太阳能光伏逆变器设计毕业论文

邢台职业技术学院毕业设计（论文）I 邢台职业技术学院毕业论文光伏电源逆变器专业：电气自动化技术班级：电气 125 班姓名：骆文兵学号： 120001010539 指导老师：陈云飞日期： 2015.5.2 邢台职业技术学院毕业设计（论文）II 光伏电源逆变器的设计摘 要随着传统的三大化石能源日渐枯竭，绿色能源的开发和利用将会得到空前的发展，太阳能作为世界上最清洁的绿色能源之一，起并网发电备受世界各国普遍关注。而光伏并网发电系统的核心部件，如何可靠的高质量地向电网输送功率尤为重要，因此在可再生能源并网发电系统中起点能变换作用的逆变器成为了研究的一个热点。为此本文仍然采用 “ 全桥逆变 +LC 滤波 +工频升压 ” 的逆变电源设计方案。整个系统设计分为 SPWM 波形产生电路、 H 桥驱动及逆变电路、欠压过流保护电路。在 SPWM 波形产生环节，本文采用脉宽调制芯片 SG3525 的为核心。由文氏桥振荡电路产生 50Hz 的正弦波基准信号。然后经过精密整流、放大等处理输入到 SG3525 的补偿信号端， 从而输出 SPWM 波。 最后进行死区延时，输入到驱动电路中。在驱动电路设计环节中， 本文采用两片 IR2110 半桥驱动芯片构成全桥驱动电路。输出侧逆变电路中开关管选用耐压值高的 MOSFET 。然后经过工频变压器进行升压到市电，供家用电器使用。对输入、输出进行采样，实时监控是否欠压、过流，进行保护动作。最后，给出额定功率为 500W（输入电压 12V 输出交流 220V ）的单相逆变器样机的试验波形。关键词： 光伏电源，逆变器 ， SPWM ， SG3525， IR2110 邢台职业技术学院毕业设计（论文）III 目 录前 言 1第 1 章 系统设计概述 3§ 1.1 光伏电源逆变器的基本结构和设计要求 3§ 1.1.1 系统的基本结构 . 3§ 1.1.2 系统的基本设计要求 3§ 1.2 系统电源设计 4§ 1.3 逆变电路 4§ 1.3.1 逆变电路的基本工作原理 4§ 1.3.2 电压型逆变电路 . 5§ 1.4 SPWM 调制技术 . 6§ 1.4.1 理论基础 . 6§ 1.4.2 单极 SPWM 调制方式 7§ 1.4.3 双极性 SPWM 调制方式 8第 2 章 SPWM 调制电路 . 9§ 2.1 SG3525 芯片介绍 . 9§ 2.1.1 功能结构 . 9§ 2.1.2 SG3525 特性 . 10§ 2.2 单极性 SPWM 调制电路 . 11§ 2.2.1 SPWM 调制电路结构 12§ 2.2.2 正弦波发生器 . 12§ 2.2.3 精密整流电路 . 14§ 2.2.4 误差放大及加法电路 15§ 2.2.5 SPWM 调制 . 16§ 2.2.6 时序控制电路 . 17第 3 章 逆变电路 . 20§ 3.1 IR2110 芯片介绍 20邢台职业技术学院毕业设计（论文）IV 3.1.1 功能结构 20§ 3.1.2 IR2110 特性 . 21§ 3.2 驱动电路设计 22§ 3.3 输出滤波器设计 24§ 3.4 保护电路设计 25第 4 章 系统调试 . 288§ 4.1 信号板电路的调试 . 28§ 4.2 信号板与 H 桥联调 30§ 4.3 保护电路调试 31结 论 33参考文献 . 34附 录 37邢台职业技术学院毕业设计（论文）1 前 言逆变器（ INVERTER ）就是一种直流电转化为交流电的装置，一般是把直流电逆变成 220V 交流电。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、 DVD 、 VCD 、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等，应用十分广泛 [1] 。我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年 17000 亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下， 中国光伏发电产业迅猛发展。 