正弦波逆变器设计毕业.doc

_安阳师范学院本科学生毕业设计报告正弦波逆变器设计作 者： 系（院）： 物理与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 学 号： 111154021 指导老师： 日 期： 诚信承诺书郑重承诺：所呈交的论文是作者个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与作者一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名： 日期：导师签名： 日期：院长签名： 日期：论文使用授权说明本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密论文在解密后遵守此规定。作者签名：导师签名：日期：13_正弦波逆变器设计（安阳师范学院 物理与电气工程学院, 河南 安阳 455000）摘要：本论文基于IR2110控制芯片设计了一个全桥正弦波逆变器。文章首先简要介绍了逆变器的基本工作原理、电压控制芯片SPWM脉宽调制方式及芯片IR2110的内部结构、管脚功能和其特性，IRF540N通道增强型场效应功率开关管的特性。提出了基于IR2110芯片构成的单相电压全桥控制正弦逆变器,并对电压控制全桥正弦电压逆变器电路的主电路、控制电路、死区时间电路和输出低通道滤波电路四个部分进行了详细设计。关键词：逆变器；IR2110；开关管；正弦脉宽调制1 引言1.1 逆变器的用途和意义逆变器出现于电力电子飞速发展的20世纪60年代，随着社会的飞速发展，逆变器越来越得到广泛的应用。逆变器在发电厂发电系统、工厂企业中具有举足轻重的作用，其性能的改进对于提高系统的效率、可靠性,降低成本至关重要。电力逆变电源有着广泛的用途，它可用于各类交通工具，如汽车、各类舰船以及飞行器，在太阳能及风能发电领域，逆变器有着不可替代的作用。 在电力系统中为保证变电所的诸如后台机、分站RTU、通讯设备等能在交流电源停电后不间断工作，工程做法一般采用UPS电源作为主要解决方案，但UPS电源存在容量小、价格贵、故障率高、维护量大等不足，因此综合自动化变电所中可采用电力正弦波逆变电源来代替常规不间断。交流电动机的调速用变频器、UPS不间断电源，感应加热电源等电力电子装置，其电路的核心部分都是逆变电路。此外，逆变器还可将直流电能转换为交流电供用户直接使用或输送到电网，对节约自然资源和环境保护有举足轻重的意义。1.2 逆变器发展历程、现状和趋势逆变技术的原理早在1931 年就有人研究过，从1948 年美国西屋电气公司研制出第一台3KHZ 感应加热逆变器至今已有近60 年历史了，而晶闸管SCR 的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件，到了20 世纪70 年代，可关断晶闸管（GTO）、电力开关管（BJT）的问世使得逆变技术得到发展应用。到了20 世纪80 年代，功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅极开关管（IGBT）、MOS 控制晶闸管（MCT）以及静电感应功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础，因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化，大容量化创造了条件。进入80 年代后，逆变技术从应用低速器件、低开关频率逐渐向采用高速器件，提高开关频率方向发展。逆变器的体积进一步减小，逆变效率进一步提高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大提高。目前，逆变器技术多数采用了MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT 等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制电路，甚至采用数字信号处理器（DSP）控制。各种现代控制理论，如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用领域也达到了前所未有的广阔，从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站；从日常生活的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备，都少不了逆变电源。毋须怀疑，随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。2 设计要求2.1 设计要求(1)制作正弦波逆变器，输入端用12V蓄电池产生的直流电供给电路，输出端输出12V的交流电压。(2)设计电路最后输出电压波形为正弦波。(3)设计电路最后输出交流电压频率为50HZ。2.2 设计思路题目要求设计一个单相电压正弦波逆变电源，输出电压波形为50HZ，电路输出电压波形为正弦波。设计中主电路采用DC-AC的逆变技术，控制部分采用SPWM（正弦脉宽调制）技术，利用芯片IR2110对逆变器件电力开关管MOSFET进行驱动控制，同时电路中死区时间控制和低通道滤波的功能，增强了电源的安全性和稳定性，使输出获得交流正弦波的稳压电源。