1、四川科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 光伏電源逆變器的設(shè)計摘 要隨著傳統(tǒng)的三大化石能源日漸枯竭，綠色能源的開發(fā)和利用將會得到空前的發(fā)展，太陽能作為世界上最清潔的綠色能源之一，起并網(wǎng)發(fā)電備受世界各國普遍關(guān)注。而光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，如何可靠的高質(zhì)量地向電網(wǎng)輸送功率尤為重要，因此在可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中起點能變換作用的逆變器成為了研究的一個熱點。為此本文仍然采用“全橋逆變+LC濾波+工頻升壓”的逆變電源設(shè)計方案。整個系統(tǒng)設(shè)計分為SPWM波形產(chǎn)生電路、H橋驅(qū)動及逆變電路、欠壓過流保護電路。在SPWM波形產(chǎn)生環(huán)節(jié)，本文采用脈寬調(diào)制芯片SG3525的為核心。由文氏橋振蕩電路產(chǎn)生50Hz的正弦波基

2、準(zhǔn)信號。然后經(jīng)過精密整流、放大等處理輸入到SG3525的補償信號端，從而輸出SPWM波。最后進行死區(qū)延時，輸入到驅(qū)動電路中。在驅(qū)動電路設(shè)計環(huán)節(jié)中，本文采用兩片IR2110半橋驅(qū)動芯片構(gòu)成全橋驅(qū)動電路。輸出側(cè)逆變電路中開關(guān)管選用耐壓值高的MOSFET。然后經(jīng)過工頻變壓器進行升壓到市電，供家用電器使用。對輸入、輸出進行采樣，實時監(jiān)控是否欠壓、過流，進行保護動作。最后，給出額定功率為500W（輸入電壓12V輸出交流220V）的單相逆變器樣機的試驗波形。關(guān)鍵詞：光伏電源，逆變器，SPWM，SG3525，IR2110DESIGN OF PV POWER INVERTERABSTRACTIn recent

3、 years, photovoltaic technology has broad application. As our country's new energy law enacted, the photovoltaic power system in our country will have a broader space for development. Inverter is an important component in PV system. Its performance has great influence on the application of photo

4、voltaic system. Currently, the domestic pure sine wave output inverter mainly uses 50Hz transformer for raising the output voltage, this paper is still developed an inverter by using the “Full-bridge circuit + LC filter + Isolator transformer” design proposal. The whole system is divided into SPWM w

5、aveform generator circuit, H bridge driver circuit and the inverter circuit, low voltage and over-current protection circuit.In SPWM waveform generation part, this paper uses SG3525 PWM chip core. The Wien bridge oscillation circuit generates 50Hz sine reference signal. After this signal precision r

6、ectification, amplification and other processing of the compensation signal input to the SG3525-side, so this part output the SPWM wave. Finally, the SPWM signals enter into the driving circuit after dead-time delay.In the design of drive circuit part, using two IR2110 half-bridge driver chips const

7、itute a full-bridge driver circuit. The output side of inverter switch circuit selects high voltage value MOSFET. Then through 50Hz transformer, boost to the mains for household appliances. Testing the samples of the input and output voltage, real-time monitoring is under-voltage, over current, prot

8、ection action.Finally, rated power for 500W (Input voltage 12V, Output communication 220V) single-phase ac inverter prototype test waveforms have been given.KEY WORDS： PV power, Inverter, SPWM, SG3525, IR211050目錄前言1第1章 系統(tǒng)設(shè)計概述3§1.1 光伏電源逆變器的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求3§1.1.1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)3§1.1.2 系統(tǒng)的基本設(shè)計要求3

9、7;1.2 系統(tǒng)電源設(shè)計4§1.3 逆變電路4§1.3.1 逆變電路的基本工作原理4§1.3.2 電壓型逆變電路5§1.4 SPWM調(diào)制技術(shù)6§1.4.1 理論基礎(chǔ)6§1.4.2 單極SPWM調(diào)制方式7§1.4.3 雙極性SPWM調(diào)制方式8第2章 SPWM調(diào)制電路9§2.1 SG3525芯片介紹9§2.1.1 功能結(jié)構(gòu)9§2.1.2 SG3525特性10§2.2 單極性SPWM調(diào)制電路11§2.2.1 SPWM調(diào)制電路結(jié)構(gòu)11§2.2.2 正弦波發(fā)生器12§

10、;2.2.3 精密整流電路14§2.2.4 誤差放大及加法電路15§2.2.5 SPWM調(diào)制16§2.2.6 時序控制電路17第3章 逆變電路19§3.1 IR2110芯片介紹233.1.1功能結(jié)構(gòu)23§3.1.2 IR2110特性24§3.2 驅(qū)動電路設(shè)計26§3.3 輸出濾波器設(shè)計27§3.4 保護電路設(shè)計29第4章 系統(tǒng)調(diào)試32§4.1 信號板電路的調(diào)試32§4.2 信號板與H橋聯(lián)調(diào)34§4.3 保護電路調(diào)試36結(jié)論37參考文獻(xiàn)38附錄41前言逆變器（INVERTER）就是一種直

11、流電轉(zhuǎn)化為交流電的裝置，一般是把直流電逆變成220V交流電。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。廣泛適用于空調(diào)、家庭影院、電動砂輪、電動工具、縫紉機、DVD、VCD、電腦、電視、洗衣機、抽油煙機、冰箱，錄像機、按摩器、風(fēng)扇、照明等，應(yīng)用十分廣泛1。我國太陽能資源非常豐富，理論儲量達(dá)每年17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。太陽能資源開發(fā)利用的潛力非常廣闊。太陽電池及組件產(chǎn)量逐年穩(wěn)步增加。在“光明工程”先導(dǎo)項目和“送電到鄉(xiāng)”工程等國家項目及世界光伏市場的有力拉動下，中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。目前我國光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是直流系統(tǒng)，即將太陽能電池發(fā)出的電能給蓄電池充電，而蓄電池直接給負(fù)載供電，如我國西北地區(qū)使用較多的

