闭环自激型逆变器设计要点.docx

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闭环自激型逆变器设计要点

闭环自激型逆变器设计要点

1．设计任务

设计一个能够输出100V/60Hz的正弦交流电源变换器，其输入电源标准为220V/50Hz。

该电源变换器的输出功率要求在500W以上，总谐波失真小于10%，输出电压中基本无直流成份。

在输入电源电压波动10%以内的条件下，输出电压波动也要小于10%。

2．闭环自激逆变电路

由于上述逐级变换的逆变电路不便于进行瞬时反馈，难以克服非线性失真缺陷，造成有严重的谐波失真，或者说是波形畸变。

这也是开环电路共有的弊端。

闭环自激型逆变电路由于闭环反馈的作用，可以输出失真度很小的正弦电压。

只是在电路结构上并没有独立的PWM电路，而是将PWM熔合于整个闭合环路中。

本文所述的闭环自激型逆变电路组成的基本思想是根据输出电压大小和输入调制电压进行比较，形成自激振荡，直接控制脉冲宽度。

其原理结构如图3-23所示。

由于无独立PWM电路，电路结构显得更简单。

图3-23闭环自激型全桥逆变电路

图3-23所示闭环自激型全桥逆变电路采用IR2111芯片驱动，实现了四个独立驱动脉冲输出。

IR2111的脉冲信号传递关系为：

2端（IN）高电平时，7端（HO）高电平，4端（LO）低电平，也就在于是IN与HO的脉冲同相位。

波形曲线关系如图3-24所示。

从波形相位关系上可以发现，HO与LO脉冲间无死区时间，容易造成半桥电路的上下管同时导通不良状态，这也是该电路的一大缺陷。

因此，特别要注意选择高速开关管，并且，加入缓冲电路加以弥补。

IN

HO

LO

图3-24IR2111芯片脉冲传递的相位关系

该闭环自激型全桥逆变电路的PWM调制频率基本上由R1、R2、C15、C19、L5五个元件的参数决定，是属于延迟负反馈振荡电路结构。

当然，电压比较器正反馈网络R3、R4决定的滞回电压大小也会影响振荡频率。

因为R1、R2二个电阻的比值还要控制输出正弦电压的幅度，一般是通过调整C15的容量来改变振荡频率。

IR2111芯片需要提供两套电源电压：

HO端口输出的需要一套独立的电源电压VB，加在8、6脚之间；其他电路用另一套电源电压VCC，加在1、3脚之间。

一般在电路设计中为了简单化，VCC采用辅助电源供电，而VB则是采用电压自举方式从VCC取电。

D3、C5、C7就是一个自举取电电路，功率电路的功率管反复处于通、断交替状态，当半桥功率电路中Q2管导通时，15V辅助电源通过D3和Q2对电容C5、C7充电，当Q2关闭时C5、C7上的电压悬浮，维持对HO输出电路的供电。

