单相PWM逆变电源的设计讲解.pdf

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1、摘摘要要随着国民经济的高速发展和国内外能源供应的紧张，电能的开发和利用显得更为重要。目前，国内外都在大力开发新能源，如太阳能发电、风力发电、潮汐发电等。一般情况下，这些新型发电装置输出不稳定的直流电，不能直接提供给需要交流电的用户使用。为此，需要将直流电变换成交流电，这就需要逆变技术的大力应用。本文设计的单相 PWM 逆变电源属于交流电源，采用电压反馈控制，通过中断功率通量和调节占空比的方法来改变驱动电压脉冲宽度来调整和稳定输出电压。其主电路构成采用的是 Boost 电路和全桥电路的组合。本设计的核心是 AVR单片机，既能产生PWM 波，控制升压电路和逆变电路，又能对系统进行实时监控，确保系统

2、的稳定性。本文详细的分析了该逆变电源的工作过程，并推导了重要公式。最后对该逆变电源进行了软件仿真，验证了其可行性和有效性。关键词：关键词：逆变器，脉冲宽度调制，场效应管IAbstractAbstractWith the high-speed developing of national economy and the shortage supply ofworld electrical energy supplies,the development and utilization of electric power ismore important.Now,there are a lot pe

3、ople try their best to develop the new energy,such as solar power,wind power and tidal power and so on.In general,these newpower generation unit output is not stable of DC,and cant directly provide usersalternating current.So,we need to transform DC to AC,this needs the application ofthe inverter te

4、chnology.In this paper,the design single-phase PWM inverter power supply belong to the ACpower,it adopt the voltage feedback control,It can adjust and stable output voltagethrough the interrupt power of empty and adjustment of the flux to transform thedriving voltage pulse width.Its main circuits ar

5、e the Boost circuit and the wholebridge circuit.The core of the design is the single chip microcomputer AVR,it can notonly produce PWM waves which can control boost circuit and source inverter,butalso real-timing monitor the system,to ensure the stability of the system.This paper makes a detailed an

6、alysis of the working process of the inverter powersupply,and derived the important formulas.Finally the inverter power for thesoftware simulation proves its feasibility and validity.KeywordsKeywords：Inverter,PWM,MOSFETII目目录录摘要.IABSTRACT.II1绪言1.1 课题背景.11.2 课题研究的目的和意义.11.3 国内外概况.21.4 课题主要的研究工作.42 系统设

7、计方案的研究2.1 系统的控制特点与性能特点.52.2 系统实现的基本原理.52.3 系统实现方案分析比较.83 单相 PWM 逆变电源的设计3.1 系统组成.133.2 主电路设计.133.3 控制电路工作设计.184 系统软件设计4.1 系统软件设计目的.274.2 系统软件设计思路.274.3 系统软件仿真.285 总结与展望.29致谢.32参考文献.33附录 软件源代码.错误！未定义书签。错误！未定义书签。1 1绪言绪言1.11.1 课题背景课题背景电力电子变换技术已渗透到生产、生活、建筑、科研、国防、交通、医疗卫生、环保、航空管理、办公自动化等各个领域。虽然这些领域有相当一部分是直接

8、利用市电，但更多领域却是间接使用市电，换句话说，各个领域都少不了使用电力电子变换技术。随着电力电子技术的普及使用，由电力电子变换装置带来的电磁干扰、谐波污染及电网功率因数下降等“公害”越来越引起全社会各界普遍关注。另外，从节约能源，走可持续发展道路考虑，太阳能、风能、潮汐、地热、燃料电池等新型能源的开发应用，也已成为高科技研究的热点。出于环保的需要，电动车辆取代现有的燃油引擎车辆也成为工业发展的必然趋势。随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域应用越来越广泛PWM 控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路

