单相恒压恒频逆变器的设计综述.docx

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单相恒压恒频逆变器的设计综述

毕业设计

单相恒压恒频逆变器的设计

学生姓名：

****学号：

*********

系别：

电气工程系专业：

电气工程及其自动化

指导教师：

******评阅教师：

论文答辩日期

答辩委员会主席

摘要

随着现代科学技术的迅速发展，逆变电源的应用越来越广泛，各行各业对其性能的要求也越来越高。

单相正弦逆变电源是将直流电逆变成单相交流电的装置，它可将蓄电池逆变成交流电，为用电器提供交流电，也可作为计算机的UPS电源等。

本文首先介绍了逆变电源技术的应用与发展，分类与性能，及其控制技术。

并在此基础上进行了方案论证，选取了合理的方案，以实现将12V直流电源升压为320V/50kHz的高频交流电，再经过整流滤波将高频交流电整流为高压直流电，然后采用正弦波脉宽调制法，通过脉冲控制IGBT的导通时间及顺序生成PWM波形，最后经过LC工频滤波电路，输出稳定的220V/50Hz标准正弦波电压，以达到供负载使用的目的。

本文基于已选定方案为前提进行了各部分电路的设计与分析，完成了主电路及相应的输入输出保护电路的设计，并进行了参数计算，分别简要介绍了各部分的原理，阐述了产生SPWM波的实现办法，以及基于DSP的系统软件设计和实现方案。

同时利用MATLAB建立了单相逆变器的仿真模型，对其进行了仿真和实验，从各种情况下的试验结果可以看出，通过该逆变电路而得到的单相正弦波稳定性高且失真度小，设计成功。

关键词：

逆变电源，整流，滤波，正弦脉宽调制

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmodernscienceandtechnology,theapplicationofinverterpowersupplyismoreandmoreextensive,andtherequirementofallwalksoflifeonitishigherandhigher.Single-phasesineinverterpowersupplyisthedevicewhichcanreverseDCintosingle-phaseACpower.ItcanreversethebatteryintoACwhichcanbeusedbyappliances,anditcanalsobeusedasthecomputerUPSpowersupplyetc.

Thispaperfirstintroducestheapplicationanddevelopmentoftheinverterpowersupplytechnology,itsclassificationandperformance,anditscontroltechnology.Onthisbasis,thedemonstrationprogramhasbeendone.Itselectsthereasonablesolutiontoachievethe12VDCpowersupplyboostingfor320V/50kHzhighfrequencyalternatingcurrent,whichtherectifierfilterwillrectifyitforhighvoltageDC.ThenusetheSPWMmethodtocontroltheconductiontimeandsequenceoftheIGBTbyoutputtingPWMwavesgenerated,finally,afterLCindustrialfrequencyfiltering,theoutputofthestable220V/50Hzquasi-sinewaveofvoltagewillachievethepurposeofloaduse.

Basedontheselectedprogram,thispaperhasdonethedesignandanalysisofeachcircuitandhascompletedthedesignofthemaincircuitandthecorrespondinginputandoutputprotectioncircuitsandparametercalculation.Theprincipleofeachparthasbeenbrieflyintroduced,therealizationmethodofproducingSPWMwaveandthesystembasedonDSPsoftwaredesignhavebeenelaborated.

AtthesametimeuseMATLABestablishedasinglephaseinvertersimulationmodelforthesimulationandexperiment,fromallkindsofcasesofthetestresultscanbeseenthroughtheinvertercircuitsandgetsingle-phasesinewavehighstabilityanddistortiondegreeofsmall,thedesignissuccessful.