同样，D4、C6、C8是另一块芯片的自举取电电路。

辅助电源采用15V电压，是基于功率场效应管栅极激励需要近15V的电压而确定的。

两套电源之间的电压差只要不超过600V，都能够安全工作。

输出正弦电压的幅度由全桥功率电路的供电电压大小限制，一般全桥功率电路的供电电压要比输出的正弦波峰值电压高10V左右。

全桥功率电路的供电电压由另外一套电源电路提供，参考下一节的说明。

给定足够大的功率电路供电电压后，输出正弦电压的幅度还可以由R1、R2二个电阻分压比调整。

3．60Hz正弦振荡电路

60Hz正弦振荡器采用RC文氏振荡电路结构，如图3-25所示。

其中的R26、R28用作频率微调，振荡信号输出的峰峰值控制在8.0V。

电路中元件的取值计算如下：

振荡频率

若C2取为0.1μF，R25可取为27kΩ，R26可取为0Ω。

图3-25RC文氏振荡电路

根据关系

式

以及

计算，

可以得到

。

当voPP=8.0V时，R30=0.65R29，R9=0.82R29。

如果要输出50Hz的正弦波，只要将此振荡电路频率必为50Hz即可。

如果把此频率连续可调，就成为了一个变频电源。

如果将振荡电路改为放大电路，从外界输入音频信号，就成为了一个D为功率放大器。

可见，有些名称不同的电子装置的实际上核心技术是共同的。

4．输出滤波电路

一般逆变器的输出频率与调制用脉冲频率相比，相差较大，可以采用结构比较简单的二阶LC滤波电路，但图3-26中的LC电路实际是起到延时作用，滤波电路还需要另加。

滤波器截止频率并无严格要求，对应L、C参数也可以有一个比较宽的变化范围。

脉冲频率fs计划为20kHz以上，用60Hz正弦进行调制。

因此，在输出脉冲信号中包含了60Hz和nfs（n为自然数）频率成分。

当正弦调制波略有失真时，会含有120、180、240Hz等60Hz的低次谐波。

若将截止频率确定为1k-2kHz，可以避免出现谐振现象，有效分离调制频率和载波频率。

图3-中电感L和电容CP组成最简单的低通滤波电路，按谐振于1kHz附近计算，在额定负载（RL=25Ω）下Q值约取为2.0。

滤波元件参数计算参考第二节。

滤波电容的耐压在250V以上。

为了增大载流能力，应该采用多个电容器并联而成。

其中ω=2πf=6280rad/s。

图3-20（b）中电阻电容参数的等效关系为：

对于纯串联电路，

，

。

由此可计算得到：

L=1.6mH，CP=12.7μF。

计算过程：

图3-21逆变器输出滤波器器特性曲线

显然，当负载减轻，即RL增大时，Q值会有所增加。

当有害谐波能量不大时，无大碍。

当有害谐波能量不能忽略时，要采取必要措施加以限制。

当RL=100Ω时，

，

滤波电感的绕制

采用φ0.7mm漆包线在φ27铁硅铝磁环上均匀密绕41匝，实际电感量为126μH。

与0.1μF电容滤波电路，谐振频率约为45kHz；与1μF电容滤波电路，谐振频率约为14kHz。

5．直流高电压的获取

通过SPWM调制，可能将高压直流电转换成正弦交流电输出，而且，直流电压值直接决定了所输出的正弦交流电压制峰值大小。

这一直流高电压值应该稳定，并且能够提供足够大的电流。

对于不同的给定条件，有不同的获取方法。

5.1．从低压直流电升到高压直流电

如果给定的输入条件是低压直流，如在蓄电池供电环境下，只能从低压直流电升为高压直流电。

从低压直流电升为高压所采用的最基本的电路是Boost电路，如图3-27所示。

先是K导通给电感L储能，接着K关闭，电感所储存的能量通过二极管D向电容转移，使电容获得电压。

如果流经K的平均电流大于负载电流，则电容上的电压会高于输入电压。

图3-27升压电路工作原理

在实际升电压电路中，一般用场效应管或IGBT元件作为开关元件替代K工作。

开关元件要有足够的载流能力，电感要有足够的储能能力。

这类升压电路最主要的组成有四个部分：

PWM控制电路、储能电感、开关元件、整流二极管。

图3-28是一个典型的实际升压电路，由TL3842PWM芯片控制。

图3-28DC升压电路

根据功率守恒关系Pin=Po+P内，VinIin=VoIo+P内，决定升压能力。

其中P内是电路自身消耗的功率，不要消耗在开关管和整流管上，一般所占比例较小。

例如：

从24V蓄电池上取电，输出200V电压100W功率，输入功率一般应该达到140W以上，平均电流约为6A，理相状态下的峰值电流为12A，实际值还要再大一些。

，

5.2．从交流电源整流获取直流电

图3-31基于UC3854的PFC电路原理图

6．电源变换器的制作与测试

完整的正弦逆变电路的规模比较大，可以分为三块电路板安装，其中一块电路板是正弦逆变电路，另一块电路板是PFC电路。

这两块电路功能相对独立，自成系统。

第三块电路板是低压供电电源电路，主要是提供+15V直流电压，用于控制电路的供电。

6.1正弦逆变电路的装配流程

各单元电路间的参数有一定依赖关系，电路的装配需要一个合适的流程。

