基于集成触发器的电源逆变器的设计与实现红兰.docx
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基于集成触发器的电源逆变器的设计与实现红兰
毕业设计[论文]
题目：
基于集成触发器的
电源逆变器设计与实现
系别：
电气与电子工程系
专业：
电气工程及其自动化
姓名：
蒋红兰
学号：
1214040209
指导教师：
张艳丽
平顶山工学院
2008年6月2日
摘要
当铁路、冶金等行业的一些大功率非线性用电设备运行时，将给电网注入大量的谐波，导致电网电压波形畸变。
根据实践检测数据，在电网电压发生畸变时，电压会出现正负半波不对称，频率也会发生变化。
这样的供电电压波形，即使是一般的电力用户也难以接受，更无法用其作为检修，测试的电源。
同时，在这种情况下，一般的稳压电源也难以达到满意的稳压效果。
本文设计的基于集成触发器的逆变电源属于交流电源（AC-DC-AC逆变）。
其主电路构成采用的是Boost电路和IGBT全桥电路的组合。
控制电路采用了2片集成脉宽调制电路芯片，一片用来产生PWM波，另一片与正弦函数发生芯片ICL8038做适当的连接来产生SPWM波。
集成芯片比分立元器件控制电路具有更简单，更可靠的特点和易于调试的优点，以提高逆变电源工作的可靠性和性能指标。
关键词：
逆变器正弦脉宽调制IGBT
Abstract
Whentherailway,metallurgicalindustriesofanumberofnoon-linearhigh-powerelectricalequipmentoperation,thegridwillinjectalargenumberofharmonics,leadingtovoltagepowergridwaveformdistortion.Accordingpracticeoftestingdata,adistortioninthepowergridvoltage,thevoltagewillappearpositiveandnegativehalf-waveasymmetry,thefrequencywillchange.Thissupplyvoltagewaveform,evenifageneralpoweruserisdiffculttoaccept,cannotbeusedmoreasapowerformaintenanceortest.Inaddition,insuchcircumstances,thegeneralpowersupplyisalsodifficulttoachievesatisfactoryregulatorsresults.
Inthispaper,thedesignofintegratedflip-floponthepowerbelongstoACpowerinverter（AC-DC-ACinverter）.ThemaincircuitisusedBoostcircuitandthecombinationoffull-bridgecircuit.ControlcircuitadoptedthetwoPWMintegratedcircuitchips,oneusedtogenerateaPWMwave,anotherfilmwithasinefunctionchipICL8038tomaketheappropriateconnectionstogenerateSPWMwave.Integratedchipleadlegislaturecontrolcircuitcomponentsofamoresimple,morereliableandeasytodebugthecharacteristicsoftheadvantagestoimprovethereliabilityofthepowerinverterandperformanceindicators.
Keywords:
InverterSPWMIGBT
第1章概述
1.1现代电源发展概况
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，功率集成技术己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—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、有源箱位、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，实现功率因数近似为1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）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。
（2）UPS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SPWM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SPWM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SPWM控制技术，基本上能解决非线性负载的响应很的缺点，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。
（3）工业电源的发展
变频电源。
随着交流调速的广泛应用，变频电源显得越来越重要。
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达国家相比。
现国内80%的变频电源依赖进口。
电子焊接电源。
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。
（4）直流开关电源
随着现代科技的发展，各类电气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己取代了老式电源。
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，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。
（5）软开关—PWM功率变换器
六十年代开始得到发展和应用的PWM功率变换技术是一种硬开关技术。
此种功率变换器的开关频率不宜太高，否则开关损耗太大，变换效率大大降低。
