电力电子技术课程设计-正弦逆变电路的设计

汽车电力电子技术课程设计第7页共12页目录一、设计的基本要求………………2二、电路设计思路……………………31.总体框架图………………………32.逆变电路的设计………………33.SPWM脉宽调制电路的设计…………………44.驱动电路的设计…………………75.保护电路的设计…………………96.交流稳压电路的设计…………97.主电路元器件参数计算和选择……………10三、附录…………………11四、参考文献…………12五、总结与心得……………………12摘要：本系统是根据无源逆变的实用原理，采用单相全桥逆变电路工作方式，实现把直流电源（100V）转换成交流电源（220V，50HZ），并对负载进行供电。达到的性能要求就是转换出稳定的工频电源，供给给汽车上的一些电器如车灯，音像等使用。关键字：车载蓄电池逆变保护电路一、设计的基本要求太阳能是可再生、可持续性发展的战略能源。特别是以汽车产业为经济支柱的国家，尤其在新能源汽车动力上力图有所创新和发展，如在电动汽车、燃料电池汽车领域纷纷投入巨资，而在太阳能汽车领域更是探索不止，力度加大。太阳能电动车是利用太阳能电池将收集来的能量储存在汽车蓄电池中，由蓄电池输出的直流电经过DC-AC变换转换成工频交流电，供用电负载使用。其能量管理系统框图如图1所示，而其中DC-AC变换模块是其核心部分。现要求完成正弦逆变电路的设计。图1.太阳能电动车能量管理系统框图设计正弦逆变电路，提出了一种低成本的基本原理及制作方法；介绍了驱动电路芯片SG3524和IR2110的使用；设计驱动和保护电路。本文阐述了要求非常高的正弦逆变电路的设计及实验过程中的一些特殊问题的解决措施，提出了一些新颖的观点。二、电路设计思路1.总体框架图正弦波逆变电路由SPWM波形产生电路、驱动电路、逆变功率桥路、输出变压器、高频滤波器、交流稳压电路及保护电路等环节组成。图2.正弦逆变电路原理框图主电路的工作原理是给进行DC/AC转换的逆变桥加上直流电源，控制逆变桥管子的通断，而使直流电变成了工频交流电。而逆变桥上的4个可控管子的通断状态是由控制电路的驱动信号来控制，所产生的低压交流电经过了变压器的升压形成了电压220V，与用电负载的频率、相位一致的交流电回馈到电网上。主电路的基本方框图如图2。2.逆变电路的设计电压型逆变电路的特点(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同(3)阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。图3所示的电压型单相全桥逆变电路，由4个IRF740构成桥式逆变电路，IRF740最高耐压400V，电流10A，功耗125W，利用半桥驱动器IR2110提供驱动信号，其输入波形由SG3524提供，同理可调节该SG3524的输出驱动波形的D<50％，保证逆变的驱动方波有共同的死区时间。其中H桥和高频滤波电路完成直流到交流的变换滤去谐波，获得交流电；控制电路完成对H桥中开关管的控制，并使输出交流电的电压、频率和波形稳定。功率开关管Ｔ1、Ｔ4和Ｔ2、Ｔ3反相，Ｔ1和Ｔ2相位互差１８０°，调节Ｔ1和Ｔ2的输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有能使Ｔ3和Ｔ4共同导通的功能，因而具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会产生畸变。该电路上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共态导通，在Ｔ1、Ｔ4及Ｔ2、Ｔ4之间必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间。图3.电压型单相全桥逆变电路原理框图3.SPWM脉宽调制电路的设计为了降低成本，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。3.1.SG3524的功能及引脚

图4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4.SG3524引脚及内部框图SG3524工作过程是这样的：直流电源Vs从脚15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。