目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳能电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的不同（如 12V 、 24V 、 48V 等） ，很难实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电力，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。另外，光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用逆变器，今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。逆变系统是光伏系统的核心环节。常用的逆变系统有电压型、电流型、功率型等，我的设计是电压型逆变器。本设计具有很高的理论价值和现实意义， 世界各国都在努力发展太阳能的应用， 预计在本世纪 20 年代用太阳能电池构成发电系统或在家电设备上的应用将成为主流。这就体现了光伏逆变器系统设计的理论意义和现实价值。光伏阵列所发的电能为直流电能，然而许多负载需要交流电能。直流供电系统有很大的局限性，不便于变换电压，负载应用范围也有限。除特殊用电负荷外，均需要使用逆变器将直流电变换为交流电。逆变器除能将直流电能变换为交流电能外，还具有自动稳压的功能，可以改善风光互补发电系统的供电质量， 在并网型光伏发电系统也需要使用具有并网功能的交流逆变器。邢台职业技术学院毕业设计（论文）2 逆变器种类很多，根据逆变器线路逆变原理的不同，有自激振荡型逆变器、阶梯波叠加逆变器和脉宽调制（ PWM ）逆变器等。根据逆变器主回路拓扑结构不同，可分为半桥结构、全桥结构、推挽结构等。在新世纪，太阳光发电系统逆变器，不仅要求其小型、重量轻、高品质、高效率，还需满足对交流电网的电压、电流波形畸变和电压波动、瞬时停电的种种补偿和抑制功能。形成的综合系统，由于技术含量高，将产生显著的附加值。诚然，达到多功能的目标就会引起主回路的复杂化，不易实现价廉、体积小、 重量轻。 所以， 应尽可能使用简单的主回路来实现上述目标。 SPWM逆变器是目前应用最广泛和最普及的一种形式 [2] 。因此，我国广大的电子工程人员要尽早掌握这一先进技术，这不仅是提高设计效率的需要，更是我国电子工业在世界市场上生存、竞争与发展的需要。本文以 500W 光伏电源逆变器为研究设计对象。使用半桥驱动芯 IR2110简化了全桥驱动电路的设计，使用 SG3525 芯片利用 SPWM 调制技术实现220V/50Hz 正弦稳定输出。具体要求指标如下：(1) 输入电压额定为 DCl2V ， 220V 正弦交流输出。(2) 输出功率额定为 500W 。(3) 欠压、过流保护动作。第一章介绍系统概述，阐述系统的基本结构以及系统设计的基本要求，同时概述 SPWM 调制技术及 H 桥逆变电路。 第二章详细叙述基于 SG3525 的SPWM 调制电路，并给出部分重要模块的 Multisim 仿真结果。第三章论述IR2110 驱动电路及输出滤波器设计。第四章给出系统调试过程及测试波形。邢台职业技术学院毕业设计（论文）3 第一章系统设计概述§ 1.1 光伏电源逆变器的基本结构和设计要求§ 1.1.1 系统的基本结构控制电路 SPWM 调制产生 SPWM 波，经驱动电路加到 H 桥上实现全桥正弦逆变。然后经 LC 滤波，工频升压输出 220V 交流电。由于是对光伏电源进行逆变，光伏电池电量不足时表现出欠压，这就要求输入欠压保护；输出端带载能力有限，这就要求输出过流保护。对输入输出进行采样，以实现输入欠压保护，输出过流保护。系统基本结构框图如图 1-1 所示。逆变电路LC 滤波控制电路DC 输入 AC 输出输出采样输入采样工频升压图 1-1 系统框图§ 1.1.2 系统的基本设计要求根据设计要求，光伏电源逆变器的主要性能参数如表 1-1 所示。表 1-1 光伏逆变电源性能参数输入直流电压 12V 光伏电池指标 12V/10Ahx4 最大充电能力 8.0A 输出电压（有效值） 220V 输出额定电流 2.5A 邢台职业技术学院毕业设计（论文）4 频率 50Hz § 1.2 系统电源设计整个系统使用到 NE5532 集成运放， CMOS 4000 系列的逻辑门电路，脉宽调制芯片 SG3525 以及半桥驱动芯片 IR2110 等。 