3 方案论证3.1 方案1半桥式DC-AC逆变电路。在驱动电压的开关轮流作用下,半桥电路两只开关管SW1和SW2交替导通和截止,从而产生交变的方波脉冲,实现功率转换。半桥式结构原理图如图1所示，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和电容组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点便为直流电源的中点。图1 半桥式结构电路图3.2 方案2 全桥DC-AC逆变电路。全桥式电路如图2所示，他有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。全桥电路中桥臂SW1与SW3互为一对，桥臂SW2与SW4互为一对，互为对角的两个开关同时关断导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电能变成幅值与输入电压幅值相等的交流电压，改变开关的占空比，可以改变输出电压。成对桥臂的两个开关管在脉冲触发下同时导通，每对桥臂轮流导通，负载两端就得到交流电能。每对桥臂分别工作半个周期，其输出电压波形为180度的方波。 图2 全桥式结构电路图3.3 方案比较方案一和方案二都可以作为DC-AC逆变电路，由两者的工作原理可知，半桥需要两个开关管，电路简单且使用器件少。全桥需要四个开关管。半桥和全桥的开关管的耐压都为VDC,而半桥输出的电压峰值是1/2DC，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还需要控制两个电容器的电压的均衡。全桥输出电压的峰值是VDC，所以在获得同样的输出电压的时候，全桥的供电电压可以比半桥的供电电压低一半，且直流侧不需要两个电容器串联，工作时也不需要控制两个电容器的电压的均衡问题。出于这两点的考虑，决定采用方案二。4 主要元器件介绍4.1 IR2110芯片的介绍IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，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；输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围1020V；逻辑电源电压范围（脚9）515V，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，开通、关断延迟小。IR2110的内部功能框图如图3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，电路中采用该芯片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，可以大大减少实际应用电路中的驱动问题。图3 （a）IR2110内部功能框图图3 （b）IR2110管脚功能框图图3 （c）IR2110半桥驱动电路 实际设计电路中的IR2110的全桥驱动电路由IR2110的半桥驱动电路扩展而来。4.2 IRF540 MOS管介绍IRF540晶闸管是N沟道电压控制型MOS管，IRF540 MOS管具有低的导通内阻，快速开断能力，而且驱动功率小、工作速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等优点，已广泛应用到DC-DC转换器，开关电源，电视及电脑显示器电源等。图4 IRF540 MOS管内部结构和参数5 硬件设计5.1 框图 在电路设计中，12V蓄电池电源先经过滤波后输入电路中，保证输出有效值为12V的正弦波，不出现截止失真和饱和失真。系统方框图如图5所示，电路采用调节SPWM信号脉宽调制方式。在该系统中采用了两组相互隔离的辅助电源供电，一组供给SPWM信号控制器使用，另外一组供给输出电压电路使用，这样避免了交流输出的浮地和蓄电池的地不能共地问题。因为SPWM控制器输出的SPWM信号不含死区时间，所以增加了死区时间控制电路，电路还设计了低通道滤波电路滤去谐波。 图5 正弦波逆变器框图5.2 逆变器的SPWM脉宽控制方式脉冲宽度调制，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。图示6所示即为正弦脉宽调制方式的脉冲序列波形。 图6 (a)单极性SPWM控制方式波形 图6 (b)双极性SPWM控制方式波形5.3 电路原理介绍5.3.1 正弦波逆变器的基本原理逆变器出现于电力电子飞速发展的20世纪60年代，随着社会的飞速发展，逆变器越来越得到广泛的应用。逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用，把直流电能转变成为交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆过程。电压型逆变器是按照控制电压的方式将直流电能转变为交流电能，是逆变技术中常见的一种。单相全桥逆变电路也称“H桥”逆变电路，其电路结构如图7所示，由两个半桥电路组成。