1、SPW全橋逆變器主功率電路和控制電路設計一. 設計目的通過電力電子技術的學習，熟悉無源逆變概念；采用全橋拓撲并 用全控器件MOSFE形成主電路拓撲，設計逆變器硬件電路，并能開 環工作。熟悉全橋逆變器拓撲，掌握逆變原理，實現正弦波輸出要素, 設計SPW逆變器控制信號發生電路。輸入：48VDC 輸出：40VAC/400HZ二. 設計任務(1)掌握全橋逆變的概念，分析全橋逆變器中每個元件的作用;分析正弦脈寬調制SPW原理，及硬件電路實現形式;應用Protel制作SPWM逆變器線路圖;根據線路圖制作硬件，并調試;三. 設計原理電路組成及工作原理分析:電路主要由正弦波和三角波發生電路，控制電路和逆變電路

2、組 成。電路中所用到的元器件主要有ICL8038,運算放大器LF353,比 較器LM311 IR2110, MOSFETCD4069電阻電容及齊納二極管組成?？刂齐娐贩治觯寒旊娐烽_始工作，首先由ICL8038產生的正弦波和三角波，正弦 波和三角波的幅值由可調電阻來控制，得到的波可以通過LF353運算 放大器構成的反相電路進行反向，得到方向相反的正弦波，正弦波與 三角波信號通過LM311比較芯片產生SPW脈沖。主電路分析:本次設計我們采用倍頻式SPW技術，在開關頻率不變的情況下,達到輸出頻率倍增的效果。IR2110用于驅動全橋逆變器用以控制MOSFE的通斷，在IR2110的外圍電路使用二極管和齊

3、納二極管防止MOSFE的同時導通而擊穿。如下圖所示，MOSFE采用2SK1825 4個 2SK1825兩兩串聯后并聯成橋式逆變主電路，U輸入為出入電壓，VDC輸出電壓，電容C1、C3為VCC勺濾波電容，電容C2 C4為自舉電容,二極管為自舉二極管。MOSFET勺驅動采用芯片IR2110驅動，2個IR2110芯片分別驅動橋式逆變主電路的2個橋臂。工作時，兩個IR2110 (1)和IR2110 (2)的輸入SPW脈沖是相反的，兩個IR2110 分別驅動不同橋臂的 MOSFE管,IR2110 (1)的HC驅動Q1、IR2110(1)的 LO驅動 Q2 IR2110 (2)的 HO驅動 Q3 IR21

4、10 (2)的 LO驅動Q4由于輸入的兩個SPW脈沖是相反的，2個橋臂上的MOSFET 管會交叉導通，即Q1 Q3同時導通或者Q2 Q4同時導通，兩種情況1正弦波和三角波的生成電路設計實現PWM控制的方法有很多，雖然具體的控制方案不盡相同，但 不論是哪一種PwM控制策略，一般都必須包含兩個基本環節： 一是計 算并確定逆變器開關狀態的切換時刻，二是在設定的時刻輸出逆變器 的控制脈沖。能夠實現以上PW控制基本任務的方法大致可以分為硬件電路和軟件控制產生兩大類。在這次設計中,我們采用專用集成電路來實現。正弦波和三角波12的產生由.專門的三角波、正弦波等,ICL8038生成，芯片ICL8038能夠穩定

5、輸出方波、輸出波形精度高，輸出頻率范圍很寬（0 . 001HZ-300KHZ),還有溫漂小，外圍電路簡單等優點。ICL8038的8腳為調頻電壓輸入，即振蕩輸出頻率受此端電壓的控制， 是一種電壓一種頻 率(V/f)轉換電路，稱為壓控振蕩。其振蕩頻率與調頻電壓成正比, 線性度約為0. 5%,調頻電壓的值是指+VCC端與管腳8之間的電壓,此值應不超過I /3(Vcc+Vee)。 7腳為調頻電壓輸出端，其值由器件 內部的分壓電阻值決定，這里指的是Vcc端和7腳之間的電壓，此值 為I /5(Vcc+Vee),它可作為8腳的輸入電壓。3腳為三角波輸出端,2腳為正弦波輸出端，4腳為占空比調整端，5腳為頻率調

6、整端，6腳為電源正極Vcc, 11腳為電源負極Vee, 1 0腳接定時電容G 1 3、14腳為空腳。正孩液1N節一 正ata*出一 三角awft出 瀕*/占空出調節一 */占空比節一 正電v*_MW 1 IijNC245671312111098NC正節2 負電 VVGND外接電容正弦披輸出2. 逆變電路設計所謂“逆變是將直流電轉化為極性周期改變的交流電，從電路拓撲上看，有多種結構可以實現電能的極性反轉。 以電壓源功率變換為 例:橋式逆變結構.基本的電壓源橋式逆變結構如圖所示， 兩組功率開關串聯跨接于電源，成為一個橋臂，以其串聯中點為輸出點。這樣的結構不允許串 聯開關同時導通，按照不同開關的通斷