这些芯片的供电电压全部为 +12V 、 -12V 所以利用 7812 和 7912 两稳压片提供± 12V 的电压。 电源系统原理图如图 1-2 所示。21DCB1234J1CON4 C3104C4104Vin2GND1-12 V 3U5 7 91 2Vin1GND2+12 V 3U6 7 81 2C71 04C61 04C1 51 00 ufC1 41 00 ufC1470 u fC2470 u fVCC-12电 源 电 路图 1-2 电源系统§ 1.3 逆变电路§ 1.3.1 逆变电路的基本工作原理单相桥式逆变电路为例：S1～ S4 是桥式电路的 4 个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 S1、 S4 闭合，S2、 S3 断开时，负载电压 uo 为正 S1； S1、 S4 断开， S2、 S3 闭合时， uo 为负，把直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。电阻负载时，负载电流 io 和 uo 的波形相同，相位也相同。阻感负载时，i o 滞后于 uo，波形也不同。t1 前： S1、 S4 通， uo 和 io 均为正。t1 时刻断开 S1、 S4，合上 S2、 S3， uo 变负，但 io 不能立刻反向。邢台职业技术学院毕业设计（论文）5 io 从电源负极流出，经 S2、负载和 S3 流回正极，负载电感能量向电源反馈， i o 逐渐减小， t2 时刻降为零，之后 io 才反向并增大。（波形图如图 1-3所示）图 1-3 逆变电路及其波形举例§ 1.3.2 电压型逆变电路逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：电压型逆变电路或电压源逆变电路，电流型逆变电路或电流源型逆变电路。图 1-4 电路的具体实现。图 1-4 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路 ）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。邢台职业技术学院毕业设计（论文）6 (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。§ 1.4 SPWM 调制技术§ 1.4.1 理论基础冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积 [6] ，效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同，低频段非常接近，仅在高频段略有差异 (如图 1-5 所示 )。f (t)(t)tOa) b) c) d)tOtOtOf (t)f (t)f (t)图 1-5 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 N 等分 (如图 1-6) ， 可看成 N 个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等用矩形脉冲代替，等幅不等宽，中点重合，面积 (冲量 )相等宽度按正弦规律变化 SPWM 波形即脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。PWM 电压波在每一时间段都与该时段中正弦电压等效，除每一时间段的面积相等外， 每个时间段的电压脉冲还必须很窄， 这就要求脉波数量很多。脉波数越多， 不连续按正弦规律改变宽度的多脉冲电压就越等效于正弦电压。邢台职业技术学院毕业设计（论文）7 tOua)b)Out图 1-6 用 PWM 波代替正弦半波§ 1.4.2 单极 SPWM 调制方式+-C R LUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiou ru cuO tO tu ou ofu oU d- U d图 1-7 单极正弦波 PWM 调制方式即 Ug1 和 Ug2 互为反相，并受 Ur 极性控制。