9、中，绝大部分都是 PWM 型逆变电路。可以说 PWM 控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，从而确定了它在电力电子技术中的重要地位。例如 PWM 技术在 UPS 技术上的应用。UPS 电源是一种具有稳压纯净化和无间断地向负载提供连续供电能力的优质交流电源，它担负着向计算机等重要设备的供电任务。UPS 电源一般采用 PWM 技术，这种技术在传统上采用平均值电压反馈，在线性负载条件下，显示出良好的性能。但对非线性负载引起的冲击响应较慢，而且控制环节增多使稳定性设计产生困难。虽然可用瞬时值电压反馈的 PWM 技术来解决，但此种技术仍属于周波内响应，非线性负载的冲击响应仍然很慢。近几

10、年利用电流模式的 PWM 控制技术，基本上能解决非线性负载的响应很慢的缺点，使得 UPS 电源性能不断提高。为了彻底解决现有UPS 电源存在的不足和适应各类用电设备的需求，数控交流稳压电源的研制将是今后的一个重要的方向.1.21.2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义PWM 软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实现电力电子技术高频化的最佳途径。他的研究对逆变器性能的提高与进一步推广应用，以及对电力电子技术的发展，都有十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一。11.31.3 国内外概况国内外概况现代电源技术是综合应用了电力电子、电子与电磁技术、自动控制及微处理器技术

11、的一种多学科技术。随着电子电源的集成化、模块化、智能化的发展，功率集成技术已模糊了整机与器件的界限。单片电源和模块电源已取代了整机电源在一些技术中获得广泛应用，并且派生出新的供电体系一分布供电，使单一的集中供电体系走向多元化。进入80 年代后，现代电源技术随着IGBT、功率MOSFET、IPM、MCT 等新元器件出现，谐振变流、软开关、电路拓扑等新理论的支持，功率因数校正、并联均流、有源箝位、微机监控等技术的应用，使现代电源技术逐渐走向高频化。高频化带来的直接好处是使电源装置空前小型化，并使电子电源进入更广泛的领域。现代电源技术研究总趋势是交流电源以 PWM为主流，不断提高网侧功率因数，实现功

12、率因数近似为l 的电源，并向大功率推进；直流电源以开关方式为主流，扩大输出电压范围和稳定的多路电压控制；进一步提高开关频率和进一步提高功率密度，提高可靠性，降低电磁干扰和增强抗干扰能力，并使电源模块朝着超薄型和微型化发展。1.3.11.3.1 交流稳压电源交流稳压电源从交流电源的发展来看，我国到 80 年代前期，第一代交流电源主要是以稳压电源为主。第一代稳压电源的功能是稳定交流输出电压和频率，这种电源主要用于市电不稳定地区。从 80 年代后期，随着各种电器及电子产品中装备微处理器的品种逐渐增多，此类产品易于受到瞬间停电及电压波形变化等的影响，造成动作差错及数据丢失，从而对交流电源提出了更高的要

13、求。为此，在八十年代以来，一种具有可任意改变输出电压及抗瞬间断电功能，可以模拟电源线上发生的异常状态，采用线性放大器方式的第二代交流电源问世。这种电源改用微处理器替代原来的简单的控制电路，可以在短时间内进行大量的数据处理作业。进入九十年代以后，绝大部分的电气设备都装备了微处理器及变换电路，而且，为了在设备内部将交流输入变换为直流，都备有电容输入型整流电路，使得输入电流波形产生很大的失真。这种线路阻抗成为导致市场电源电压波形畸变的主要原因，对于连接在同一网侧的其它用电设备带来恶劣影响。这种电源高次谐波的影响形成了社会公害。为了解决高次谐波问题，所采取的对策是使其它设备不再产生高次谐波。而交流电源

14、设备，也相应增添快速傅立叶变换等功能，强化其测试能力，并增强其智能水平。这是第三代、第四代交流电源的发展方向。1.3.2 UPS1.3.2 UPS 及交流净化电源及交流净化电源UPS 电源是一种具有稳压纯净化和无间断地向负载提供连续供电能力的优质交流电源，它担负着向计算机等重要设备的供电任务。随着计算机等设备的不断发展和日益推广普及，对 UPS 电源提出了越来越多的要求，不仅 UPS 要有很2好的静态稳定性和很快的动态调节，还对 UPS 的体积和重量提出了更高的要求。UPS 电源一般采用 PWM 技术，这种技术在传统上采用平均值电压反馈，在线性负载条件下，显示出良好的性能。但对非线性负载引起的