12、太陽能戶用照明系統(tǒng)以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)的微波站供電系統(tǒng)均為直流系統(tǒng)。此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但由于負(fù)載直流電壓的不同（如12V、24V、48V等），很難實現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性，特別是民用電力，由于大多為交流負(fù)載，以直流電力供電的光伏電源很難作為商品進入市場。另外，光伏發(fā)電最終將實現(xiàn)并網(wǎng)運行，這就必須采用逆變器，今后交流光伏發(fā)電系統(tǒng)必將成為光伏發(fā)電的主流。逆變系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。常用的逆變系統(tǒng)有電壓型、電流型、功率型等，我的設(shè)計是電壓型逆變器。本設(shè)計具有很高的理論價值和現(xiàn)實意義，世界各國都在努力發(fā)展太陽能的應(yīng)用，預(yù)計在本世紀(jì)20年代用太陽能電池構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)或在家電設(shè)備上的應(yīng)用將成為主流。這就

13、體現(xiàn)了光伏逆變器系統(tǒng)設(shè)計的理論意義和現(xiàn)實價值。光伏陣列所發(fā)的電能為直流電能，然而許多負(fù)載需要交流電能。直流供電系統(tǒng)有很大的局限性，不便于變換電壓，負(fù)載應(yīng)用范圍也有限。除特殊用電負(fù)荷外，均需要使用逆變器將直流電變換為交流電。逆變器除能將直流電能變換為交流電能外，還具有自動穩(wěn)壓的功能，可以改善風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，在并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)也需要使用具有并網(wǎng)功能的交流逆變器。逆變器種類很多，根據(jù)逆變器線路逆變原理的不同，有自激振蕩型逆變器、階梯波疊加逆變器和脈寬調(diào)制（PWM）逆變器等。根據(jù)逆變器主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，可分為半橋結(jié)構(gòu)、全橋結(jié)構(gòu)、推挽結(jié)構(gòu)等。在新世紀(jì)，太陽光發(fā)電系統(tǒng)逆變器，不僅要求其小型

14、、重量輕、高品質(zhì)、高效率，還需滿足對交流電網(wǎng)的電壓、電流波形畸變和電壓波動、瞬時停電的種種補償和抑制功能。形成的綜合系統(tǒng)，由于技術(shù)含量高，將產(chǎn)生顯著的附加值。誠然，達(dá)到多功能的目標(biāo)就會引起主回路的復(fù)雜化，不易實現(xiàn)價廉、體積小、重量輕。所以，應(yīng)盡可能使用簡單的主回路來實現(xiàn)上述目標(biāo)。SPWM逆變器是目前應(yīng)用最廣泛和最普及的一種形式2。因此，我國廣大的電子工程人員要盡早掌握這一先進技術(shù)，這不僅是提高設(shè)計效率的需要，更是我國電子工業(yè)在世界市場上生存、競爭與發(fā)展的需要。本文以500W光伏電源逆變器為研究設(shè)計對象。使用半橋驅(qū)動芯IR2110簡化了全橋驅(qū)動電路的設(shè)計，使用SG3525芯片利用SPWM調(diào)制技術(shù)

15、實現(xiàn)220V/50Hz正弦穩(wěn)定輸出。具體要求指標(biāo)如下：(1) 輸入電壓額定為DCl2V，220V正弦交流輸出。(2) 輸出功率額定為500W。(3) 欠壓、過流保護動作。第一章介紹系統(tǒng)概述，闡述系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)設(shè)計的基本要求，同時概述SPWM調(diào)制技術(shù)及H橋逆變電路。第二章詳細(xì)敘述基于SG3525的SPWM調(diào)制電路，并給出部分重要模塊的Multisim仿真結(jié)果。第三章論述IR2110驅(qū)動電路及輸出濾波器設(shè)計。第四章給出系統(tǒng)調(diào)試過程及測試波形。第1章 系統(tǒng)設(shè)計概述§1.1 光伏電源逆變器的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求§1.1.1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)控制電路SPWM調(diào)制產(chǎn)生SPWM波，經(jīng)

16、驅(qū)動電路加到H橋上實現(xiàn)全橋正弦逆變。然后經(jīng)LC濾波，工頻升壓輸出220V交流電。由于是對光伏電源進行逆變，光伏電池電量不足時表現(xiàn)出欠壓，這就要求輸入欠壓保護；輸出端帶載能力有限，這就要求輸出過流保護。對輸入輸出進行采樣，以實現(xiàn)輸入欠壓保護，輸出過流保護。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。圖1-1 系統(tǒng)框圖§1.1.2 系統(tǒng)的基本設(shè)計要求根據(jù)設(shè)計要求，光伏電源逆變器的主要性能參數(shù)如表1-1所示。表1-1 光伏逆變電源性能參數(shù)輸入直流電壓12V光伏電池指標(biāo)12V/10Ahx4最大充電能力8.0A輸出電壓（有效值）220V輸出額定電流2.5A頻率50Hz§1.2 系統(tǒng)電源設(shè)計整個系