其频率为调制信号的频率 [7] 。ug3， ug4 互为反向，受 ur 和 uc 的幅值控制。控制电压的分布：（如图 1-7 ， V1，V2为频控臂）当 ur>0ug2=1 T2 通ug2=0 T2 断ug1=0 T1断当 uruc, ug4=1, ug3=0, T 3关断 , T4导通uruc 时， 给 V1 和 V4 导通信号， 给 V2 和 V3 关断信号。 如 io>0 ，V1 和 V4 通，如 io0 ， VD2 和 VD3 通， uo=-Ud 。相同的开关频率时， 单极性 SPWM 开关动作次数相对少些， 谐波情况好些，多用于单相逆变。双极性 SPWM 谐波情况差些，用于三相逆变。uo= 0 uc>0 uo= 0 uc1，一般应选取 RF 略大 2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。由式（ 2-2）得： 3 7o 1/ 2π 1/ 2 3.1415 31.8 10 10 50f RC HZ由运放构成的 RC 串并联正弦波振荡电路不是靠运放内部的晶体管进入非线性区稳幅，而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的。一般要在电路中加入非线性环节。 在 Rf 串联两个并联二极管， 利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时二极管动态电阻增大的特点，加入非线性环节，从而使输入电压稳定。在 Multisim 仿真波形如图 2-6。邢台职业技术学院毕业设计（论文）14 32567U2 BNE55 32R3 03 1. 8 KC1 01 04C5104R2 931. 8 KR3 14.7 KR3 28.2 KR2 82.7 KD51N41 48D61 N41 4850HZ 文 氏 振 荡 电 路图 2-5 50Hz 文氏振荡电路图 2-6 50Hz 振荡电路仿真波形§ 2.2.3 精密整流电路精密整流电路的功能是将微弱的交流电压转换成直流电压 [14] 。但是本设计整流输出并未经过滤波环节，故仅把正弦波整为馒头波。精密整流电路的原理图如图 2-7，整流电路的输出保持输入电压形状，而仅仅改变输入电压相位。输入电压为正弦波是，输出电压波形如图 2-8 中 u2 所示。 U3A ， U3B邢台职业技术学院毕业设计（论文）15 组成一个精密整流电路，其特点是，经它整流的正弦馒头波，失真很小，能满足 SPWM 的要求。图中 R14， R15 ， R16， R17， R18 的阻值一定要一致，否则，出来的馒头波会上下波动。在 Multisim 仿真波形如图 2-8 。3 4 5543TitleNu mberSizeBDate: 2 7-May -20 1 0File: C:\Do cu men ts an d Settin gs \Ad min istra32184U3 ANE55 3 2567U3 BNE55 3 2R1 41 0KD71 N41 4 8D91 N41 4 8D1 01 N41 4 8D81 N41 4 8R1 61 0KR1 71 0KR1 81 0K567U4 BNE55 3 2R3 73 6KR1 91 0KR2 11 0kR2 01 0kR1 51 0KVCC-1 2精 密 整 流 电 路图 2-7 精密整流电路图 2-8 精密整流电路仿真波形§ 2.2.4 误差放大及加法电路U4B 起到正弦误差放大作用，从精密整流电路出来的馒头波进入 U4B的同相端，经其放大 (如图 2-9) 。 U4A 是一个加法电路：从 U4B 出来的馒头波进入 U3A 的同相端，同时 U3A 的同相端也接在一个直流电位上，把 PP50Hz 正弦波输出邢台职业技术学院毕业设计（论文）16 值为 2.3V 的馒头波垫高 2V 这个经垫高的馒头波就可以送到 SPWM 调制电路中。在 Multisim 仿真波形如 2-10 。