振荡器脚7须外接电容CT，脚6须外接电阻RT。振荡器频率f由外接电阻RT和电容CT决定，f=1.18/RTCT。本设计将Boost电路的开关频率定为10kHz，取CT=0.22μF，RT=5kΩ；逆变桥开关频率定为5kHz，取CT=0.22μF，RT=10kΩ。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V2的基极，锯齿波的作用是加入了死区时间，保证V1及V2两个三极管不可能同时导通。最后，晶体管V1及V2分别输出脉冲宽度调制波，两者相位相差180°。当V1及V2并联应用时，其输出脉冲的占空比为0％～90％；当V1及V2分开使用时，输出脉冲的占空比为0％～45％，脉冲频率为振荡器频率的1/2，在本系统电路图中，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。3.2.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1～3.5V，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框图，以及实际电路各点的波形，如图5所示。(a).控制电路框图(b).各点波形图5.控制电路框图及各点波形

正弦波电压ua由函数发生器ICL8038产生。ICL8038引脚和具体的接法如图5所示。正弦波的频率由R1，R2和C来决定，f=，为了调试方便，我们将R1及R2都用可调电阻，R2和R是用来调整正弦波失真度用的。在实验中我们测得当f=50Hz时，R1＋R2=9.7kΩ，其中C=0.22μF。正弦波信号产生后，一路经过精密全波整流，得到馒头波uc，另一路经过比较器得到与正弦波同频率，同相位的方波ub。uc与1V基准经过加法器后得到ud，ud输入到SG3524-2的脚1，脚2与脚9相连，这样ud和锯齿波将在SG3524-2内部的比较器进行比较产生SPWM波ue。分相电路用一块二输入与门74LS08和一块单输入非门74LS05所组成。ub和ue加到分相电路后就可以得到驱动信号uf和ug，再将uf和ug加到MOS管驱动电路的光耦原边，就可以实现正弦脉宽调制。图6.ICL8038用于正弦波信号发生4.驱动电路的设计

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，是大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路，可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动，同时还具有快速完整的保护功能，因而它可以提高控制系统的可靠性，减少电路的复杂程度。图7.驱动电路原理图图8.IR2110内部结构和工作原理框图LO（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0V

Nc（引脚14）:空端汽车电力电子技术课程设计第12页共12页IR2110的内部结构和工作原理框图如图8所示。图中HIN和LIN为逆变桥中同一桥臂上下两个功率MOS的驱动脉冲信号输入端。SD为保护信号输入端，当该脚接高电平时，IR2110的输出信号全被封锁，其对应的输出端恒为低电平；而当该脚接低电平时，IR2110的输出信号跟随HIN和LIN而变化，在实际电路里，该端接用户的保护电路的输出。HO和LO是两路驱动信号输出端，驱动同一桥臂的MOSFET。IR2110的自举电容选择不好，容易造成芯片损坏或不能正常工作。VB和VS之间的电容为自举电容。自举电容电压达到8.3V以上，才能够正常工作，要么采用小容量电容，以提高充电电压，要么直接在VB和VS之间提供10～20V的隔离电源，本电路采用了1μF的自举电容。IR2110的具体工作原理：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。

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（VC1VCC）。

当HIN为高电平时如图9：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S2在S1开通之前迅速关断。当HIN为低电平时如图10：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9.状态一图10.状态二5.保护电路的设计

保护电路分为欠压保护和过流保护。欠压保护电路如图11所示，它监测蓄电池的电压状况，如果蓄电池电压低于预设值，保护电路开始工作，使控制器SG3524的脚10关断端输出高电平，停止驱动信号输出。图11.欠压保护电路图图11中运算放大器的正向输入端的电压由R1和R3分压得到，而反向输入端的电压由稳压管箝位在一值，当蓄电池的电压下降超过预定值后，运算放大器开始工作，输出跳转为负，LED灯亮，同时三级管V截止，向SG3524的SD端输出高电平，封锁IR2110的输出驱动信号。过流保护电路如图12所示，它监测输出电流状况。正弦波逆变电路的输出电流经过采样进入运算放大器的反向输入端，当输出电流大于预设值后，运算放大器的输出端跳转为负，经过CD4011组成的R-S触发器后，使三级管V1基级的信号为低电平，三级管截止，向IR2011的SD1端输出高电平，达到保护的目的。图12.过流保护电路图6.交流稳压电路的设计交流稳压器是一种能够使用电设备的工作电压基本稳定的稳压设备。交流稳压器种类固然很多，主回路工作原理有所不同，但基本上(交流参数稳压器例外)基本都是输入开关取样电路,控制电路,电压调节装置，输出保护装置,驱动装置，显示器及及组成,其基本工作原理框图如下：