7、組合，橋臂可以將它所跨接的 兩個不同電位作為輸出，合理安排這些不同的橋臂輸出電位可能生成 有正有負的輸出電壓，這是橋式逆變電路實現電源極性變換的基本原理。橋式電路是逆變器中得到最廣泛應用的拓撲形式，其器件電壓耐 受值較低，控制、組合靈活，在自換流或者負載換流模式都可以工作, 不依賴變壓器參與逆變，適應性非常廣泛。橋式電路的形式多種多樣, 如半橋、全橋、三相橋、多相橋等。Ui橋式逆變電路I推挽逆變電路3. 驅動電路設計在功率變換裝置中，根據主電路的結構，起功率開關器件一般采 用直接驅動和隔離驅動兩種方式.美國IR公司生產的IR2110驅動器, 兼有光耦隔離和電磁隔離的優點，是中小功率變換裝置中驅

8、動器件的 首選。該芯片具有驅動電流大，速度快，外圍電路簡單，可驅動母線 電壓高達500V的全橋，對輸入信號要求低等優良性能。IR2110的內部功能框圖如圖1所示。由三個部分組成：邏輯輸入,電平平移及輸出保護。如上所述IR2110的特點，可以為裝置的設計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的成功設計， 可以大大減少 驅動電源的數目，三相橋式變換器，僅用一組電源即可。IR2110引腳功能及特點簡介:L0（引腳1）:低端輸出COM引腳2）:公共端Vcc （引腳3）:低端固定電源電壓Nc （引腳4）:空端Vs （引腳5）:高端浮置電源偏移電壓VB （引腳6）:高端浮置電源電壓HO（引腳7）:高端輸出N

9、c （引腳8）:空端VDD（引腳9）:邏輯電源電壓HIN （引腳10）:邏輯高端輸入SD（引腳11）:關斷LIN （引腳12）:邏輯低端輸入Vss （引腳13）:邏輯電路地電位端，其值可以為 0VNc (引腳14):空端IR2110的特點:1)具有獨立的低端和高端輸入通道。2)懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500V。3)輸出的電源端(腳3)的電壓范圍為1020V。4)邏輯電源的輸入范圍(腳 9)5 15V,可方便的與TTL, CMOSI平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有 V的便移量。5)工作頻率高，可達500KHZ6)開通、關斷延遲小，分別為120ns和94ns7)圖騰柱

10、輸出峰值電流2AU-4848t211t34. 設計原理圖分析及參數計算1.參數計算7Lo輸出波形輸入電壓Ji波形輸入、輸出電壓波形如圖所示，要求輸出40V 400Hz交流電壓。本次設計中采用正弦波調制SPWM脈沖，所以需要400Hz的正弦波，三角波可以選用10 倍到20倍的正弦波頻率，我們選用15倍，6000Hz。正弦波和三角波的產生采 用ICL8038芯片產生。ICL8038芯片產生三角波和正弦波的振蕩頻率由下式確定 0.6f =R2R1C(1+)2R1 - R2產生正弦波時，C=0.47 卩 F, R1+R2=21K Q ,10 KQ R111 KQ ,10 KQ R211 K Q。輸出f

11、=400Hz時，調節1 K Q電位器，可以調節輸出頻率為 400Hz。產生正弦波時，C=1000pF, Ri+R2=35K Q ,15 KQ Ri20 KQ ,15 KQ R220001 om O.OJ 0 040 0510 俯 0 07 o.o O.W 0K Q。輸出f=6000Hz時，調節5 K Q電位器，可以調節輸出頻率為 6000Hz。JCWznaluOnnn n叫1正弦波與三角波重合生成的 SPWM波形 _BM. 1【t fI n n z.ifiQjn n flnn n廠ii iiiiiiiufI r I【1111I I n ns Bn nr n n_ flii“n n lTjii

12、i uni iduu -：oo - -叫5. PW脈寬調制PWM(P ulse Width Modulatio n)控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。當采用正弦波作為調制信號來控制輸出 PWM脈沖的寬度，使其按照正弦波的規律變化，這種脈沖寬度調制控制策略 就稱為正弦脈沖寬度調制（Sine pulse width modulation ，SPWM） 產生SPW脈沖，采用最多的載波是等腰三角波；因為等腰三角波上 任一點的水平寬度和高度成線性關系且左右對稱， 當它與任何一個平 緩變化的調制信號波相交時，如果在交點時刻對電路中