17、統(tǒng)使用到NE5532集成運放，CMOS 4000系列的邏輯門電路，脈寬調(diào)制芯片SG3525以及半橋驅(qū)動芯片IR2110等。這些芯片的供電電壓全部為+12V、-12V所以利用7812和7912兩穩(wěn)壓片提供±12V的電壓。電源系統(tǒng)原理圖如圖1-2所示。圖1-2 電源系統(tǒng)§1.3 逆變電路§1.3.1 逆變電路的基本工作原理單相橋式逆變電路為例：S1S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負(fù)載電壓uo為正S1；S1、S4斷開，S2、S3閉合時，uo為負(fù)，把直流電變成了交流電。改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。電阻

18、負(fù)載時，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時，io滯后于uo，波形也不同。t1前：S1、S4通，uo和io均為正。t1時刻斷開S1、S4，合上S2、S3，uo變負(fù)，但io不能立刻反向。io從電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載和S3流回正極，負(fù)載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時刻降為零，之后io才反向并增大。（波形圖如圖1-3所示）圖1-3 逆變電路及其波形舉例§1.3.2 電壓型逆變電路逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源 逆變電路，電流型逆變電路或電流源型逆變電路。圖1-4電路的具體實現(xiàn)。圖1-4 電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路）電壓型逆變

19、電路的特點(1) 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動。(2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。(3) 阻感負(fù)載時需提供無功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。§1.4 SPWM調(diào)制技術(shù)§1.4.1 理論基礎(chǔ)沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積6，效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同，低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異(如圖1-5所示)。圖1-5 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波N等分(如圖1-6)，可看成N個彼此相連的脈

20、沖序列，寬度相等，但幅值不等用矩形脈沖代替，等幅不等寬，中點重合，面積(沖量)相等寬度按正弦規(guī)律變化SPWM波形即脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。PWM電壓波在每一時間段都與該時段中正弦電壓等效，除每一時間段的面積相等外，每個時間段的電壓脈沖還必須很窄，這就要求脈波數(shù)量很多。脈波數(shù)越多，不連續(xù)按正弦規(guī)律改變寬度的多脈沖電壓就越等效于正弦電壓。圖1-6 用PWM波代替正弦半波§1.4.2 單極SPWM調(diào)制方式ug1=1 T1通圖1-7 單極正弦波PWM調(diào)制方式控制電壓的分布：（如圖1-7，V1，V2為頻控臂）當(dāng)ur

21、>0ug2=1 T2通ug2=0 T2斷ug1=0 T1斷當(dāng)ur<0即Ug1和Ug2互為反相，并受Ur極性控制。其頻率為調(diào)制信號的頻率7。V3,V4組成了暫控臂ur>uc, ug4=1, ug3=0, T3關(guān)斷, T4導(dǎo)通ur<uc, ug4=0, ug3=1, T4關(guān)斷, T3導(dǎo)通ug3，ug4互為反向，受ur和uc的幅值控制。uo=0uc>0uo=0uc<0VdVd由以上分析，驅(qū)動信號產(chǎn)生示意電路如圖1-8：圖1-8 驅(qū)動信號產(chǎn)生電路§1.4.3 雙極性SPWM調(diào)制方式圖1-9 雙極正弦波PWM調(diào)制方式在Ur的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所

22、得PWM波也有正有負(fù)（圖1-9），其幅值只有±Ud兩種電平。同樣在調(diào)制信號Ur和載波信號Uc的交點時刻控制器件的通斷Ur正負(fù)半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。T1、T4和T2、T3兩組相互導(dǎo)通8。1、當(dāng)ur>uc時，給V1和V4導(dǎo)通信號，給V2和V3關(guān)斷信號。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，uo=Ud。2、當(dāng)ur<uc時，給V2和V3導(dǎo)通信號，給V1和V4關(guān)斷信號。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud。相同的開關(guān)頻率時，單極性SPWM開關(guān)動作次數(shù)相對少些，諧波情況好些，多用于單相逆變。雙極性S

23、PWM諧波情況差些，用于三相逆變。由以上分析，驅(qū)動信號產(chǎn)生示意電路如圖1-10：圖1-10 驅(qū)動信號產(chǎn)生電路第2章 SPWM調(diào)制電路§2.1 SG3525芯片介紹§2.1.1 功能結(jié)構(gòu)電壓調(diào)節(jié)芯片SG3525具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。其中，腳16為SG3525的基準(zhǔn)電壓源輸出，精度可以達(dá)到（5.1±1）V，采用了溫度補償，而且設(shè)有過流保護電路。腳5，腳6和腳7內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525的振蕩器11。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1及腳2分別為芯片內(nèi)誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、

24、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a償網(wǎng)絡(luò)。圖2-1 SG3525原理圖§2.1.2 SG3525特性1. SG3525基本特點(1) 工作電壓范圍8-35V。(2) 5.1V基準(zhǔn)電壓，精度±1%。(3) 震蕩頻率范圍100Hz-500KHz。 (4) 內(nèi)置軟啟動開關(guān)。 圖2-2 SG3525引腳圖(5) 逐個脈沖關(guān)斷。 (6) 帶滯回電壓的輸入欠壓鎖定。(7) PWM鎖定功能，禁止多脈沖。 2. SG3525各部分功能(1) 基準(zhǔn)電壓源基準(zhǔn)電壓源是一個三端穩(wěn)壓電路，其輸入電壓VCC可在(835)V內(nèi)變化，通常采用+15V，其輸出電壓VST5

25、.1V，精度，采用溫度補償，作為芯片內(nèi)部電路的電源，也可為芯片外圍電路提供標(biāo)準(zhǔn)電源12，向外輸出電流可達(dá)400mA，沒有過流保護電路。(2) 振蕩電路由一個雙門限電壓均從基準(zhǔn)電源取得，其高門限電壓低門限電壓，內(nèi)部橫流源向CT充電，其端壓VC線性上升，構(gòu)成鋸齒波的上升沿，當(dāng)時比較器動作，充電過程結(jié)束，上升時間t1為：比較器動作時使放電電路接通，CT放電，VC下降并形成鋸齒波的下降沿，當(dāng)時比較器動作，放電過程結(jié)束，完成一個工作循環(huán)，下降時間間t2為：，此時間即為死區(qū)時間鋸齒波的基本周期T為：因為由上可見鋸齒波的上升沿遠(yuǎn)長于下降沿，因此上升沿作為工作沿，下降沿作為回掃沿。(3) 誤差放大器由兩級差分