Keywords：

Inverterpowersource,rectification,filter,SPWM

1绪言

1.1课题背景

在早期的逆变器，只要其输出不断电、稳压、稳频即可，同时由于硬件水平的限制，大都采用模拟器件控制。

传统模拟控制存在许多缺陷，如成本高、可靠性较低、效率低、控制系统一致性差等问题。

随着社会的进步，科学技术的发展，各行各业对控制技术的操作性能要求越来越高，许多行业的用电设备不再是直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能，而是通过各种形式的变换，得到各自所需的电能。

逆变就是对电能进行变换和控制的一种重要形式，它完成将直流电变换成交流电的功能。

现代逆变技术已被广泛的用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。

具体来说，逆变技术的应用主要在于两大类：

一种是主要用于UPS电源、航空机载电源和机车辅助电源等的恒压恒频逆变器，这是一种当负载或直流电源在一定范围内波动时，能保持输出为恒定电压和恒定频率的交流正弦波的电源装置。

另一种是主要用于交流调速系统中的变压变频逆变器，这是一种可获得所需要的电压、电流和频率的交流变压变频装置。

逆变电源越来越多的应用及其现代工业中的重要位置，使得逆变技术得到了国内外广泛的关注。

20世纪90年代，随着电机控制专用DSP的出现，逆变电源的全数字控制成为现实。

出现了更先进、更复杂、更智能的数字化控制逆变器。

可在线修改控制算法，不主要依赖硬件电路，能够输出电压与频率更加稳定的正弦波交流电，至此，正弦波逆变器技术已日趋完善。

1.2逆变器的性能分析

逆变器的性能指标很多，包括稳态精度，动态性能，其中最重要的是输出信号的波形质量。

实际逆变器的输出电压波形中除基波外还含有谐波，为了评价逆变器输出电压波形的质量，有以下几个性能指标：

谐波系数HF，总谐波系数THD，畸变系数DF，最低次谐波LOH[1]。

其中总谐波系数最为常用，表征了实际波形同其基波分量差异的程度。

输出为理想正弦波时，THD为零。

同时，实现输出信号无误差地跟踪输入给定信号，提高稳态精度，当负载切换或变化，存在扰动时，实现输出信号快速达到稳态，也是相当重要的指标。

单相SPWM逆变器，会引起波形畸变，影响逆变器性能的主要因素有：

（1）SPWM驱动波形的死区影响：

在逆变器的工作过程中，为了防止某些时刻逆变器桥臂上、下开关管直通引起电路中电流过大烧坏元器件，一般都要在两管的开关信号中插入一段死区时间，死区的存在相当于在输出电压上叠加了一系列电压脉冲，此电压脉冲里不仅含有基波分量，而且还含有大量的谐波分量，因此死区的存在不仅会影响输出基波电压的幅值和相位，又会使输出电压波形发生畸变。

（2）非线性负载影响：

由于非线性负载含有非线性元件，即使负载上的电压为纯正弦，输出电流仍然含有大量谐波。

考虑到逆变器的等效输出阻抗不可能为零，谐波电流在等效输出阻抗上会产生谐波压降，从而导致逆变器输出电压的波形发生畸变。

（3）此外，输出滤波器能否有效地滤除高次谐波，其参数设计的好坏也决定着输出波形的好坏。

逆变器的性能指标除输出波形质量外，还包括：

逆变效率，单位重量（或单位体积）输出功率，可靠性指标，逆变器输入直流电流中交流分量的数值和脉动频率，以及电磁干扰及电磁兼容性。

1.3逆变器数字控制技术

从前面控制技术的发展可知，现代的处理芯片运算速度及性能不断提高，使一些先进的数字控制技术应用于逆变电源的控制成为可能。

逆变器的数字控制技术发展到今天，出现了多种逆变器离散化控制方法，包括数字PID控制、状态反馈控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制[2]以及神经网络控制等，有力地推动了控制技术的发展，下面简单介绍几种数字控制方法的特性及优缺点：

数字PID控制：

可以使控制过程快速、准确、平稳，具有良好的控制效果；而且其设计过程中不过分依赖系统参数，控制的适应性好。

但是，在采样频率不够高的情况下，系统的采样量化误差会降低算法的分辨率，使得PID调节器的控制精度变差，同时采样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后的系统，造成PID调节器的设计困难，稳定域变小。