图13.交流稳压器工作原理框图1、输入开关：作为稳压器输入工作开关，一般都采用有限流保护的空气开关式小型断路开关，它能对稳压器和用电设备起到保护作用。2、电压调节装置：是一种可以调节输出电压的装置,它能将输出电压升高或降低是稳压器最主要的部件。3、取样电路：它对稳压器输出电压和电流进行检测，将输出电压变化的情况给传送给控制电路。4、驱动装置：由于控制电路的控制电信号较弱,所以需要用驱动装置来进行功率放大和转换。5、驱动保护装置：一种连通和断开稳压器的输出的装置，一般常用继电器或接触器或保险器等。6、控制电路：它将取样的电路检测型号进行分析,当输出电压偏高时，则向驱动装置发送将电压降低的控制信号，则驱动装置将驱动电压调节装置将输出电压调低，当输出电压偏低时，则向驱动装置发送将电压升高的控制信号，则驱动装置将驱动电压调节装置将输出电压调高，而使输出电压稳定达到稳定输出的目的。当检测到输出电压或电流超出稳压器的控制范围时。控制电路将控制输出保护装置使之断开输出而保护用电设备，而在正常时输出保护装置是连通输出的，用电设备可以得到稳定的电压供给。7.主电路元器件参数计算和选择正弦逆变变换电路的输入电压Ui限定在80-200V，取Ui＝100V作为计算参数来进行器件的选择。主电路中需要确定参数的元器件有MOSFET、驱动器、电感、电容。1.MOSFET(1)．MOSFET类型由于电力MOSFET管大都是N沟道MOSFET，因此本课题中也选择这种类型。(2)．额定电流的选择选用MOSFET时，由于存在电容滤波，考虑冲击电流的存在，管子额定电流为冲击电流的1～2倍。因为充电电流为1～2C，考虑最大的情况，即正常充电脉冲为8C，所以开关管的额定电压为(1～2)×8A=(8～16)A。此处选择最大值则为16A。即MOSFET的额定电流为16A。(3)．额定电压的选择在实验室试验方案的主电路中可以看出，开关管的最大正向电压为100V，最大反向电压为100√2V=141V，考虑2～3倍的裕量，则额定电压为282～423v。(4)．具体MOsFET选择从上面的电压电流额定参数计算可以看出，额定电压比较低，因此主要选择电流标准。通过选择，我采用了IRF740型MOSFET管，其具体参数如上。由于在实际实验室充电测试中，采用了lC的电流进行充电，因此选用了10A的额定电流参数，从上面参数看出IRF740完全满足需要。2.驱动器IR2110的自举电容选择不好，容易造成芯片损坏或不能正常工作。VB和VS之间的电容为自举电容。自举电容电压达到8.3V以上，才能够正常工作，要么采用小容量电容，以提高充电电压，要么直接在VB和VS之间提供10～20V的隔离电源，本电路采用了1μF的自举电容。3.电感L为工频电感,选择大电感L，使得电路能够续流。定MOSFET导通频率为f=50kHz，此时的临界电感为，所以电感L>=，取L=。4.电容C为工频电容,选择的电容不能取的太大，否则会使电路的速度变得很慢。，这里取C=。为减小噪声，选闭合铁芯，C为工频电容，可以选标称值。三、附录元器件明细表元器件名称数量元器件名称数量电阻R20电力三极管2放大器4IRF7404电容C10CD40112电解电容5IR21102电力二极管VD10SG35242电感L1LED1四、参考文献[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].4版.北京：机械工业出版社，2010.8[2]廖冬初，聂汉平.电力电子技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2007.9[3]康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].5版.北京：高等教育出版社，2009.12[4]王