提高开关频率是开关变换技术的重要发展方向之一。
随着电力电子器件的不断发展和应用，电源技术朝着研究开发高频软开关技术方向发展。
所谓“软开关”是指零电压开关（ZVS）或零电流开关（ZCS），它是应用谐振原理，使开关变换器的器件电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时，使器件关断;电压过零时，使器件开通，从而使器件开关损耗为零，大大提高变换效率。
在七十年代到八十年代中软开关技术主要以串（并）联谐振技术和准谐振、多谐振技术为主，它的特点是开关频率恒定，所以当输入电压或负载变换时，为保持开关变换器输出电压基本不变，只要改变它的占空比，是一种恒频率控制方式，比较简单。
它虽然用了软开关技术，但是其输出电压和频率有关，为保持输出电压在各种运行条件下基本不变，必须调制频率，即采用变频控制。
控制方式不如PWM简单。
因此，八十年代后期和九十年代开发了能实现恒频控制的软开关技术，即ZCS（或ZVS）PWM变换技术。
从而大大提高了电源变换效率，减小了开关损耗，使得开关频率不断提高。
（6）分布电源技术的发展
分布式电源是在集中式电源基础上发展的一种系统供电形式，八十年代中期在国外数字供电系统中首先使用，被认为是数字系统供电的革新。
分布电源是指在一个数字系统中的每一块PCB板或模块都有自己的靠近其负载点的DC/DC转换器，分布式电源目前应用最广的是通讯、雷达等系统。
分布式电源是将220V或380V的交流电经过AC/DC转换变成直流后，再经DC/DC变换成低压直流电源作为中间模块，每块负载板再按照所需要的电压、电流等级选用合适的中间模块。
分布电源一般都采用高频开关方法，它的效率、体积及抗干扰性与原来的集中式供电相比均有很大的提高，是今后通讯等设备供电系统的发展方向。
（7）功率因数校正技术
传统的AC/DC变换技术易使网侧功率因数降低和向电网注入谐波电流，产生电力公害。
为了克服这一问题，过去常采用一种被动式解决方法，即根据电网的无功功率和谐波情况进行补偿，例如用无功补偿器（SVC）、无功发生器（SVG）、无源电力滤波器、有源电力滤波器等。
进入七十年代后期，随着电力电子器件的高性能化，拓扑电路的创新，使得有源功率因数校正技术得以快速发展，除了能将电网中的无功功率和谐波进行补偿外，还将使电网进入潮流可以灵活控制的新阶段；特别是进入八十年代，中等容量的有源电力滤波器，已成为用电单位电网入口处谐波综合治理的一个重要部件。
目前在大容量电源装置中，实施功率因数校正技术已成为国际电力电子学界研究的热门话题，特别是九十年代以来，有关这方面的研究文章不断增加。
限制用电设备从电网吸收无功功率和谐波电流，进一步促使功率因数校正技术向广度和深度方向发展。
应该说，目前国内在这方面的研究工作，特别是三相功率因数的校正技术，还处于研究、开发和完善过程中。
随着电力，通信等事业的飞速发展，交流电源的应用越来越广泛，于是性能稳定，可靠性高的逆变器的作用越来越突出。
但是随着越来越多非线性负载的使用，供电质量变得越来越差；而随着各种用电设备或单元的数字化.信息化和多样化发展，需要的电源种类.等级和质量要求却不断提高。
因此，更需要对电能进行高质量的变换。
而逆变技术就是将直流电能变换成交流电能的技术，可以满足现在很多产品和电气设备的要求的不同电能形式。
最重要的一点逆变技术是高效节能低耗技术，因此在世界能源短缺的今天，逆变技术更显其强大的生命力和不容置疑的发展前景。
目前逆变技术正由传统脉宽调制硬开关技术和频率调制谐振技术转向脉宽调制软开关技术。
上世纪50年代，随着脉宽调制硬开关技术的出现，揭开了逆变技术发展的序幕。
许多国家就争先致力于功率电子器件、磁性材料、控制集成芯片和电路拓扑等方面的研究。
脉宽调制硬开关技术经过上世纪60年代的成长期、上世纪70年代的发展期和上世纪80年代的成熟期，迄今为止，已经获得了最广泛的应用。
本设计基于集成触发的电源逆变器设计与实现中控制电路采用SPWM技术来实现的研究有很大的现实意义。
1.2本文所做的工作
如前所述，自从70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。
本文研制的逆变电源就是针对上述场合而设计的。
其主电路采用Boost电路（DC—DC）和全桥式逆变电路（DC—AC）的组合。
控制电路由2片集成脉宽调制电路芯片SG3524，一片用来产生PWM波，另一片和正弦函数发生芯片ICL8038做适当的连接产生SPWM波，提高逆变电源工作的可靠性和性能指标。
第2章逆变器的工作原理
2.1逆变器的分类
逆变器的分类方法多种多样，以下是几种不同分类方法：
（1）按照直流电源性质，可分为电压型逆变器和电流型逆变器两大类。
逆变电路的直流侧是电压源的，属于电压型逆变器。
电压型逆变器在直流侧接有储能电容器，用于稳定直流电压。
直流侧是电流源的属于电流型逆变器。
电流型逆变器在直流侧接有储能电感，用以稳定直流电流。
（2）按照输出相数，可分为单相逆变电路和三相逆变电路。
（3）按照输出波形，可分为正弦波逆变器和非正弦波逆变器。
（4）按照电路结构，可分为半桥式逆变电路、全桥式逆变电路和非桥式逆变电路。
（5）按照使用的功率器件，可分为半控器件电路和全控器件电路。
2.2桥式逆变器基本原理
图2—1示出了桥式变换器的主电路。
桥对角的两个功率IGBT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）占空比值均相等。
图2—1桥式变换器的主电路图
在给T1、T3加触发脉冲，这两个IGBT管导通，电流流过T1的集电极，经过输出滤波电路回到T3的集电极。
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IGBT管导通，但不能立即导通，先经过D2、D4续流，等电流下降到零时再开始导通。
另外，这四个二极管还有限制过电压的作用。
改变驱动脉冲的频率，即可改变两组桥臂上的功率开关T1~T4开关变换频率，直流电变换为交流电，完成了DC—AC变换。
2.3逆变器输出电压控制方法
在各种逆变电路在实际应用中，根据负载的特性的不同，除要求频率可控外，还要求逆变器的输出电压、功率能够根据需要进行控制，逆变器输出电压控制原理如图2—2所示。
AC
图2—2逆变器输出电压控制方式
其中图2—2（a）为交流调压不控整流方式，逆变电路仅改变输出频率，输出电压的改变通过改变直流供电电压来实现，而直流电压的改变则由调整交流电压的方式来实现。
图2—2（b）为可控整流调压方式，用可控整流电路改变供给逆变电路的直流电压实现控制逆变电路输出电压的目的。