26、放大器構(gòu)成，其直流開環(huán)放大倍數(shù)為80dB左右，電壓反饋信號從端子1接至放大器反相輸入端，放大器同相輸入端接基準(zhǔn)電壓。 (4) PWM信號產(chǎn)生及分相電路比較器的反相端接誤差放大器的輸出信號ue，而振蕩器的輸出信號uc則加到比較器的同相輸入端，比較器的輸出信號為PWM信號，該信號經(jīng)鎖存器鎖存，分相電路由二進制計數(shù)器和兩個或非門構(gòu)成，其輸入信號為振蕩器的時鐘信號，并用時鐘信號的前沿觸發(fā)，輸出為頻率減半的互補方波，這些方波和PWM信號輸入到或非門邏輯電路。其結(jié)果是，所有的輸入為負(fù)時，輸出為正。這樣的輸出每半周期交替為正，其寬度和PWM信號的負(fù)脈沖相等。脈沖很窄的時鐘信號輸入到邏輯或非門電路，可使兩個門

27、的輸出同時有一段低電平，以產(chǎn)生死區(qū)時間。(5) 脈沖輸出級電路輸出末級采用推挽輸出電路13，驅(qū)動場效應(yīng)功率管時關(guān)斷速度更快。11腳和14腳相位相差180，拉電流和灌電流峰值達(dá)200mA。由于存在開閉滯后，使輸出和吸收間出現(xiàn)重疊導(dǎo)通。在重疊處有一個電流尖脈沖，起持續(xù)時間約為l00ns?？梢栽?3腳處接一個約0.luF的電容濾去電壓尖峰。§2.2 單極性SPWM調(diào)制電路§2.2.1 SPWM調(diào)制電路結(jié)構(gòu)u2u1精密整流電路誤差放大加法電路直流分量50HZ同步方波SG3525調(diào)制時序控制50HZ正弦波Q1 Q2 Q3 Q4U3u4u5圖2-3 SPWM控制電路框圖如果想要得到正弦

28、電壓的輸出，就要使逆變電路的控制信號以SPWM方式控制功率管的開關(guān)，得到的脈沖方波輸出再經(jīng)過濾波就可以得到正弦輸出電壓本系統(tǒng)方案通過SG3525來實現(xiàn)輸出正弦電壓，首先要得到SPWM的調(diào)制信號要想得到SPWM調(diào)制信號，必須要有一個幅值在13.5V且按正弦規(guī)律變化的饅頭波，將它加到SG3525腳9，并與鋸齒波進行比較，來得到正弦脈寬調(diào)制波，實現(xiàn)SPWM的控制電路框圖如圖2-3所示?；鶞?zhǔn)50Hz的方波由文氏橋產(chǎn)生正弦波再經(jīng)過整流生成，用來控制輸出電壓有效值和基準(zhǔn)值比較所產(chǎn)生的誤差信號，當(dāng)電源輸出電壓發(fā)生變化時，會改變正弦信號的幅值，使得SG3525輸出脈寬也跟著發(fā)生相應(yīng)的變化。§2.2.

29、2 正弦波發(fā)生器本設(shè)計采用文氏橋振蕩電路產(chǎn)生50Hz正弦波(圖2-5)，利用RC串并聯(lián)（圖2-4）選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性。圖2-4 RC串并聯(lián)網(wǎng)路傳輸系數(shù)： （2-1）式2-1中：.分析上式可知：僅當(dāng)w=時，達(dá)最大值，且u2與u1同相，即網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性，決定于RC。震蕩頻率： （2-2）穩(wěn)定振蕩條件½AuF½=1，|F |=1/3，則考慮到起振條件½AuF½>1，一般應(yīng)選取RF略大2R1。如果這個比值取得過大，會引起振蕩波形嚴(yán)重失真。由式（2-2）得：由運放構(gòu)成的RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路不是靠運放內(nèi)部的晶體管進入非線性區(qū)穩(wěn)幅，而是通過在外部引入負(fù)反饋

30、來達(dá)到穩(wěn)幅的目的。一般要在電路中加入非線性環(huán)節(jié)。在Rf串聯(lián)兩個并聯(lián)二極管，利用電流增大時二極管動態(tài)電阻減小、電流減小時二極管動態(tài)電阻增大的特點，加入非線性環(huán)節(jié)，從而使輸入電壓穩(wěn)定。在Multisim仿真波形如圖2-6。圖2-5 50Hz文氏振蕩電路圖2-6 50Hz振蕩電路仿真波形 §2.2.3 精密整流電路精密整流電路的功能是將微弱的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓14。但是本設(shè)計整流輸出并未經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)，故僅把正弦波整為饅頭波。精密整流電路的原理圖如圖2-7，整流電路的輸出保持輸入電壓形狀，而僅僅改變輸入電壓相位。輸入電壓為正弦波是，輸出電壓波形如圖2-8中u2所示。U3A，U3B組成一個