15、冲击响应较慢，而且控制环节增多使稳定性设计产生困难。虽然可用瞬时值电压反馈的 PWM 技术来解决，但此种技术仍属于周波内响应，非线性负载的冲击响应仍然很慢。近几年利用电流模式的 PWM 控制技术，基本上能解决非线性负载的响应很慢的缺点，使得 UPS 电源性能不断提高。为了彻底解决现有 UPS 电源存在的不足和适应各类用电设备的需求，数控交流稳压电源的研制将是今后的一个重要的方向。1.3.31.3.3 工业电源的发展工业电源的发展工业电源包括变频电源和电子焊接电源两种。其中我国在中、小功率变频电源的研制方面取得了一定的成就，但由于受到电子元器件的限制，在大功率变频电源的研制和生产上还无法和国外发

16、达国家相比。现国内 80的变频电源依赖进口。而近年来我国在电子控制的焊接电源研究方面取得了一定的成就，使得电子焊接电源从效率、节能和可控性能上都取得了满意的效果，电子焊机的体积、重量不断减小。1.3.41.3.4 直流开关电源直流开关电源随着现代科技的发展，各类设备对电源的要求越来越高，老式电源已不能满足技术要求，随之而来的开关电源已取代了老式电源。开关电源较老式直流电源具有体积小，功率密度高(单位体积输出功率)等优点。早期直流电源一般采用所谓降压型串联控制方式，这种方式的缺点是，输出电压下降幅度越大，则功率损耗越大，这些功率损耗变成热量散发出来，需要使用较大的散热片。为了消除这一缺点，后来采

17、用了预调节方式。这种方式可以将施加到串联控制元件上的电压控制在其所需的最低限度以内，从而大幅度减少串联控制元件所消耗的功率。这种电源对减小电源的体积和提高可靠性起了很大作用。为了进一步减小电源体积和减轻重量，提高输出的功率密度，从六十年代开始对开关电源进行研制，电路形式历经分立元件、通用集成电路到专用控制器和单片开关集成稳压器，性能价格比不断提高。开关电源的控制方式传统上分为脉冲宽度调制(PWM)式、脉冲频率调制(PFM)式和混合调制式。其中 PWM 技术最为成熟。PWM 型开关电源所使用的变换器均是在高压大电流情况下强制关断，随着电子设备工作频率的不断提高，这种变换器在开关瞬间需耗大量功率，

18、而且，电压、电流在开关时尖峰过大，还需要在开关器件以及高频变压器两端再加上尖峰吸收电路也消耗一定的功率，为此，现在 PWM 型电源最佳工作频率在 300kHz以下。如何提高开关电源的工作频率、降低谐波干扰和提高效率将成为以后开关电源研究的方向。总之，随着电子电源的集成化、模块化、智能化的发展和电力电子器件的高3性能化、拓扑电路理论的创新、现代控制技术的广泛应用及其实现的手段的先进性，现代电源的设计及分析工具得以进一步完善。今后电源技术将朝着高效率、高功率因数和高可靠性方向发展，并不断实现低谐波污染、低环境污染、低电磁干扰和小型化、轻量化。从而为今后的绿色电源产品和设备的发展提供强有力的技术保证

19、，这也将是现代电源发展的必然结果。1.41.4 课题主要的研究工作课题主要的研究工作如前所述，自从 80 年代以来，电力电子技术取得到了飞速的发展。然而各种电力电子设备和装置在电力系统、工业、交通、家庭中的广泛应用，会产生大量谐波。谐波所造成的危害已日益严重，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪音，严重时设备不能正常工作。在铁路、冶金等行业尤为明显。在这些行业，当大功率非线性用电设备运行时，会给电网注入大量的电力谐波，导致电网电压严重失真。根据我们的实验观察，在严重失真时，电压会出现正负半波不对称、波形严重畸变，频率也会发生变化。这样的供电电压，即使是一般的电力