图2—2（c）斩波调压方式，在整流后通过斩波电路来改变供给逆变电路的直流电压。
图2—2（d）为脉冲宽度调制（PWM）方式。
它的调压、调频均由逆变电路完成，是一种比较理想的方式。
前三种方式的逆变电路仅负责频率的改变，自身电路均不负责输出电压的调节。
另外，前面介绍的逆变电路输出电压或电流的波形近似为矩形波，其中含有大量谐波成分，而一般希望输出电压为正弦波，谐波含量越少越好，采用脉冲宽度调制（PWM）方式可以比较方便地实现这一目的。
综上所述PWM控制方式的优点，本设计中逆变器的控制方式将采用PWM控制方式。
2.4PWM波形的基本原理
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，仅在高频段略有差异。
例如图2—3a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，图2—3a为矩形脉冲，图2—1b为三角形脉冲，图2—3c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于l，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—3d的单位脉冲函数δ（t）时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。
（d）
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—4a所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由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π/N，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—4b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。
对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。
像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM（SinusoidalPWM）波形。
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—4PWM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PWM控制的要求。
当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。
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—5所示。
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波形也是在两个方向变化的，这时称为双极性PWM控制方式，如图2—6所示。
Uof
Uof
2.5PWM型逆变电路的控制方式
在PWM逆变电路中，载波频
与调制信号频率
之比
。
根据载波和信号波是否同步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。
（1）异步调制
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。
在异步调制方式中，调制信号频率
变化时，通常保持载波频率
固定不变，因而载波比N是变化的。
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
周期的脉冲也不对称。
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
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，半周期内的脉冲数减少，输出脉冲的不对称性影响就变大，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，在采用异步调制方式时，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较大的载波比，改善输出特性。
（2）同步调制
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。
2.6SPWM波形的生成方法
正弦脉冲宽度调制波产生的方法大体上说有三种：
一种是采用模拟电路产生；一种是采用专用集成电路产生；另一种是由微型计算机直接产生。
（1）采用模拟电路生成SPWM波形
按照SPWM产生的原理，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，比较器来确定她们的交点，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波形。
这种方法的实时性好，但其电路复杂、可靠性低，灵活性差，输出波形优化困难。
（2）直接采用专用集成电路产生SPWM波形
采用集成电路产生SPWM波的方法简单可靠，方便易行。
目前许多厂商都开发研制了多种类型的专门产生单相或三相SPWM信号的集成电路，例如应用极为广泛的单相PWM发生器集成电路TL494和SG3524等；以及用于三相SPWM的专用集成电路HEF4752和SLE4520等，采用集成芯片可以简化硬件电路，降低成本，提高可靠性。
（3）采用微处理器的SPWM波形控制
SPWM波形的生成和控制也常采用微机来实现。
采用软件来生成SPWM波形的基本算法有自然采样法、规则采样法、低次谐波消去法。
第3章集成触发器的电源逆变器的硬件部分设计
3.1系统组成
图3—1示出了系统主电路和控制电路框图。
交流输入电压经过共模抑制环节后，再经过工频变压器降压，然后整流得到一个直流电压，此电压经过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350V（50Hz/220V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
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