0 图 2-9 误差放大及加法电路图 2-10 误差放大及加法电路仿真波形§ 2.2.5 SPWM 调制4321234CT5RT678 91 01 11 21 31 41 51 6U7SG35 25C1 31 0nFC1 11 0u fR2 510KR2 7330C91 04C1 622C81 04L11 00u H VCCR2 62KSPWM 波 形 产 生SPWM 波 形2.3V PP 值馒头波邢台职业技术学院毕业设计（论文）17 图 2-11 SPWM 波形产生电路SG3525 由一个双门限电压均从基准电源取得，其高门限电压低门限电压，内部横流源向 CT 充电，其端压 V C 线性上升，构成锯齿波的上升沿，当时比较器动作，充电过程结束，上升时间 t1 为：1t 0.67 T TR C （ 2-3）比较器动作时使放电电路接通， CT 放电， V C 下降并形成锯齿波的下降沿，当时比较器动作，放电过程结束，完成一个工作循环，下降时间间 t2 为：2t 1.3 D TR C （ 2-4）此时间即为死区时间锯齿波的基本周期 T 为：1 2T=t +t (0.67 1.3 )T D TR R C （ 2-5）因为 2 1t tD TR R 由上可见锯齿波的上升沿远长于下降沿， 因此上升沿作为工作沿，下降沿作为回扫沿。主芯片 SG3525 的接法和一般常规接法有点不同 [15] ，因为 3525 的 11、14 脚是图腾柱输出，把 11、 14 脚接地，屏蔽了图腾柱的下管，并在 13 脚接一个上拉电阻做负载， 这样做的目的是把原 11、 14 脚的信号合并在一起输出，以大幅度地提高最大占空比。 母线电压的利用率也大幅度提高了， 可以在 94%以上。但从 13 脚出来的脉冲，是反向的 SPWM 波，所以要用一个 4069 把它反回来。 震荡电容 CT 取 10nF 震荡电阻 RT 取 10K 的电阻， 如图 2-11 中 C13，R25 所示，另一端直接接地。 5 端与 7 端直接短接，由式 (2-5) 的锯齿波的频率为： 3f=1/(0.67 1.3 ) 15 10 zT D TR R C H 。把 15K 的锯齿波信号和 100Hz 的馒头波信号进行比较， 从而产生 SPWM波形。§ 2.2.6 时序控制电路用一片 NE5532 即 U1A 、 U1B 组成一个 50Hz 同步方波发生电路 （图 2-12） 。从文氏桥正弦波振荡器过来的正弦波信号 (约 12VPP 值 )，经二个电压比较器U1A 、 U1B 后，产生二路带死区时间的低频同步波，电路中 R1， R2 决定二路方波的死区时间 [16] 。经试验，当用 NE5532 时， R1、 R2 取 510 欧姆时，死区时间大约为 100 错误！未找到引用源。 。 U1A ， U1B 用 358 时死区时间邢台职业技术学院毕业设计（论文）18 为 200 错误！未找到引用源。 。1 2 3 44321DCBA32184U1ANE5532567U1BNE5532R547KR1510R1110KR3680R647KR2510R1210KR4680D31N4148D41N4148VCC-1250HZ同 步 波 形 发 生 电 路正 弦 波 输 入-12VCC图 2-12 50Hz 同步波形发生电路对于采用单极性调制的 SPWM 控制而言， 逆变桥一个桥臂上下两只开关管互补开关。由于开关管在开通和关断时都存在延迟时间，如果驱动脉冲以严格互补的方式驱动这两只管子，可能出现两只管子同时开通的情况，造成逆变桥桥臂直通短路，烧毁开关管。为了防止这种情况发生，就必须在互补的驱动脉冲之间加入一定的死区时间。获得死区时间的简单方法是驱动信号的下降沿不延时，仅延时驱动信号的上升沿。这样，死区时间设置电路就可以通过数字电路实现了（图 2-13） 。高频波死区时间调整电路，由四组电阻、电容组成，死区时间选择 2-3 错误！未找到引用源。 ，可以按 RC 时间常数 2 错误！未找到引用源。 设置，电阻可选择 47K ， 电容选择 47pF， 电容应该选择低温度系数介质的， 如聚酯电容器、COG 介质的陶瓷电容器等。在 Multisim 仿真波形如图 2-14 。这样经过这种保护措施的综合运用，就可以防止桥臂短路故障的出现。