20、用户，也难以接受；更无法用其作为检修、测试的电源同时，在这种情况下，一般普通的稳压电源也难以达到满意的稳压效果。本文所研制的逆变电源就是针对上述场合而设计的。其主电路的构成采用Boost 电路(DC-DC)和全桥式逆变电路(DC-AC)的组合。控制电路由 AVR 单片机和驱动芯片 IR2110 所构成。在文章中对主电路、控制电路的工作过程及相关参数的设计给出了详细分析，并推导、给出了重要公式。通过实验及仿真证明了该逆变电源的可行性。42 2 系统设计方案的研究系统设计方案的研究2.12.1 系统的控制特点与性能特点系统的控制特点与性能特点本毕业设计的课题为单相 PWM 逆变电源的设计，其具体的

21、课题要求如下：（1）电源功率 1kW；（2）直流电源电压 48V；（3）电流波形尽可能接近正弦波；频率 50Hz；（4）谐波分量幅值尽可能的小；为了实现本课题，本系统设计大体上由直流升压电路和交流逆变电路组成。其中，对直流升压电路和交流逆变电路的控制是本课题的核心。2.22.2 系统实现的基本原理系统实现的基本原理2.2.1PWM2.2.1PWM 波形波形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的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，指环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅式变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略

22、有差异。例如图2.1a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，图2.1a为矩形脉冲，图2.1b为三角形脉冲，图2.1c为正弦半波脉冲，但它们的面积(即冲量)都等于1，那么，当他们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。脉冲越窄，其输出的差异越小。当窄脉冲变为图2.1d的单位脉冲函数6(t)时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。f(t)f(t)f(t)f(t)W(t)W(t)0t0t0t0ta)b)c)d)图2.1形状不同而冲量相同的脉冲各种脉冲5上述结论是PWM控制的重要理论基础。下面分析如何用一系列等幅而不等宽的脉冲代替一个正弦半波，把图2.2a所示的正弦半波波形分成N等份，就把正

23、弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于衫，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(冲量)相等，就得到图2.2b所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理PWM波形和正弦半波是等效的。在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。以上介绍的是PWM控制的基本原理，按照上述原理，在

24、给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。图2.2PWM控制的基本原理示意图但是，这种计算是很繁琐的，正弦波的频率、幅值变化时，结果都要变化。较为实用的方法是采用调制的方法，即把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角形作为载波，因为等腰三角形上下宽度与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形相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合

25、PWM控制的要求。一般根据三角波载波在半个周期内方向的变化，又可以分为两种情况。三角波载波在半个周期内的方向只在一个方向变化，所得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性PWM控制方式，如图2.36所示。图2.3单极性PWM控制原理方式如果三角波载波在半个周期内的方向是在正负两个方向变化的，所得到的PWM波形也是在方向变化的，这时称为双极性PWM控制方式，如图2.4所示。图 2.4双极性 PWM 控制原理方式2.2.2 PWM2.2.2 PWM 型逆变电路的控制方式型逆变电路的控制方式在 PWM 逆变电路中，载波频率fc与调制信号频率f之比 N=rff。根cr据载波和信号波是否同步

26、及载波比的变化情况，PWM 逆变电路可以有异步调制和同步调制两种控制方式。载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式。在异步方式中，调制信号频率f变化时，通常保持载波频率fc固定不变，因而载波比 N 是r变化的。这样，在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，同时，半周期内前后 1/4 周期脉冲也不对称。当调制信号频率较低时，载波比 N 较大，半周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后 1/4 周期脉冲不对称的影响都较小，输出波形接近正弦波。当调制信号频率增高时，载波比 N 就减小，半周期的脉冲数减少，输出7脉冲的不对称性

27、影响就变大，还会出现脉冲的跳动，同时输出波形和正弦波之间的差异就变大，电路输出特性变坏。因此，在采用异制方式时，希望尽量提高载波频率，以使在调制信号频率较高时仍能保持的载波比，改善输出特性。而当载波比 N 等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同步调制。在基本同步调制方式中，调制信号频率变化时载波比N不变。调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。2.32.3 系统实现方案分析比较系统实现方案分析比较2.3.12.3.1 直流升压电路直流升压电路把直流电变成另一固定电压或可调电压的直流电叫做变流。由于本课题中明确提出输入直流电压为 48V，要求输出交流