31、精密整流電路，其特點是，經(jīng)它整流的正弦饅頭波，失真很小，能滿足SPWM的要求。圖中R14，R15，R16，R17，R18的阻值一定要一致，否則，出來的饅頭波會上下波動。在Multisim仿真波形如圖2-8。輸出50Hz正弦波圖2-7 精密整流電路圖2-8 精密整流電路仿真波形 §2.2.4 誤差放大及加法電路U4B起到正弦誤差放大作用，從精密整流電路出來的饅頭波進入U4B的同相端，經(jīng)其放大(如圖2-9)。U4A是一個加法電路：從U4B出來的饅頭波進入U3A的同相端，同時U3A的同相端也接在一個直流電位上，把PP值為2.3V的饅頭波墊高2V這個經(jīng)墊高的饅頭波就可以送到SPWM調(diào)制電路中

32、。在Multisim仿真波形如2-10。 0 圖2-9 誤差放大及加法電路圖2-10 誤差放大及加法電路仿真波形§2.2.5 SPWM調(diào)制2.3V PP值饅頭波圖2-11 SPWM波形產(chǎn)生電路SG3525由一個雙門限電壓均從基準(zhǔn)電源取得，其高門限電壓低門限電壓，內(nèi)部橫流源向CT充電，其端壓VC線性上升，構(gòu)成鋸齒波的上升沿，當(dāng)時比較器動作，充電過程結(jié)束，上升時間t1為： （2-3）比較器動作時使放電電路接通，CT放電，VC下降并形成鋸齒波的下降沿，當(dāng)時比較器動作，放電過程結(jié)束，完成一個工作循環(huán)，下降時間間t2為： （2-4）此時間即為死區(qū)時間鋸齒波的基本周期T為： （2-5）因為由上可

33、見鋸齒波的上升沿遠(yuǎn)長于下降沿，因此上升沿作為工作沿，下降沿作為回掃沿。主芯片SG3525的接法和一般常規(guī)接法有點不同15，因為3525的11、14腳是圖騰柱輸出，把11、14腳接地，屏蔽了圖騰柱的下管，并在13腳接一個上拉電阻做負(fù)載，這樣做的目的是把原11、14腳的信號合并在一起輸出，以大幅度地提高最大占空比。母線電壓的利用率也大幅度提高了，可以在94%以上。但從13腳出來的脈沖，是反向的SPWM波，所以要用一個4069把它反回來。震蕩電容CT取10nF震蕩電阻RT取10K的電阻，如圖2-11中C13，R25所示，另一端直接接地。5端與7端直接短接，由式(2-5)的鋸齒波的頻率為：。把15K的

34、鋸齒波信號和100Hz的饅頭波信號進行比較，從而產(chǎn)生SPWM波形。§2.2.6 時序控制電路用一片NE5532即U1A、U1B組成一個50Hz同步方波發(fā)生電路（圖2-12）。從文氏橋正弦波振蕩器過來的正弦波信號(約12VPP值)，經(jīng)二個電壓比較器U1A、U1B后，產(chǎn)生二路帶死區(qū)時間的低頻同步波，電路中R1，R2決定二路方波的死區(qū)時間16。經(jīng)試驗，當(dāng)用NE5532時，R1、R2取510歐姆時，死區(qū)時間大約為100。U1A，U1B用358時死區(qū)時間為200。圖2-12 50Hz同步波形發(fā)生電路對于采用單極性調(diào)制的SPWM控制而言，逆變橋一個橋臂上下兩只開關(guān)管互補開關(guān)。由于開關(guān)管在開通和關(guān)

35、斷時都存在延遲時間，如果驅(qū)動脈沖以嚴(yán)格互補的方式驅(qū)動這兩只管子，可能出現(xiàn)兩只管子同時開通的情況，造成逆變橋橋臂直通短路，燒毀開關(guān)管。為了防止這種情況發(fā)生，就必須在互補的驅(qū)動脈沖之間加入一定的死區(qū)時間。獲得死區(qū)時間的簡單方法是驅(qū)動信號的下降沿不延時，僅延時驅(qū)動信號的上升沿。這樣，死區(qū)時間設(shè)置電路就可以通過數(shù)字電路實現(xiàn)了（圖2-13）。高頻波死區(qū)時間調(diào)整電路，由四組電阻、電容組成，死區(qū)時間選擇2-3，可以按RC時間常數(shù)2設(shè)置，電阻可選擇47K，電容選擇47pF，電容應(yīng)該選擇低溫度系數(shù)介質(zhì)的，如聚酯電容器、COG介質(zhì)的陶瓷電容器等。在Multisim仿真波形如圖2-14。這樣經(jīng)過這種保護措施的綜合運

36、用，就可以防止橋臂短路故障的出現(xiàn)。圖2-13 死區(qū)延時電路圖2-14 死區(qū)延時電路仿真波形第3章 逆變電路§3.1 IR2110芯片介紹§3.1.1功能結(jié)構(gòu)圖3-1 IR2110功能結(jié)構(gòu)圖LO(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Nc(引腳8)：空端VDD(引腳9)：邏輯電源電壓 圖3-2 IR2110引腳圖HIN(引腳10)：邏輯高端輸入SD(引腳11)：關(guān)斷LIN(引腳12)：邏輯低端輸入Vss(引腳13)：邏輯電路地

37、電位端，其值可以為0VNc(引腳14)：空端IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝17，DIP14腳封裝。具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V，dv/dt=±50V/ns，15V下靜態(tài)功耗僅為116mW；輸出的電源端（腳3，即功率器件的柵極驅(qū)動電壓）電壓范圍1020V；邏輯電源電壓范圍（腳9）515V，可方便地與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有±5V的偏移量；工作頻率高，可達(dá)500KHz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns；圖騰柱輸出峰值電流為2A。IR2110的內(nèi)部功能框圖如圖3