比如在主调制电路的相关电压变化范围确定后，才能确定电平的平设定值。

因此，一般先装配IC4为核心的主调制电路，再装配脉冲反相电路，然后IC3为核心的PWM电路，设定相关直流电平。

测试他们的脉冲输出正常后，装配脉冲驱动电路、脉冲功率电路等。

6.2.闭环自激逆变电路的装配与调整

安装时将电路板分别对照各自的原理图，逐个安装其元件。

部分可省略元件无需安装，注意临时改动的线路位置.场效应管的漏极都通过磁珠接入电路。

二极管、场效应管、集成电路、电解电容等都有极性，注意不能错装。

图3-36逆变电路板顶视图

装配前首先对照原理图和线路图，弄清楚相互间关系，认清元件位置，从小器件到大器件逐个安装。

原理图见附件六。

其中RC正弦波振荡电路中的正反馈器件暂缓装配，使电路能够工作在稳定电压状态，便于调整。

完成装配后在输入端加入各路电压，用示波器测试电压比较器输出的电压波形，应该呈现出脉冲波形，读出其振荡频率。

测试点可以选择在电阻R3上。

装配输出低通滤波电路

低通滤波器中的电感在φ（40-24）×15mm的黄白色铁粉芯上用1.0mm漆包线密绕140匝（104+36），如图3-37所示。

其电感量为1.92mH，配合5.2μF无极性电容，谐振频率约为1.6kHz，介于开关频率与正弦输出频率之间。

当加上100Ω负载时，品质因数为5.2。

功率电路与低通滤波器之间必须连接隔直流电容，电容耐压在250V以上，电容量在2000μF以上。

图3-37逆变电路初期试验图

7．思考题

1）输出负载呈感性时，对输出滤波电路参数计算有什么影响？

2）逆变电路与音频D类功率放大器有什么关联？

逆变电路测试

目的：

对所装配的电路进行通电检查，排除故障，达到可用状态。

步骤：

1、检查闭环振荡工作情况

（1）在正弦信号未输入时（拆除R27或R28），用示波器测量电压比较器的输出端（1端口）电位和半桥电路输出点的电位。

（2）两个半桥输出点的电位是否相等。

调整电位器R22至两个电位相等，约为供电电压的一半。

（3）用示波量测量电压比较器反相端2脚电位波形

2、测量逆变情况

（1）在闭环振荡正常之后，恢复正弦振荡，测量正弦振荡电路的输出波形。

（2）用双踪示波器三波形显示功能测量逆变器输出口的逆变波形。

附录四：

闭环自激式交流电源变换电路元件清单

Comment

Designator

Footprint

型号/规格

Value

数量

电容

C1,C2

R3

Cap2

100uF

2

C3

RAD-0.3

Cap

0.01uF

1

C4,C16

0805

Cap

0.1uF

2

C7,C8,C15

0805

Cap

0.01uF,220pF

3

C5,C11,C13,C18

R3

CapPol1

22uF,220uF,470uF

4

C6

CAPPR5-5x5

CapPol1

220uF

1

C9

RC0.2

Cap

620P

1

C10,C12,C14

RAD-0.2

Cap

620P

3

C19,C20

RAD-0.4

Cap

620P

2

稳压二极管

D1,D2

DIO7.8-4.6x2

2.1V

2

二极管

D3,D4

DIODE-0.4

Diode1N914

2

集成芯片

IC1

P008

LM358

1

IC3

626-05

LM393AN

1

IC4,IC5

SOP-8

IR2111

2

电感器

L1,L2

AXIAL-0.3

Inductor

10uH

2

L5,L6

RC0.3

Inductor

1mH

2

功率场效应管

Q1,Q2,Q3,Q4

SFM-T3/A4.7V

NMOS-2

4

电阻器

R1,R35,R36,R37,R38

0805

Res2

39k

5

R8,R19

0805

Res2

10k

2

R9,R26,R27,R29,R30

0805

Res2

1K,6.8k,8.2k

5

R7,,R25

0805

Res2

20k,27k

2

R2

AXIAL-0.4

Res2

150k

1

R3

AXIAL-0.4

Res2

1M

1

R4

AXIAL-0.4

Res2

5.1k

1

R5

AXIAL-0.4

Res2

300

1

R6,R23,

AXIAL-0.4

Res2

10k,20k

2

R31,R32,R33,R34

AXIAL-0.4

51

4

R11,R12,R15,R16

AXIAL-0.4

Res2

10

4

R24

0805

Res2

10k

1

R28

AXIAL-0.3

Res2

27k

1

R40

AXIAL-0.6

Res2

0.1

1

微调电阻

R22

VR5

RPot

5k

1

附录六：

闭环自激型交流逆变电路原理图

闭环自激型交流逆变电路原理图