28、为 220V，且功率为 1000KW，则输入到逆变器的直流电压提升至 315V 左右才可能经过逆变器后输出 220V 交流电。常见的直流升压电路为升压斩波电路（Boost Chopper）,线路如图 2.5 所示，由开关 S、电感 L、电容 C 组成。完成把电压 VS升压到 VO的功能。LSBiVsACVoRa)LVDVsVCRb)图 2.5 a)Boost 电路原理图b)由晶体管和二极管组成的 Boost 电路8Boost 电路的工作过程是这样的。当开关S 在位置 A 时，如图2.6a)电流iL流过电感线圈 L，在电感线圈未饱和前，电流线性增加，电能以磁能形式储在电感线圈 L 中。此时，电容

29、 C 放电，R 上流过电流 I0，R 两端为输出电压 V0，极性上正下负。由于开关管导通，二极管阳极接 VS负极，二极管承受反压状态。所以电容不能通过开关管放电。开关 S 转换位置到 B 时，构成电路如图 2.6b)由于线圈中的磁场将改变线圈 L 两端的电压极性，以保持 I0不变。这样线圈 L 磁能转化成的电压 V0与电源 VS串联，以高于 V0电压向电容 C、负载 R 供电。高于 V0时，电容有充电电流；等于 V0时，充电电流为零：当 V0有降低趋势时，容向负载 R 放电，维持 V0不变。LLiVsCVoRVsiCVoRa)b)图 2.6Boost 变换器电路工作过程基本输入、输出电压关系式

30、的推导。设开关动作周期为 TS，D1接通时间占空比，D2为断开时间占空比，它们各自小于 l，连续状态时D1D21。则闭合时间为T1D1TS，断开时间为T2D2TS。在输入输出电压不变前提下，当开关 S 在图 2.5a)A 位置时，iL线性上升，其增益为：iL1VSLDT1S(2.1)开关在 2.5a)B 位置时，iL线性下降，其增益为：iL2 V0LVSD T2S(2.2)由于稳态时这两个电流变化量绝对值相等iL1 iL2，所以9VDTLS1SV0LVSD T2S化简得：2.3.22.3.2 逆变电路逆变电路V01V1D1S1VDS2(2.3)把直流电变成交流电称为逆变。逆变电路根据直流侧电源

31、性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。本课题直流输入是 48V的电压源，则本逆变电路为电压型逆变电路。单相电压型逆变电路主要有半桥逆变电路和全桥逆变电路。半桥逆变电路原理图如图 2.7 所示。它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点便成为直流电源的中点。负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。图 2.7半桥逆变电路及其工作原理如图 2.7 所示，在一个周期内，电力晶体管 T1和 T2的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。若负载为阻感负载，设 t2 时刻以前，

32、T1有驱动信号导通，T2截止，则 u0=Ud/2。t2 时刻关断的 T1，同时给T2发出导通信号。由于感性负载中的电流i0不能立即改变方向，于是 D2导通续流，u0=Ud/2。t3 时刻i0降至零，D2截止，T2导通，i0开始反向增大，此时仍然有 u0=Ud/2。在 t4 时刻关断 T2，同时给 T1发出导通信号，由于感性负载中的电流i0不能立即改变方向，D1先导通续流，此时仍然有u0=Ud/2；t5 时刻i0降至零，T1导通，u0=Ud/2.10半桥逆变电路具有结构简单，使用器件少等优点，也有一下等缺点：交流电压幅值仅为 Ud/2；直流侧需要两个电容器串联；工作时还要控制两个电容器电压的均衡

33、。全桥逆变电路原理图如图 2.8 所示，它共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。桥对角的两个功率 MOS 管作为一组，每组同时接通或断开，两组开关轮流工作，在一个周期中的短时间内，四个开关将处于断开状态。四个开关导通(或关断)占空比均相等。LD2C负载T1DCDCCD1T2T4D4T3D3图 2.8桥式变换器主电路图在给 T1、T3 加触发脉冲，这两个 MOS 管导通，电流流过 T1 的漏极，经过输出滤波电路回到 T3 的漏极。当T2、T4 加触发脉冲时，此时T1、T3 的触发脉冲消失，T2、T4 这两个 MOS 管导通，但不能立即导通，等电流下降到零时开始导通。另外，这四个二极管还有