38、-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(shè)計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的成功設(shè)計，可以大大減少驅(qū)動電源的數(shù)目，三相橋式變換器，僅用一組電源即可。§3.1.2 IR2110特性1. IR2110基本特點(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(dá)500V；(3) 輸出的電源端(腳3)的電壓范圍為10-20V；(4) 邏輯電源的輸入范圍(腳9)5-15V，可方便的與TTL，CMOS電平相；(5) 匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有1V的便移量；(6) 工作頻率高，可達(dá)500

39、KHz；(7) 開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns；(8) 圖騰柱輸出峰值電流2A。2. 高壓側(cè)懸浮驅(qū)動的自舉原理IR2110用于驅(qū)動半橋的電路如圖3-3所示。圖中C1、VD1分別為自舉電容和二極管，C2為VCC的濾波電容。假定在S1關(guān)斷期間C1已充到足夠的電壓（VC1VCC）。當(dāng)HIN為高電平時VM1開通，VM2關(guān)斷，VC1加到S1的門極和發(fā)射極之間，C1通過VM1，Rg1和S1門極柵極電容Cgc1放電，Cgc1被充電。此時VC1可等效為一個電壓源。當(dāng)HIN為低電平時，VM2開通，VM1斷開，S1柵電荷經(jīng)Rg1、VM2迅速釋放，S1關(guān)斷。經(jīng)短暫的死區(qū)時間（td）之后，LIN為高電平

40、，S2開通，VCC經(jīng)VD1，S2給C1充電，迅速為C1補充能量。如此循環(huán)反復(fù)。圖3-3 IR2110驅(qū)動半橋 4. 設(shè)計電路應(yīng)注意以下問題：1）UC3637的RT和CT要適當(dāng)選擇，避免RT上的電流過大，損壞片子；2）驅(qū)動電路中C2值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上管的柵源極之間的極間電容值；3）IR2110的自舉元件電容的選擇取決于開關(guān)頻率，VDD及功率MOSFET的柵源極的充電需要，二極管的耐壓值必須高于峰值電壓，其功耗應(yīng)盡可能小并能快速恢復(fù)；4）IR2110的驅(qū)動脈沖上升沿取決于Rg，Rg值不能過大以免使其驅(qū)動脈沖的上升沿不陡，但也不能使驅(qū)動均值電流過大以免損壞IR2110；5）當(dāng)PWM產(chǎn)生電路是模擬電路時可

41、以直接把信號接到IR2110；當(dāng)用采數(shù)字信號時要考慮隔離；6）注意直流偏磁問題§3.2 驅(qū)動電路設(shè)計采用功率開關(guān)管的變換器電路中，開關(guān)管的驅(qū)動電路性能的好壞直接關(guān)系到變換器的工作可靠性。因此，在變換器設(shè)計中，要對功率開關(guān)管的驅(qū)動進行精心的設(shè)計。與晶體管驅(qū)動電路不同，對功率MOS管的控制實質(zhì)上是對MOS管的輸入電容C進行充、放電控制，同時驅(qū)動電路還要為MOS管的柵-漏電容，亦稱米勒電容提供渡越電流CGDdVGD/dt，所以驅(qū)動電路的負(fù)載為容性網(wǎng)絡(luò)由于電容上的電荷的保持作用，當(dāng)器件開通后驅(qū)動電路無需繼續(xù)提供電流。根據(jù)上面的分析，得出功率MOS管對驅(qū)動電路的要求如下19：(1) 驅(qū)動電路延

42、遲時間??；(2) 驅(qū)動電路峰值電流大；(3) 柵極電壓變化率dv/dt大。綜上所述，理想的功率MOS開關(guān)管驅(qū)動電路應(yīng)同時具備高速開關(guān)和高峰值電流能力。逆變電路采用了全橋式結(jié)構(gòu)，對于全橋式電路而言，橋臂上下功率管的驅(qū)動需采用隔離驅(qū)動電源?？刹捎霉怆婑詈?器，但是為了提高驅(qū)動電路工作可靠性，采用專用于驅(qū)動橋式結(jié)構(gòu)電路的集成電路IR2110可以簡化驅(qū)動電路設(shè)計、提高系統(tǒng)性能。圖3-4 IR2110驅(qū)動電路IR2110驅(qū)動電路原理框圖如圖3-4所示，其中左上臂HIN_L、左下臂LIN_L、右上臂HIN_R右下臂與LIN_R輸入信號分別是Q1、Q2、Q3、Q4，四路單極性的SPWM波形可以保證H橋臂的四

43、個MOS管兩兩交叉導(dǎo)通，這樣實現(xiàn)輸出電流的反向，從而使輸出端為交流的高頻SPWM信號。原理圖中MOS管選用耐壓值較高，開關(guān)速度快的IRF540，IRF540的漏源耐壓可達(dá)100V。為了保護其不被燒壞，必須在四只MOS管上加上四個散熱片。HO、LO端的二極管使用開關(guān)管1N4148，實現(xiàn)自舉電路的二極管用快恢復(fù)二極管。芯片工作電壓為+12V，開關(guān)管D極電壓也為+12V。 §3.3 輸出濾波器設(shè)計輸出濾波器將逆變器輸出的脈沖寬度調(diào)制的功率脈沖轉(zhuǎn)化為模擬電壓。當(dāng)逆變器的輸出不加濾波電路時，其輸出波形只是SPWM調(diào)制波，其中既包含了50Hz基波，又包含了高于50Hz的諧波。為了削弱高次諧波，就

