SPWM全桥逆变器主功率电路设计

1 SPWM全桥逆变器主功率电路设计一 、 课程设计目的本课程是自动化专业的学生在掌握所学习的专业基础课和专业课的基础上一次较全面的实践训练， 通过完成一个具有较完善功能的设计课程题，达到训练学生综合运用所学知识的能力。通过本科电力电子技术学习，熟悉无源逆变的概念。二 、 任务采用全桥拓扑并用全控器件 MOSFET 形成主电路拓扑， 设计逆变器硬件电路，并能开环工作。输入 48Vdc, 输出 40Vac/400Hz 要求1.掌握全桥逆变的概念，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 逆变器线路图；4.根据线路图制作硬件，并调试；三 . 设计总体框图图 1 设计总体框图四．设计原理分析2 SPWM脉宽调制原理PWMPulse 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（如图 2）图 2 SPWM波形的产生1. 全桥倍增 SPWM控制主电路和其他全桥逆变电路完全一致， 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3 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，相当于等效载波频率加倍。由于逆变器应用场合不同，负载特性与要求也各异，到目前为止并没有一种 PWM方法能够兼顾各方面的要求。随着逆变技术和微处理器性能的不断发展，传统的 PWM控制方法不断受到新控制策略的挑战， 新思想、 新方法和新技术层出不穷，形成了逆变控制技术蓬勃发展的景象。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。2. 控制电路分析 4 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）图 3 SPWM脉冲的产生3. 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（如图 4）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（ 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，两5 种情况依次循环导通，从而完成逆变。图 4 主电路图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。IR2110 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，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。6 3.1.1 IR2110 引脚功能及特点简介（ 图 5）图 5 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 0V Nc（引脚 14） 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 10 20V。4） 逻辑电源的输入范围（脚 9） 5 15V，可方便的与 TTL， CMOS电平相匹配，7 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 94ns 7） 图腾柱输出峰值电流 2A 3.1.2 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 6 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 7 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。8 图 6 HIN 为高电平图 7 HIN 为低电平3.2 逆变电路设计桥式逆变结构基本的电压源桥式逆变结构， 两组功率开关串联跨接于电源， 成为一个桥臂， 以其串联中点为输出点。 这样的结构不允许串联开关同时导通， 按照不同开关的通断组合， 桥臂可以将它所跨接的两个不同电位作为输出， 合理安排这些不同的桥臂输出电位可能生成有正有负9 的输出电压， 这是桥式逆变电路实现电源极性变换的基本原理。 桥式电路是逆变器中得到最广泛应用的拓扑形式，其器件电压耐受值较低，控制、组合灵活，在自换流或者负载换流模式都可以工作，不依赖变压器参与逆变，适应性非常广泛。桥式电路的形式多种多样，如半桥、全桥、三相桥、多相桥等。根据这次设计的要求，我们选择全桥逆变。图 8、桥式逆变电路4. 参数计算与分析ICL8038（如图 9）图 9 ICL8038 输入、输出电压波形图输入、输出电压波形如图 9 所示，要求输出 40V 400Hz 交流电压。本次设10 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频率由下式确定212 2116.0RRRCRf产生正弦波时， C0.47μ F， R1R221KΩ ,10 KΩ R111 KΩ ,10 KΩ R211 KΩ 。输出 f400Hz 时，调节 1 KΩ 电位器，可以调节输出频率为 400Hz。产生正弦波时， C1000pF， R1R235KΩ ,15 KΩ R120 KΩ ,15 KΩ R220 KΩ 。输出 f6000Hz 时，调节 5 KΩ 电位器，可以调节输出频率为 6000Hz。电力 MOSFET IRF150的主要参数及分析Vdss100V, Rdson0.055ohm, Id 38A, 耐压方面， MOSFET电流容量小，耐压低。设计要求输入直流 48V,输出交流40V,由于实际在使用 MOSFET时 , 要考虑到适当的安全裕量， 一般为额定电压的 2 3 倍，即要求电压 100V 150V,IRF150 的 Vdss100V能够满足要求。开关频率方面， MOSFET开关速度快， 功率频率高。 设计要求输出频率 400HZ, IRF150 高频率特性能够满足要求。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0.01uf 电容 若干六 . 心得体会11 这次课程设计虽然只有短短的一个星期， 但是从中我收获很多， 通过这次课程设计我把平时所学的理论更好的运用的实践中， 还通过实验结果检验了我们所学的知识。 同时我也在设计中遇到了很多问题， 对一些理论知识学的不够深入不够精， 导致在设计中不能很快速的设计出电路图， 通过团队成员之间的相互帮助，我完成了电路图并且弄清了所对应的知识点。这次专业方向课程设计， 我不仅加深课本知识的理解， 将理论很好地应用到实际当中去， 而且我还学会了如何去培养我们的创新精神， 从而不断地战胜自己，超越自己。并且认识到了团队合作的重要性。七 . 参考文献电力电子技术 金海明 郑安平等编著 北京邮电大学出版社电力电子应用基础 陈拥军主编 西安交通大学出版社电力电子应用技术 叶斌主编 清华大学出版社电力电子自关断器件及电路 黄俊 秦祖荫 机械工业出版社电力电子研究 余天 机械工业出版社