34、限制过电压的作用。相对半桥逆变器而言，全桥逆变器的开关电流减小了一半，因而在大功率场合得到了广泛应用。在全桥逆变器中，为实现输入输出之间的电气隔离和得到合适的输出电压幅值，一般在输出端接有交流变压器。综合以上因素，本课题的逆变器采用全桥逆变电路。2.3.2 PWM2.3.2 PWM 波形的产生波形的产生常见的 PWM 波形产生方式有由模拟信号产生和由单片机产生两种方法。方案一：用一个比较器 1 组成三角波振荡器；比较器 2 作比较，信号一是三角波，信号 2 用可调电阻调基准电压。输出就是方波了，占空比就调可调电阻。方案二：用单片机程序就可以轻松的实现，特别是有些单片机就有 PWM 模块，直接输

35、入数据就能得到想要的脉冲宽度的 PWM 波形。例如 MCS51 和 AVR单片机等。综合系统稳定性等各方面要求，我们采用由单片机产生 PWM 波形的方案。11单片机不仅产生 PWM 波形，还可以对整个系统反馈进行控制，增强系统的稳定性。123 3 单相单相 PWMPWM 逆变电源的设计逆变电源的设计3.13.1 系统组成系统组成图3.1示出了系统的结构框图。输入直流电首先经过Boost电路进行升压，在直流环上得到一个符合要求的直流电压315V(50Hz220V交流输出时)。DC/AC变换电路采用全桥变换电路。为保证系统可靠运行，防止主电路对控制电路的干扰，采用主、控电路完全隔离的方法，即驱动信

36、号用光耦隔离，反馈信号用变压器隔离，辅助电源用变压器隔离。过流保护电路采用电流互感器作为电流检测器件，其具有足够的响应速度，能够在MOS管允许的过流时间内将其关断。直流输入过流保护Boost升压全桥逆变负载直流检测交流检测单片机键盘液晶显示图 3.1系统框图3.23.2 主电路设计主电路设计3.2.13.2.1 主电路拓扑主电路拓扑根据本毕业设计的设计要求，主电路由 Boost 升压电路、桥式逆变电路和滤波电路组成。如图 3.2.13LT1D1T2D2LiD DCCC负载T4D4T3D3图 3.2主电路拓扑图3.2.23.2.2 主电路工作过程主电路工作过程直流电源作为Boost电路的输入，经

37、Boost电路升压后得到的直流环电压大概为315V，此电压经桥式逆变电路，得到一系列的脉冲宽度不同的、幅值一样的方波，然后在经过输出滤波环节，则可得到符合要求的交流输出电压(220V50Hz)。3.2.33.2.3 主电路参数设计主电路参数设计1.Boost 变换器中储能电感 L 的设计为了分析问题的方便，把主电路中 Boost 环节抽象出来，并将 Boost 电路的输入、输出电压分别用 Vs和 V0表示，Boost 电路的等效电阻 R 为 250，其等效电路原理图如图 3.3 所示，其中 Vs=48V,V0=315V。LVDVsVCR图 3.3主电路中 Boost 环节等效图Boost 电路

38、工作的基本原理已经在 2.3.1 节叙述了。本节所给出的各点工作电压、电流波形都是建立在上述分析的基础上的，并且其中的参数在上节都有了说明。为了方便推导计算电感上 L 的公式，现给出主要变量的波形如图 3.4 所示。14VgstV2VstVtVstiIsItVLt图 3.4主要参数各点波形按iL在周期开始时是否从零开始，可分为连续工作状态或不连续工作状态两种模式。在连续状态下，输入电流不是脉动的，纹波电流随 L 增大而减小。不连续工作状态，输入电流iL是脉动的。所以在设计 L 时要尽量使电路工在连续状态，这就是设计电感时的要求。在iL连续工作状态，开关周期TS最后的时刻电流I0值，就是下一个T