44、需要設(shè)置輸出濾波器。圖3-5 LC濾波器濾波器是一種具有選擇性的四端網(wǎng)絡(luò)，它允許某些頻率信號通過，而不允許另一些頻率信號通過。允許通過的信號頻率范圍稱為通帶，不允許通過的信號頻率范圍稱為阻帶，通帶與阻帶交界的頻率稱為截止頻率20。從H橋的輸出為高頻交流信號，要用工頻隔離變壓器對其進行變換，這就需要先將高頻信號轉(zhuǎn)換為50Hz工頻信號，此部分通過LC濾波（如圖3-5）實現(xiàn)，也可當(dāng)作以低通濾波器，與小信號電路的低通濾波器不同的是，逆變器的輸出濾波器不僅要濾除不需要的高頻分量，而且還要在濾除不需要的高頻分量的同時，使通過的頻帶所傳輸?shù)墓β十a(chǎn)生的損耗盡可能的低。因此，傳統(tǒng)的RC低通濾波器在這里不能應(yīng)用。

45、而需要采用幾乎沒有損耗的LC低通濾波器。它的設(shè)計原則是對50Hz低頻呈低阻抗特性，基本不產(chǎn)生基波壓降，而對高頻分量呈高阻抗特性。由傅立葉分析可知： （3-1）逆變電路輸出的n次諧波有效值Vn經(jīng)LC濾波后在負(fù)載上的n次諧波電壓為： （3-2） （3-3）由上此可見n次諧波衰減了倍。逆變器輸出電壓的頻率成分以基頻50Hz和開關(guān)頻率f=15KHz為主。選擇截至頻率為開關(guān)頻率的1/10，即150Hz。這樣開關(guān)頻率中更高頻的交流分量將被衰減40dB以上，負(fù)載選擇中間電流值1.25A.RL=220V/2.5A=88輸出濾波電容的容量為： （3-4）輸出濾波電感量為： （3-5）§3.4 保護電路

46、設(shè)計為保證電力電子系統(tǒng)正常工作，除了合理設(shè)計電路之外，增設(shè)電路保護措施是很有必要的。這是因為在裝置實際運行時，有許多隨機出現(xiàn)的干擾信號。這些干擾會導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常，甚至損壞系統(tǒng)。在電力電子系統(tǒng)中，功率開關(guān)管的保護是必不可少的。功率開關(guān)管是整個設(shè)備正常工作的核心部件，同時也是最容易受損壞的元件。而對于由蓄電池供電的逆變電源而言，蓄電池也需要有必要的保護，因為蓄電池過度放電會損壞蓄電池本身。下面針對本文設(shè)計的逆變電源，闡述在設(shè)計中對開關(guān)管和蓄電池采取的保護措施。在功率開關(guān)管的保護整個裝置中，功率開關(guān)管是最易損壞的元件，電路中出現(xiàn)的過流會導(dǎo)致其損壞，應(yīng)該具有相應(yīng)的過流保護。對于由蓄電池供電的逆變電

47、源而言，蓄電池過度放電會損壞蓄電池本身，當(dāng)蓄電池電量不足時，應(yīng)該相應(yīng)欠壓保護。對于橋式逆變電路，如果發(fā)生橋臂直通短路或負(fù)載發(fā)生短路時，流過開關(guān)管上的電流迅速增大，若不采取措施在很短的時間內(nèi)，功率開關(guān)管被燒毀。短路與過載是兩種性質(zhì)不同的故障狀態(tài)，短路故障一經(jīng)出現(xiàn)，裝置就應(yīng)該立即停止工作，因為短路電流在很短的時間內(nèi)就會升到很高的幅值，可在瞬間損壞電路元件。對于短路故障必須立刻停機，這功能可以由串接在主功率回路中的快速熔斷器F2實現(xiàn)。與短路故障不同，系統(tǒng)短時的過載屬于正常工作狀態(tài)，如果過載一發(fā)生就停機則不利于系統(tǒng)的正常運行。同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性，電子電路作為第一保護措施，快

48、熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。圖3-6 輸入輸出采樣電路如圖3-6所示，對于電路過載，設(shè)計中將取樣繞組，經(jīng)過整形、濾波間接檢測其電流是否過大，電壓取樣CY2直接輸入到滯環(huán)比較器LM393的同相輸入端（如圖3-7），其反相端為設(shè)定的參考電壓值。正常情況下，參考電壓值小于電壓采樣值，比較器輸出低電平，系統(tǒng)開始正常工作。欠壓保護是為了保護蓄電池，直接通過分壓電阻采樣，得到輸入采樣電壓CY1，電壓取樣CY1直接輸入到滯環(huán)比較器LM393的反相輸入端（如圖3-7），其同相端為設(shè)定的參考電壓值。正常情況下，參考電壓值大于電壓采樣

49、值，比較器輸出低電平，系統(tǒng)開始正常工作。保護電路中，采用滯環(huán)比較器叫的作用是防止比較器的輸出在保護點附近反復(fù)跳動。滯環(huán)寬度取為2V。12V蓄電池欠壓保護值是10.5V。當(dāng)蓄電池欠壓保護動作后只有當(dāng)蓄電池電壓升高到12.5V的時候。系統(tǒng)才能夠恢復(fù)正常工作。圖3-7 欠壓過流保護電路第4章 系統(tǒng)調(diào)試§4.1 信號板電路的調(diào)試在設(shè)計中存在輸出濾波電感、功率變壓器、隔離變壓器、等磁性元件，隔離變壓器初次級之間存在寄生電容，高頻干擾信號通過寄生電容耦合到次級；功率變壓器由于繞制工藝等原因，原、次級耦合不理想而存在漏感，漏感將產(chǎn)生電磁輻射干擾，為了避免這些電磁干擾，我將基于SG3525的SPWM