功率开关元件Q1与Q3互为一组，Q2与Q4互为一组，当 Q1与Q3同时导通时，负载电压U0=+Ud；当Q2与Q4同时导通时，负载两端 U0=-Ud，Q1与Q3和Q2与Q4轮流导通，负载两端就得到交流电能。单相全桥电路上述工作状况下Q1与Q3和Q2与Q4分别工作半个周期，其输出电压波形为180度的方波。 前面所述的方波逆变电路虽然结构简单，但输出的电能质量较差，谐波分量大，随着功率器件的发展，正弦波脉宽调制（SPWM）技术得到了广泛的应用，SPWM控制是在逆变器输出交流电能的一个周期内，将直流电能变成幅值相等而宽度根据正弦规律变化的脉冲序列，该脉冲序列的宽度是随正弦波幅值变化的离散脉冲，经过滤波后得到正弦波交流电能。 图7（a）单相全桥电路拓朴结构 图7（b）全桥输出电压电流波形5.3.2 控制线路设计原理在正弦波逆变器装置中，根据主电路的结构，其功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离，以免引起灾难性的后果。隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种方式。设计中采用IR2110芯片驱动器，它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，避免了电路中线路的繁琐链接。在控制电路中二极管是一个重要的器件，它应能阻断直流干线上的高压，二极管承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。为了减少电荷损失，设计电路选择了反向漏电流小的快恢复二极管UF4007。根据MOSFET 的门极特性，在电路开通时，需要在极短的时间内向门极提供足够的栅电荷。根据电路设计电容选取10uF的电解电容。由于电路设计为电压逆变器，所以全桥器件选用IRF540，它是电压控制型使用沟渠工艺封装的N通道增强型场效应功率开关管MOSFET器件，更主要的是它具有低的导通内阻和快速开断能力。集成功率驱动电路IR2110具有优良的驱动性能,根据设计电路具体驱动要求设置，为芯片提供了一个+5V的辅助电压和+12V的辅助电源来实现对同一桥臂上、下主开关器件功率MOSFET的驱动, 这样就有效简化了功率变换器主开关器件驱动电路设计, 提高系统的可靠性。全桥电路采用两个半桥驱动芯片IR2110分别驱动全桥的两边场效应管IRF540按驱动信号SPWM波交替导通，输出功率放大的SPWM波来控制晶闸管的导通和关断，使输出侧产生交变的正弦电压。图8所示为全桥逆变电路控制电路。 图8 DC-AC控制电路原理图5.3.3 死区时间控制电路的设计两组同频率互补的脉冲信号SPWM1和SPWM2，再分别进入单稳态电路SPWM1和SPWM2.根据其原理，单稳态触发器的输出只有1和0两种状态阀，以此来设定两组信号之间的死区时间，每组只能触发一个单稳态电路，而且单稳态电路是利用下降沿触发得到，因此将两组信号分别触发两组单稳态电路，然后将信号SPWM2和单稳态型号SPWM1的输出信号通过非门和与门电路SPWM1来输出信号SPWM1，此死区时间产生于信号SPWM1的下降沿和信号SPWM2的上升沿之间，再将信号SPWM1和单稳态信号SPWM2的输出信号通过信号SPWM2，此死区信号产生于信号SPWM1的上升沿和信号SPWM2的下降沿之间。那么，两组信号共同输出就能得到所需的两组互补输出信号，同时两组信号之间又有死区时间控制。图9是死区时间设置电路，通过用数字电路延时实现死区时间设置，很显明获得死区时间的方法是驱动信号的下降延不延时，只延时驱动信号的上升延，电路中采用了74HC08与门逻辑电路集成芯片和74HC14非门逻辑电路集成芯片来控制驱动电路的死区时间。图9 死区时间控制电路图5.3.4 低通滤波器的设计工程信号不是同频率的正弦波线性叠加而成的，组成的不同型号频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分，滤波的作用是滤去谐波。只允许一定频率范围的信号正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路叫做滤波电路。当允许信号中较低频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做低通道滤波。低通滤波器原理图如图10所示,低通滤波器采用一阶无源LC低通滤波器。 为了避免磁环电感饱和，经计算，C的值为1.13µF，实取1µF。L为3.04mH，实取2.3mH。图10 低通滤波器原理图5.4 DC-AC电路原理介绍图11所示，实际设计电路中用到一个12V和一个5V两个辅助电源来驱动IR2110芯片工作，在该电路中，12V的辅助电源和输入电压公共一个电源，另外提供一个5V的电源接入电路。输入端通过一些电容滤波后输入电路，输出端接在桥臂中间。通过芯片IR2110对SPWM波放大后接在晶闸管上，通过控制晶闸管的导通和关断来控制输出电压及其波形。图11 DC-AC电路原理图 备注：主要元器件明细表见附录1，PCB原理图，仿真图见附录2。6 结论 系统调试过程中要检查电路的各个元件的各个参数。若参数及模式设置无误一般能保证仿真过程的顺利进行。 该单相正弦波电压逆变电源的输入为12V直流电压，输出为12V交流电且频率为50HZ。