39、S周期中电流iL的开始值。但是，如果电感量太小，电流线性下降快，即在电感中能量释放完时，尚未达到 MOS 管重新导通的时刻，因而能量得不到及时的补充，这样就出现了电流不连续的工作状态。在要求相同功率输出时，此时场效应管和二极管的最大瞬时电流比连续状态下要大，同时输出直流电压的纹波也增加。下面推导计算 L 的公式。由公式(3-1)和(3-2)可得电感电流在上升时的电流增益和在下降时电流增益分别为：iL1VSLDT，1S15iL2 V0LVSD T2S按在交接处电流相等，即 N 原则有：VDTLS1SV0LVSD T2S化简得电压增益为：M由于忽略损耗有：V0VS11DII1V IV I00SS，

40、V0S0VMS故ISM I0根据在连续与不连续之间的临界状态的条件，它们与Is的关系式为：1i2则有LISISM I0MV和1i1 VSD T。此可推得临界条件为：LR22 L1S0DD 1LR T221110S（3.1）下面进行具体的计算，由公式(3-3)可得：V由又1V1D1S1VDS2Vfs=48V，V0=315 可得D1=0.83=10kHz,可得：TS=100us,同时=250。将上述参数代入公式(3.1)R可得：D1DLRT211120.8310,83250100 0.3mHS222.逆变器的输出电压谐波分析16假定逆变器的直流环电压为Ud，载波三角波的幅值为Uc，则调制比的值为：

41、M2UZ IUUSSCr(3.2)式中：Us为电源输出电压的有效值，Is为电源输出电流有效值，Ur为调制电压的有效值。载波比：N3.2.43.2.4 功率管的选择功率管的选择近年来，金属氧化物绝缘栅极场效应管的制造工艺飞速发展，使之漏源极耐压达 kW 以上，漏源极电流达 50A 已不足为奇因而被广，广泛用于高频功率放大和开关还有电路中。MOS 管具有很低的导通电阻，消耗能量较低，在目前流行的高效 DC-DC 芯片中多采用 MOS 管作为功率开关。但是由于 MOS 管的寄生电容大，一般情况下 NMOS 开关管的栅极电容高达几十皮法。这对于设计高工作频率 DC-DC 转换器开关管驱动电路的设计提出

42、了更高的要求。在低电压设计中有多种 CMOS 采用自举升压结构的逻辑电路和作为大容性负载的驱动电路。这些电路能够在低于1V 电压供电条件下正常工作，并且能够在负载电容 12pF 的条件下工作频率能够达到几十兆甚至上百兆赫兹。本文正是采用了自举升压电路，设计了一种具有大负载电容驱动能力的，适合于低电压、高开关频率升压型 DC-DC 转换器的驱动电路和逆变电路中。MOS 管驱动原理图见图 3.5。ffcr，fc为三角波频率，fr为调制波频率。图 3.5MOS 管驱动原理图17基于系统设计的需要，本设计主电路功率管选用 IRF840。IRF840 是 N 沟道的功率管，其耐压值为 500V，最大电流

43、为 8A,，其技术指标完全达到了本系统设计的要求，其价格低廉，是一种比较实用的功率管。3.33.3 控制电路工作设计控制电路工作设计3.3.13.3.1 辅助电源设计辅助电源设计小型直流稳压电源在当前众多的电子设备中是用途最广、用量最多的一种。本次设计的逆变电源同样也不例外。辅助电源设计的结构图如下图 3.6 所示：J2J3J41 2 3 4 51 2 3 4 51 2 3 4 5+5VPNPb834EE CC781578XX781278XX780578XXr21kINGNDINGNDINGNDOUTOUTOUTb1231231230 r1J121B+c722uf+c822uf3+c922uf

