1、SPWM全橋逆變器主功率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MOSFET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SPWM逆變器控制信號發生電路。參數指標：輸入：48Vdc, 輸出：40Vac/400Hz二設計任務(1) 熟悉交流電路中功率因數的意義； (2) 掌握全橋逆變概念，分析全橋逆變器中每個元件的作用；(3) 分析正弦脈寬調制(SPWM)原理，及硬件電路實現形式：(4) 應用protel制作SPWM逆變器線路圖；(5) 根據原理圖制作硬件，并調試；三. 設計總體框圖圖1設計

2、總體框圖四設計原理分析SPWM脈寬調制原理PWM(Pulse Width Modulation)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SPWM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開關器件的通斷進行控制，就可以

3、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SPWM波形。SPWM波形的產生（如圖2）圖2 SPWM波形的產生1).全橋倍增SPWM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SPWM的模式，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

4、，可以從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SPWM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控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 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，簡稱正弦

5、脈寬調制。產生SPWM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PWM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 電壓空間矢量脈沖寬度調制技

6、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。1.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，MOSFET，CD4069，電阻電容及齊納二極管組成。2.控制電路分析：當電路開始工作，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

7、SPWM脈沖。（如圖3）圖3 SPWM脈沖的產生3.主電路分析：主電路主要由驅動電路和逆變電路兩大部分組成（如圖4）本次設計我們采用倍頻式SPWM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MOSFET的通斷，在IR2110的外圍電路使用二極管和齊納二極管防止MOSFET的同時導通而擊穿。如下圖所示，MOSFET采用IRF150，4個IRF150兩兩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的濾波電容，電容C2、C4為自舉電容，二極管為自舉二極管。MOSFET的驅動采用芯片IR2110驅動，2個IR211

8、0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SPWM脈沖是相反的，兩個IR2110分別驅動不同橋臂的MOSFET管，IR2110（1）的HO驅動Q1、IR2110（1）的LO驅動Q2，IR2110（2）的HO驅動Q3、IR2110（2）的LO驅動Q4，由于輸入的兩個SPWM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，兩種情況依次循環導通，從而完成逆變。圖4 主電路圖3.1 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IR

9、2110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（圖5）：圖5 IR2110引腳圖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

10、（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Nc（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）515V，可方便的與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有 V的便移量。5）

11、 工作頻率高，可達500KHz。6） 開通、關斷延遲小，分別為120ns和94ns7） 圖騰柱輸出峰值電流2A IR2110的工作原理IR2110內部功能由三部分組成：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設計，可以大大減少驅動電源的數目，即一組電源即可實現對上下端的控制。 高端側懸浮驅動的自舉原理： IR2110驅動半橋的電路如圖所示，其中C1，VD1分別為自舉電容和自舉二極管，C2為VCC的濾波電容。假定在S1關斷期間C1已經充到足夠的電壓（VC1 VCC）。 當HIN為高電平時如圖6 ：VM1開通，VM2關斷，VC

12、1加到S1的柵極和源極之間，C1通過VM1，Rg1和柵極和源極形成回路放電，這時C1就相當于一個電壓源，從而使S1導通。由于LIN與HIN是一對互補輸入信號，所以此時LIN為低電平，VM3關斷，VM4導通，這時聚集在S2柵極和源極的電荷在芯片內部通過Rg2迅速對地放電，由于死區時間影響使S2在S1開通之前迅速關斷。 當HIN為低電平時如圖7：VM1關斷，VM2導通，這時聚集在S1柵極和源極的電荷在芯片內部通過Rg1迅速放電使S1關斷。經過短暫的死區時間LIN為高電平，VM3導通，VM4關斷使VCC經過Rg2和S2的柵極和源極形成回路，使S2開通。在此同時VCC經自舉二極管，C1和S2形成回路，

13、對C1進行充電，迅速為C1補充能量，如此循環反復。 圖6 HIN為高電平 圖7 HIN為低電平3.2 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8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，

14、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。圖8基本的電壓源橋式逆變結構圖4.參數計算與分析ICL8038（如圖9） 圖9 ICL8038輸入、輸出電壓波形圖輸入、輸出電壓波形如圖9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 產生正弦

15、波時，C=0.47F，R1+R2=21K,10 K< R1<11 K,10 K<R2<11 K。輸出f=400Hz時，調節1 K電位器，可以調節輸出頻率為400Hz。產生正弦波時，C=1000pF，R1+R2=35K,15 K< R1<20 K,15 K<R2<20 K。輸出f=6000Hz時，調節5 K電位器，可以調節輸出頻率為6000Hz。電力MOSFET IRF150的主要參數及分析 Vdss=100V, Rds(on)=0.055ohm, Id= 38A, 耐壓方面，MOSFET電流容量小，耐壓低。設計要求輸入直流48V,輸出交流40V,

16、由于實際在使用MOSFET時,要考慮到適當的安全裕量，一般為額定電壓的23倍，即要求電壓100V150V,IRF150的Vdss=100V能夠滿足要求。 開關頻率方面，MOSFET開關速度快，功率頻率高。設計要求輸出頻率400HZ,IRF150高頻率特性能夠滿足要求。五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IR2110 2個IRF150 4個4.7K電阻 若干10K電阻 若干0.01uf電容 若干六.心得體會通過此次課程設計我的實際工程能力有了較大提高,并能將學到的理論知識很好的運用到工程實踐中。借閱大量的有關單片機方面的書籍，充分利用網絡資源，還有通過和同學的交流討論，這些都在無形中拓寬了我的知識面，讓我學到了更多的知識。首先，我熟悉了交流