该设计基本完成了论文中各项设计要求。同时该死区时间控制和低通道滤波的功能，增强了电源的安全性和稳定性。但是设计中还缺少很多的保护，比如：过压保护，过电流和欠压保护等功能，所以在今后还要继续研究各种保护电路的实现方法。7 致谢通过本次正弦波逆变器的设计，让我对逆变器工作原理有了更进一步的认识，并对DC/AC逆变原理及其应用也有更深的了解。虽然进行的过程中也遇到很多困难和困惑，但是在老师的指导下和同学的帮助下一步一步的完成了此次设计，无论是在思想上还是在学习上，都使我受益匪浅。值此论文完成之际，首先要感谢我的指导老师潘老师。潘老师从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇文论的完成，都非常耐心的对我进行指导，给我提供了很多数据资料和建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误，修改论文。他在逆变器技术及光伏发电领域的专业研究和对该课题深刻的见解，使我受益匪浅。在此，谨向潘老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。同时，我还要感谢关心帮助过我的老师和同学，正是由于他们的关心和帮助，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本次毕业论文的顺利完成。在此次毕业设计过程中我也学到了很多关于逆变器电源设计方面的知识，电路设计技能也有了很大的提高。 最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢。参考文献1 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计M.北京:北京航空航天大学出版社,2006.2 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛技能训练M.北京:北京航空航天大学出版社,2006.3 康华光.电子技术基础模拟部分M.北京:高等教育出版社,2006.4 康华光.电子技术基础数字部分M.北京:高等教育出版社,2006.5 徐德宏.开关电源设计指南M.北京：机械工业出版社，2004.6 刘胜利.现代高频开关电源实用技术M.北京:电子工业出版社,2001.7 王兆安.黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2008. Design of Single Phase Voltage Sinusoidal InverterShang Yu jie(School of Physics and Electrical Engineering, Anyang Normal University, Anyang, Henan 455002)Abstract: in this paper, based on the IR2110 control chip to design a full bridge single-phase voltage inverter. The article introduces the basic principle, the inverter voltage control chip SPWM pulse width modulation and IR2110 chip internal structure, pin function and its characteristics, the characteristics of field effect power switch tube IRF540N channel enhancement. The single-phase voltage IR2110 chip controlled full-bridge sinusoidal inverter based on, and the main circuit, voltage controlled full-bridge sinusoidal voltage inverter circuit, the control circuit four parts of dead time circuit and output low pass filter circuit is designed in detail.Keywords: inverte ；IR2110 ；switch ；sinusoidal pulse width modulation附录1 元器件明细表 表 1 主要元器件清单名称型号数量与门74HC084非门74HC142场效应管驱动芯片IR21102场效应管IRF5404二极管UF40072电解电容47uF/100V5CBB电容0.1µF1瓷片电容33pF4CBB电容0.68µF2CBB电容2.2µF1电解电容10µF2电解电容220µF1电感2.3H2电阻15 k4电阻10 k10电阻47 k1附 录2 PCB图12 DC-AC电路印制板图底层图图13 死区时间控制电路印制板图底层图电路仿真图图14 （a）仿真正弦波 三角波叠加图14 （b）仿真SPWM波图14 （c）仿真正弦波