44、c10.33ufc20.1ufc30.33ufc40.1ufc50.33ufc60.1uf5 4 3 2 1J5K21LED1A图 3.6 辅助电源结构图辅助电源主要由 3 个三端固定稳压集成块(7805、7812 及 7815 各一块)。变压器的原边接主电路共模抑制环节的输出端。副边输出电压分别经过桥式整流电路、滤波电路后输出到三端固定集成稳压芯片。然后从集成稳压芯片输出端就能得到直流工作电压。为了进一步提高输出工作电压的质量，在输出端之前加装LC 滤波电路，保障输出符合要求的直流工作电压。3.3.23.3.2 控制电路设计控制电路设计控制电路的框图如图 3.7 所示。单片机光耦驱动器桥式逆

45、变电路Boost升压电路18图 3.7控制电路框图3.3.33.3.3 控制工作过程控制工作过程在本设计的控制电路中，单片机产生 PWM 波形,经过驱动器的驱动后分别工作在 Boost 升压电路和桥式逆变电路的功率管上，控制功率管的导通和截止，从而来控制升压电路和逆变电路的波形和幅值。当然，在单片机和驱动器之间，还必须加入光耦，既能完成单片机信号到驱动器的传输，又能对单片机起到保护作用。3.3.43.3.4 A AVR ATmega128VR ATmega128的介绍的介绍AVR 单片机是 1997 年由 ATMEL 公司研发的增强型内置Flash 的 RIS（Reduced Instruct

46、ion Set Computers）高速 8 位单片机。AVR 的大部分指令可在一个时钟周期内完成。其 I/O 结构的设计使得外部电子元件数量可到达最小化。AVR 有多种频率的内部 RC 震荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，是电路设计变得非常简单，并且内部资源丰富，一般都集成模/数转换器、数/模转换器、PWM、SPI、USART、TWI 通信口和丰富的中断源等。AVRATmega128单片机引脚图 3.8 如下。161514131211109 8 7 6 5 4 3 2 1U1PB6(OC1B)PB5(OC1A)P3B4(OC0)PB(MISOPE7(ICP3/INT7)PB2(MO

47、SI)PE5(OCC1/ISNTK5)P3BCPE6(T3/(INT6)PE4(OC3B/INT4)PE3(OC3A P/B0I(N SSA1)PE2(XCK0/AIN0)(TXD0/PD0)PE1RXD0(PD1)PE0PEN33343536373839404142434445464748PG0(WR)PG1(RD)PC0(A8)PC1(A9)PC2(A10)PC3(A11)PC4(A12)PC5(A13)PC6(A14)PC7(A15)PG2(ALE)PA7(AD7)PA6(AD6)PA5(AD5)PA4(AD4)PA3(AD3)171819202122232425262728293031

48、32PB7(OC2/OC1C)PG3/TOSC2PG4/TOSC1RESETVCCGNDXTAL2XTAL1PD0(SCL/INT0)PD1(SDA/INT1)PD2(RXD1/INT2)PD3(TXD1/INT3)PD4(ICP1)PD5(XCK1)PD6(T1)PD7(T2)AVCCGNDAREFPF0(ADC0)PF1(ADC1)PF2(ADC2)PF3(ADC3)PF4(ADC4/TCK)PF5(ADC5/TMS)PF6(ADC6/TD0)PF7(ADC7/TD1)GNDVCCPA0(AD0)PA1(AD1)PA2(AD2)6463626160595857565554535251504

49、9图 3.8AVR 单片机引脚图AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算数逻辑单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访19问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高 10 倍的数据吞吐率。ATmega128 具有如下特点：128K 字节的系统内可编程 Flash(具有在写的过程中还可以读的能力，即 RWW)、4K 字节的EEPROM、4K 字节的 SRAM、53 个通用 I/O 口线、32 个通用工作寄存器、实时时钟 RTC、4 个灵活的具有比较模式和 PWM 功能的定时器/计数器(T/C)、两

50、个 USART、面向字节的两线接口 TWI、8 通道 10 位 ADC(具有可选的可编程增益)、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI 串行端口、与IEEE 1149.1规范兼容的 JTAG 测试接口(此接口同时还可以用于片上调试)，以及六种可以通过软件选择的省电模式。空闲模式时 CPU 停止工作，而 SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态；ADC噪声抑制模式时 CPU 和所有的 I/O 模块停止运行