13、開關器件的通 斷進行控制，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖。 在調制信號 波為正弦波時，所得到的就是 SPW波形。1）.全橋倍增SPW控制主電路和其他全橋逆變電路完全一致， 控制脈沖的發生類似雙極 性SPW啲模式，所不同的是，其橋臂之一所使用的互補控制脈沖由 正弦調制波和三角載波比較產生，而另一個橋臂脈沖由同一正弦波和 反相的三角載波比較產生（或者是反相三角載波和同一正弦波比較產 生）。這種調制輸出諧波性能等效于2倍載波頻率的單相單極性SPWM 所以叫做倍頻式SPWM它僅僅在控制上作了簡單改動，卻大幅度提 高了性能，是一種很具實用價值的技術。對開關頻率不變，等效輸出 頻率倍增的效果，可以從

14、不同的角度直觀理解：一種是從調制波反相 角度看，將兩橋臂視為兩組獨立反相雙極性 SPW半橋輸出，它們的奇數倍開關頻率諧波群也反相抵消掉了；或者可以從載波反相角度理 解，相當于等效載波頻率加倍。由于逆變器應用場合不同，負載特性與要求也各異，到目前為止 并沒有一種PWM方法能夠兼顧各方面的要求。隨著逆變技術和微處理器性能的不斷發展，傳統的 PWM空制方法不斷受到新控制策略的挑戰，新思想、新方法和新技術層出不窮，形成了逆變控制技術蓬勃發 展的景象。2).正弦脈沖寬度調制到采用正弦波作為調制信號來控制輸出 PW脈沖的寬度，使其按照正弦波的規律變化，這種脈沖寬度調制控制策略就稱為正弦脈沖寬 度調制，簡稱

15、正弦脈寬調制。產生 SPWI脈沖，采用最多的載波是等腰三角波；既可以采用自然采樣也可以規則采樣； 既可以采用單極性 控制模式也可以采用雙極性控制模式，但使用較多的是規則采樣雙極 性控制方式。a. 準正弦脈寬調試法在正弦調制波上疊加幅度適當并與正弦調制波同相位的三次諧 波分量，從而得到合成后的馬鞍形調制波， 這個三次諧波和三角波比 較產生PWI脈沖的方法就是準正弦波脈沖寬度調制法。b. 消除特定諧波法消除特定諧波法的核心是通過對電壓波形脈沖缺口位置的合理安 排和設置，以求既能達到控制輸出電壓基波大小， 又能有選擇地消除 逆變器輸出電壓中某些特定諧波的目的。c. 電壓空間矢量脈沖寬度調制技術電壓空

16、間矢量脈沖寬度調制技術是從交流電機的角度出發，以控制交流電機磁鏈空間矢量軌跡逼近圓形為調制目的，以求減小電動機 的轉矩脈動，改善電動機的動態性能。7. 主要參數和器件清單ICL8038波形發生器2個LF353運放器1個LM311比較器2個4069反向器2個IR21102個IRF1504個4.7K電阻若干10K電阻若干0.01uf電容若干8. 參考文獻電力電子技術金海明鄭安平等編著北京郵電大學出版社電力電子應用技術 葉斌主編清華大學出版社電力電子自關斷器件及電路 黃俊 秦祖蔭 機械工業出版社9. 心得體會這次課程設計歷時二個星期多左右，通過課程設計，發現自己的很多不足, 自己知識的很多漏洞，看到

17、了自己的實踐經驗還是比較缺乏， 理論聯系實際的能 力還急需提高。這次的課程設計也讓我看到了團隊的力量， 我認為我們的工作是一個團隊的 工作，團隊需要個人，個人也離不開團隊，必須發揚團結協作的精神。剛開始的 時候，大家就分配好了各自的任務，大家有的繪制原理圖，進行仿真實驗，有的 積極查詢相關資料，并且經常聚在一起討論各個方案的可行性。在課程設計中只 有一個人知道原理是遠遠不夠的， 必須讓每個人都知道，否則一個人的錯誤，就 有可能導致整個工作失敗。團結協作是我們成功的一項非常重要的保證。而這次 設計也正好鍛煉我們這一點，這也是非常寶貴的。在這個過程中，我也曾經因為實踐經驗的缺乏失落過， 也曾經仿真成功而熱情高漲。雖然這只是一次的極簡單的課程制作， 可是平心而論，也耗費了我們不 少的心血，才意識到老一輩對我們社會的付出， 為了人們的生活更美好，他們為 我們社會所付出多少心血啊!通過這次課程設計，我想說：為完成這次課程設計我們確實很辛苦，但苦中 仍有樂，和團