邢台职业技术学院毕业设计（论文）19 6TitleNu mber Rev isio nSizeBDate: 28-May -20 10 Sheet o f File: C:\Do cu ments an d Settin gs\Ad min istrato 桌 面 终 极 \3 525 _ p ro tel.d dbDrawn By:1 2U8 A4 0691 3 12U8 F4 06 93 4U8 B4 06 9123U1 0A4 07 11 21 31 1U9 D408 1C1 847891 0U9 C408 1R74 7K1 21 311U1 0D4 07 1C2 147R1 04 7K8910U1 0C4 07 1C2 047R94 7K564U1 0B4 07 1C1 947R84 7KVCC左 下 臂左 上 臂右 上 臂右 下 臂SPWM波Q1Q2Q3Q4图 2-13 死区延时电路图 2-14 死区延时电路仿真波形邢台职业技术学院毕业设计（论文）20 第 3章 逆变电路§ 3.1 IR2110 芯片介绍§ 3.1.1 功能结构图 3-1 IR2110 功能结构图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 图 3-2 IR2110 引脚图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 采用 HVIC 和闩锁抗干扰 CMOS 制造工艺 [17] ， DIP14 脚封装。 具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达 500V ， dv/dt= ± 50V/ns ， 15V 下静态功耗仅为 116mW ；输出的电源端（脚邢台职业技术学院毕业设计（论文）21 3，即功率器件的栅极驱动电压）电压范围 10~20V ；逻辑电源电压范围（脚9） 5~15V ，可方便地与 TTL ， CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有 ± 5V 的偏移量；工作频率高，可达 500KHz ；开通、关断延迟小，分别为 120ns 和 94ns；图腾柱输出峰值电流为 2A 。 IR2110 的内部功能框图如图 3-1 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。§ 3.1.2 IR2110 特性1. IR2110 基本特点(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；(5) 匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有 1V 的便移量；(6) 工作频率高，可达 500KHz ；(7) 开通、关断延迟小，分别为 120ns 和 94ns；(8) 图腾柱输出峰值电流 2A 。2. 高压侧悬浮驱动的自举原理IR2110 用于驱动半桥的电路如图 3-3 所示。图中 C1、 VD1 分别为自举电容和二极管， C2 为 VCC 的滤波电容。假定在 S1 关断期间 C1 已充到足够的电压（ VC1≈ VCC ） 。当 HIN 为高电平时 VM1 开通， VM2 关断， VC1 加到S1 的门极和发射极之间， C1 通过 VM1 ， Rg1 和 S1 门极栅极电容 Cgc1 放电，Cgc1 被充电。此时 VC1 可等效为一个电压源。当 HIN 为低电平时， VM2 开通， VM1 断开， S1 栅电荷经 Rg1、 VM2 迅速释放， S1 关断。经短暂的死区时间（ td ）之后， LIN 为高电平， S2 开通， VCC 经 VD1 ， S2 给 C1 充电，迅速为 C1 补充能量。如此循环反复。邢台职业技术学院毕业设计（论文）22 图 3-3 IR2110 驱动半桥4. 