50、波形調(diào)制電路繪制在一張PCB板，不妨稱之為信號板；把H橋逆變電路及濾波、升壓繪制在另一張PCB板上。本章給出調(diào)試步驟及各測試點的波形。1. 在J1上接上+12V和-12V電源，則電源指示發(fā)光二極管D1，D2應(yīng)該亮，測一下電流，+12V應(yīng)該在50mA左右，-12V應(yīng)該在60mA左右，說明電路基本正常。2. 用示波器測S1點，應(yīng)該看到正弦波，頻率在50Hz左右，若沒有波形（如圖4-1），則文氏邊路未起振，把R32(8.2K)換成一個10K的滑動變阻器，使其放大倍數(shù)略大于3，則可使S1點為12Vpp的正弦波，振蕩器就基本調(diào)好了。圖4-1 S1測試點正弦波振蕩器輸出波形3. U3A，U3B組成一個精密

51、整流電路，其特點是，經(jīng)它整流的正弦饅頭波，失真很小，能滿足SPWM的要求.原理圖中R14，R15，R16，R17，R18的阻值一定要一致，否則，出來的饅頭波會上下跳動.用示波器測S2點波形，應(yīng)該看到饅頭波，饅頭波的幅度約在4Vpp（如圖4-2），一般大于11V就會出現(xiàn)削頂，這樣精密整流電路就調(diào)好了。圖4-2 S2整流電路輸出饅頭波4. 用示波器測S3點波形，也應(yīng)該是饅頭波（如圖4-3），調(diào)節(jié)滑動變阻器R35讓S3點的波形幅度在2.3Vpp，再調(diào)滑變R33使饅頭波的谷點離開直流底線2V，這樣，加法器電路就基本調(diào)好了，等接上H橋再細(xì)調(diào)。圖4-3 加法電路輸出饅頭波5. 主芯片SG3525的第9引腳

52、輸出為測試點S4，用示波器觀察S4點的波形，看是否為SPWM波，此測試點應(yīng)為頻率15K的SPWM信號。6. 用一片NE5532即U1A、U1B組成一個50Hz同步方波發(fā)生電路。從文氏橋正弦波振蕩器過來的正弦波信號(約12Vpp值)，經(jīng)二個電壓比較器U1A、U1B后，產(chǎn)生二路帶死區(qū)時間的低頻同步波，電路中R1，R2決定二路方波的死區(qū)時間。用雙通道數(shù)字示波器觀察S5、S6兩測試點的波形（如圖4-4），應(yīng)該是互為反相的50Hz方波，其死區(qū)時間約為100。圖4-4 S5、S6測試點輸出的50Hz同步方波§4.2 信號板與H橋聯(lián)調(diào)1. 先把信號板上J2插頭用引線與逆變板連接起來。2. 這時用雙

53、通道數(shù)字示波器觀查MOS管IRF540的G極波形（如圖4-6、圖4-7），是否有高頻波死區(qū)延時2左右（如圖4-5）。圖4-5 H橋驅(qū)動波形及高頻波延時3. 光伏電池(12V)可以用實驗臺DG01上三相調(diào)壓輸出17Vpp值的交流電，經(jīng)整流橋，濾波得到12V左右的直流電（切忌用試驗臺上+12V直接輸入，由于試驗臺上的+12V線性穩(wěn)壓源最大輸出功率不足30W）用來模擬光伏電池。4. 把示波器的探頭打在10：1檔，夾在H橋AC輸出的二個端子上，再接上一點負(fù)載，接一個100W的220V的燈泡。5. 接通信號板電源，H橋應(yīng)該有正弦波輸出，燈泡會亮。6. 細(xì)調(diào)信號板上的R33，讓正弦波上下二個半波的過渡光滑

54、自然，沒有階梯感；再調(diào)R35，慢慢調(diào)大，正弦波會出現(xiàn)削頂，再稍回調(diào)一點，讓正弦波頂部光滑自然，這樣整個系統(tǒng)就基本調(diào)試好了，觀察空載與帯載波形（如圖4-8）。圖4-6 H橋左上管和左下管的驅(qū)動波形圖4-7 H橋左上管和右下管的驅(qū)動波形§4.3 保護電路調(diào)試1. 欠壓保護測試：(1) 首先接一個100W的220V的燈泡，讓電路正常工作；(2) 調(diào)節(jié)實驗臺上的交流輸出大小，使得直流輸入降為10V，保護電路動作，繼電器打開，燈泡滅；(3) 使實驗臺上的交流輸出恢復(fù)，使得直流輸升為12.5V，保護電路動作，繼電器關(guān)閉，燈泡亮。2. 過流保護測試(1) 首先接一個500W的220V的燈泡，讓電路

55、正常工作。(2) 由于設(shè)定的額定功率為500W，此時再并聯(lián)一個100W的燈泡，負(fù)載過重，電流過大，快速熔斷器F2燒斷，燈泡熄滅。圖4-8 空載波形（左）帶載波形（右）結(jié)論逆變技術(shù)是現(xiàn)代電力電子技術(shù)領(lǐng)域里最活躍的一個研究方向，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防和家用電器等生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。傳統(tǒng)的逆變器絕大多數(shù)為方波逆變器和準(zhǔn)正弦波逆變器。這兩種逆變器雖然電路結(jié)構(gòu)簡單，但輸出的電能質(zhì)量較差，諧波分量大。而數(shù)字化正弦波逆變器成本較高，因此，本文提出的這種結(jié)構(gòu)簡單，諧波畸變率低的正弦波實現(xiàn)方案。采用純硬件方式實現(xiàn)對逆變器的控制以及各種保護功能，并通過仿真對各種控制方案進行分析對比，最后制造了一臺樣機進行了實驗。實驗結(jié)果表明，光伏電源逆變器輸出波形理想，直流環(huán)電壓波動小。帶載時，逆變器輸出波形無大的畸變。