_types.h#include hw_memmap.h#include h

19、w_ints.h#include hw_gpio.h#include hw_pwm.h#include sysctl.h#include systick.h#include debug.h#include gpio.h#include pwm.h#include interrupt.h #include timer.hconst unsigned long ulTab360 = /* 一个周期的SIN函数表 */ 1400, 1424, 1447, 1471, 1494, 1518, 1541, 1565, 1588, 1611, 1634, 1658, 1681, 1704, 1727, 1

20、749, 1772, 1795, 1817, 1840, 1862, 1884, 1906, 1927, 1949, 1971, 1992, 2013, 2034, 2054, 2075, 2095, 2115, 2135, 2155, 2174, 2194, 2212, 2231, 2250, 2268, 2286, 2303, 2321, 2338, 2355, 2371, 2387, 2403, 2419, 2434, 2449, 2464, 2478, 2492, 2506, 2519, 2532, 2545, 2557, 2569, 2581, 2592, 2603, 2613, 2

21、624, 2633, 2643, 2652, 2660, 2669, 2676, 2684, 2691, 2698, 2704, 2710, 2715, 2720, 2725, 2729, 2733, 2737, 2740, 2743, 2745, 2747, 2748, 2749, 2750, 2750, 2750, 2749, 2748, 2747, 2745, 2743, 2740, 2737, 2733, 2729, 2725, 2720, 2715, 2710, 2704, 2698, 2691, 2684, 2676, 2669, 2660, 2652, 2643, 2633, 2

22、624, 2613, 2603, 2592, 2581, 2569, 2557, 2545, 2532, 2519, 2506, 2492, 2478, 2464, 2449, 2434, 2419, 2403, 2387, 2371, 2355, 2338, 2321, 2303, 2286, 2268, 2250, 2231, 2212, 2194, 2174, 2155, 2135, 2115, 2095, 2075, 2054, 2034, 2013, 1992, 1971, 1949, 1927, 1906, 1884, 1862, 1840, 1817, 1795, 1772, 1

23、749, 1727, 1704, 1681, 1658, 1634, 1611, 1588, 1565, 1541, 1518, 1494, 1471, 1447, 1424, 1400, 1376, 1353, 1329, 1306, 1282, 1259, 1235, 1212, 1189, 1166, 1142, 1119, 1096, 1073, 1051, 1028, 1005, 983, 960, 938, 916, 894, 873, 851, 829, 808, 787, 766, 746, 725, 705, 685, 665, 645, 626, 606, 588, 569

24、, 550, 532, 514, 497, 479, 462, 445, 429, 413,397,381, 366,351, 336, 322, 308, 294, 281, 268, 255, 243, 231, 219, 208, 197, 187, 176, 167, 157, 148, 140, 131, 124, 116, 109, 102, 96, 90, 85, 80, 75, 71, 67, 63, 60, 57, 55, 53, 52, 51, 50, 50, 50, 51, 52, 53, 55, 57, 60, 63, 67, 71, 75, 80, 85, 90, 9

25、6, 102, 109, 116, 124, 131, 140, 148, 157, 167, 176, 187, 197, 208, 219, 231, 243, 255, 268, 281, 294, 308, 322, 336, 351, 366, 381, 397, 413, 429, 445, 462, 479, 497, 514, 532, 550, 569, 588, 606, 626, 645, 665, 685, 705, 725, 746, 766, 787, 808, 829, 851, 873, 894, 916, 938, 960, 983, 1005, 1028,

26、1051, 1073, 1096, 1119, 1142, 1166, 1189, 1212, 1235, 1259, 1282, 1306, 1329, 1353, 1376 ;static unsigned long n = 0; /-/防JTAG失效程序/-void jtagWait(void) SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOB);GPIODirModeSet(GPIO_PORTB_BASE,GPIO_PIN_5,GPIO_DIR_MODE_IN);if(GPIOPinRead(GPIO_PORTB_BASE,GPIO_PIN_5)=0

27、x00) for(; ;); SysCtlPeripheralDisable(SYSCTL_PERIPH_GPIOB);/-/延时子程序/-void delay(int x) int i;for( ; x ; -x)for(i=0;i10000;i+);void PWMinit() SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOD); / 使能PWM0和PWM1输出所在GPIOD SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_PWM); / 使能PWM模块 SysCtlPWMClockSet(SYSCTL_PWMDIV_1); /

28、 PWM时钟配置：不分频 GPIOPinTypePWM(GPIO_PORTD_BASE, / PD0和PD1配置为PWM功能 GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1); /*PWM发生器的配置与控制 */PWMGenConfigure(PWM_BASE, PWM_GEN_0, / 设置PWM发生器0为上下计数方式，两路PWM不同步 PWM_GEN_MODE_UP_DOWN | PWM_GEN_MODE_NO_SYNC);PWMGenPeriodSet(PWM_BASE,PWM_GEN_0,2800); / 设置两路PWM的共同周期 PWMPulseWidthSet(PWM_BASE,P

29、WM_OUT_0,1400); / 分别设置PWM的匹配值/*PWM死区控制 */PWMDeadBandEnable(PWM_BASE, / 使能PWM发生器0死区,并设置死区延时,以PWM0为基准产生两路对称互补方波PWM_GEN_0, 6, /* 设置上升沿延时（7.5s） */ 6); /* 设置下降沿延时（10s） */ PWMOutputState(PWM_BASE, PWM_OUT_0_BIT | PWM_OUT_1_BIT, true); / 使能PWM0和PWM1PWMGenEnable(PWM_BASE, PWM_GEN_0); / 使能PWM发生器0 /*同步控制 */ PWMSyncUpdate(PWM_BASE,PWM_GEN_0_BIT); PWMSyncTimeBase(PWM_BASE, PWM_GEN_0_BIT | PWM_GEN_1_BIT );