设计电路应注意以下问题：1） UC3637 的 RT 和 CT 要适当选择， 避免 RT 上的电流过大， 损坏片子；2）驱动电路中 C2 值要远远大于上管的栅源极之间的极间电容值；3） IR2110 的自举元件电容的选择取决于开关频率， VDD 及功率 MOSFET的栅源极的充电需要，二极管的耐压值必须高于峰值电压，其功耗应尽可能小并能快速恢复；4） IR2110 的驱动脉冲上升沿取决于 Rg， Rg 值不能过大以免使其驱动脉冲的上升沿不陡，但也不能使驱动均值电流过大以免损坏 IR2110 ；5）当 PWM 产生电路是模拟电路时可以直接把信号接到 IR2110 ；当用采数字信号时要考虑隔离；6）注意直流偏磁问题§ 3.2 驱动电路设计采用功率开关管的变换器电路中，开关管的驱动电路性能的好坏直接关系到变换器的工作可靠性。因此，在变换器设计中，要对功率开关管的驱动邢台职业技术学院毕业设计（论文）23 进行精心的设计。与晶体管驱动电路不同，对功率 MOS 管的控制实质上是对 MOS 管的输入电容 C 进行充、 放电控制， 同时驱动电路还要为 MOS 管的栅 -漏电容，亦称米勒电容提供渡越电流 CGD dV GD/dt，所以驱动电路的负载为容性网络由于电容上的电荷的保持作用，当器件开通后驱动电路无需继续提供电流。根据上面的分析，得出功率 MOS 管对驱动电路的要求如下 [19] ：(1) 驱动电路延迟时间小；(2) 驱动电路峰值电流大；(3) 栅极电压变化率 dv/dt 大。综上所述，理想的功率 MOS 开关管驱动电路应同时具备高速开关和高峰值电流能力。逆变电路采用了全桥式结构，对于全桥式电路而言，桥臂上下 功 率 管 的 驱 动 需 采 用 隔 离 驱 动 电 源 。 可 采 用 光 电 耦 合器，但是为了提高驱动电路工作可靠性，采用专用于驱动桥式结构电路的集成电路 IR2110 可以简化驱动电路设计、提高系统性能。1 2 3 44321DCBA TitleNu mber Rev isio nSizeA4Date: 10-Ju n -2 0 10 Sheet o f File: 毕 设 资 料 \p ro tel —— 终 极 \3 52 5 _p ro tel.d db Drawn By:Q1IRF6 40Q3IRF6 40Q2IRF6 40Q4IRF6 40D2IN4 1 48D6IN4148D3IN4 1 48D7IN4148R32 2R52 2R62 2R42 2D5 IN4 1 48D1 IN4 1 48D4 IN4 1 48D8 IN4 1 48INH_ LC20.4 7 uFC30.4 7 uFD9DIODEVDD 94HI1 0VB6SD 1 1HO7LI1 2VS58VCC3VSS13LO1 1 4COM2U3 IR2 1 10VDD94HI10VB6SD11HO7LI12VS58VCC 3VSS13LO114 COM 2U1IR2 110INL_ L VCCC10.4 7 uFD1 0DIODEVCCINH_ RC40.4 7uFINL_ ROUT1OUT212J1CON2VCCH桥 式 电 路DC_INVCCOUT图 3-4 IR2110 驱动电路IR2110 驱动电路原理框图如图 3-4 所示，其中左上臂 HIN_L 、左下臂LIN_L 、右上臂 HIN_R 右下臂与 LIN_R 输入信号分别是 Q1、 Q2、 Q3、 Q4，四路单极性的 SPWM 波形可以保证 H 桥臂的四个 MOS 管两两交叉导通， 这样实现输出电流的反向， 从而使输出端为交流的高频 SPWM 信号。 原理图中MOS 管选用耐压值较高，开关速度快的 IRF540 ， IRF540 的漏源耐压可达100V 。为了保护其不被烧坏，必须在四只 MOS 管上加上四个散热片。 HO 、邢台职业技术学院毕业设计（论文）24 LO 端的二极管使用开关管 1N4148 ， 实现自举电路的二极管用快恢复二极管。芯片工作电压为 +12V ，开关管 D 极电压也为 +12V 。§ 3.3 输出滤波器设计输出滤波器将逆变器输出的脉冲宽度调制的功率脉冲转化为模拟电压。当逆变器的输出不加滤波电路时， 其输出波形只是 SPWM 调制波， 其中既包含了 50Hz 基波，又包含了高于 50Hz 的谐波。为了削弱高次谐波，就需要设置输出滤波器。ABCDRLS1S2S3S4CLC 滤波0v 1vDV图 3-5 LC 滤波器滤波器是一种具有选择性的四端网络，它允许某些频率信号通过，而不允许另一些频率信号通过。允许通过的信号频率范围称为通带，不允许通过的信号频率范围称为阻带， 通带与阻带交界的频率称为截止频率 [20] 。 从 H 桥的输出为高频交流信号，要用工频隔离变压器对其进行变换，这就需要先将高频信号转换为 50Hz 工频信号，此部分通过 LC 滤波（如图 3-5）实现，也可当作以低通滤波器，与小信号电路的低通滤波器不同的是，逆变器的输出滤波器不仅要滤除不需要的高频分量，而且还要在滤除不需要的高频分量的同时，使通过的频带所传输的功率产生的损耗尽可能的低。因此， 传统的 RC低通滤波器在这里不能应用。而需要采用几乎没有损耗的 LC 低通滤波器。它的设计原则是对 50Hz 低频呈低阻抗特性，基本不产生基波压降，而对高频分量呈高阻抗特性。由傅立叶分析可知：di4 1 1sin sin 3 sin 53 5VU t t t （ 3-1）逆变电路输出的 n 次谐波有效值 Vn 经 LC 滤波后在负载上的 n 次谐波电压 LnV 为：邢台职业技术学院毕业设计（论文）25 2 211 1n nLnV VVn c n LCn Ln c（ 3-2）22 2 2200( )n n nLnV V VVnn LCn（ 3-3）由上此可见 n 次谐波衰减了 2n 倍。逆变器输出电压的频率成分以基频 50Hz 和开关频率 f=15KHz 为主。选择截至频率为开关频率的 1/10 ，即 150Hz 。这样开关频率中更高频的交流分量将被衰减 40dB 以上，负载选择中间电流值 1.25A. RL =220V/2.5A=88输出滤波电容的容量为：01 1 0.85uf2 2 88 2 150LC R （ 3-4）输出滤波电感量为：0882 2 13.2m2 150LRL H （ 3-5）§ 3.4 保护电路设计为保证电力电子系统正常工作，除了合理设计电路之外，增设电路保护措施是很有必要的。这是因为在装置实际运行时，有许多随机出现的干扰信号。这些干扰会导致系统工作不正常，甚至损坏系统。在电力电子系统中，功率开关管的保护是必不可少的。功率开关管是整个设备正常工作的核心部件，同时也是最容易受损坏的元件。而对于由蓄电池供电的逆变电源而言，蓄电池也需要有必要的保护，因为蓄电池过度放电会损坏蓄电池本身。下面针对本文设计的逆变电源，阐述在设计中对开关管和蓄电池采取的保护措施。 在功率开关管的保护整个装置中， 功率开关管是最易损坏的元件，电路中出现的过流会导致其损坏，应该具有相应的过流保护。对于由蓄电池供电的逆变电源而言，蓄电池过度放电会损坏蓄电池本身，当蓄电池电量不邢台职业技术学院毕业设计（论文）26 足时，应该相应欠压保护。对于桥式逆变电路，如果发生桥臂直通短路或负载发生短路时，流过开关管上的电流迅速增大， 若不采取措施在很短的时间内， 功率开关管被烧毁。短路与过载是两种性质不同的故障状态，短路故障一经出现，装置就应该立即停止工作，因为短路电流在很短的时间内就会升到很高的幅值，可在瞬间损坏电路元件。对于短路故障必须立刻停机，这功能可以由串接在主功率回路中的快速熔断器 F2 实现。与短路故障不同，系统短时的过载属于正常工作状态，如果过载一发生就停机则不利于系统的正常运行。同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性，电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。4 5 6TitleNu mber ReSizeBDate: 30-May -201 0 Sheet of File: C:\Do cuments an d Settin gs\Ad ministrato 桌 面 终 极 \352 5 _p roDrawn By:12J1CON2L11 3.2 mHC50.8 5 ufT1TRANS5F150AF23A 12J5HEADER 2AC_OUTLC滤 波工 频 升 压DC_INC64 70uf1234D1 4BRIDGE1K1RELAY-SPSTGDQR195KR22 0KCY1CY2输 入 采 样输 出 采 样C71 04图 3-6 输入输出采样电路