无差拍控制：

在理想状态下，输出能够很好地跟踪给定，波形畸变率很小，而且不依赖开关频率，即使在很低的开关频率下，也能够保证输出波形的质量。

但是，由于采样和计算时间的延迟，无差拍控制输出脉冲的占空比受到很大限制；而且这种控制策略对系统参数的变化反应灵敏，系统的鲁棒性差。

重复控制：

专门克服死区、非线性负载引起的输出波形周期性畸变，其基本思想源于控制理论中的内模原理，能使逆变器获得低THD的稳态输出波形。

但是控制实时性差，动态响应速度慢，一般都不单独使用来完成逆变器的控制。

此外还有状态反馈控制，滑模变结构控制，模糊控制，神经网络控制等，每一种控制方法都有其特长，但都在某些方面存在某些缺点。

因此，各种控制方法互相结合，优势互补，结合成复合的控制方案是一种必然的发展趋势。

1.4逆变器的分类

现代逆变技术的种类很多，可以按照不同的形式进行分类[3,4]。

其主要的分类方式如下：

（1）按逆变器输出交流的频率，可以分为工频逆变、中频逆变和高频逆变。

本文输出交流为工频50Hz。

（2）按逆变电路结构的不同，可分为单相半桥，单相全桥，推挽式，三相桥式逆变器。

（3）按逆变主开关器件的类型及其关断方式的不同，可分为全控型开关的自关断换流逆变器和采用晶闸管半控型开关的强迫关断晶闸管逆变器。

（4）按直流电源的类型，可分为电压型逆变和电流型逆变。

电压型逆变器将输入的直流电压逆变输出交流电压，电流型逆变器的输入端串接有大电感，形成平稳的直流电流源，经过逆变输出交流电流。

（5）按输出电压或电流的波形，可分为恒频恒压正弦波逆变器和方波逆变器，变频变压逆变器，高频脉冲电压（电流）逆变器。

除以上基本的分类外，还可按逆变器输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。

按逆变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变，定频硬开关式逆变和定频软开关式逆变。

本文要研究对象是单相全桥式SPWM逆变器。

1.5本文主要研究内容

本文介绍了逆变电源技术的研究现状，应用和发展，对比分析了不同控制方案与逆变方案的优缺点。

然后以单相全桥逆变电路为研究对象，以期达到输入为12V的直流电，通过逆变使其输出端为工频正弦波电压（220V/50Hz）。

2方案论证

单相逆变电源是将直流电逆变成单相交流电的装置，可将蓄电池逆变成交流电为用电器提供交流电，也可作为计算机的UPS电源。

该单相逆变电源先将直流电通过输入逆变电路逆变成交流电，然后用高频变压器升压；升压后的交流电整流后再通过输出逆变电路进行SPWM调节，使输出为工频220V正弦波电压。

输入逆变电路控制采用专用芯片，输出逆变电路SPWM控制及逆变电源的各种保护采用单片机控制。

当蓄电池的电压过高或过低时逆变电源将停止工作并灯光指示报警，保护逆变电源和蓄电池；当蓄电池的电压在正常范围内波动时，输出电压不变；当输出电流过大时，单片机将停止SPWM输出，保护电源的器件。

电源是电子设备的动力部分，是一种通用性很强的电子产品。

它在各个行业及日常生活中得到了广泛的应用，其质量的好坏极大地影响着电子设备的可靠性，其转换效率的高低和带负载能力的强弱直接关系着它的应用范围。

在逆变电源的发展方向上，轻量、小型、高效是其所追求的目标。

本文所介绍的逆变电源电路主要采用集成化芯片，使得电路结构简单、性能稳定、成本较低。

因此，这种电路是一种控制简单、可靠性较高、性能较好的电路。

2.1逆变方案

方案一：

半桥逆变电路。

此电路开关管数量少，只有两只管子，没有同时通断的问题，驱动电路也相对简单，的使用元器件较少成本就相应的低；但是是交流电压的幅值仅为

，电压利用率低，直流侧需要两电容串联，并且需要保证两者电压均衡[5]。

原理图如图2.1：

图2.1半桥逆变电路

方案二：

全桥逆变电路。

此电路有四只开关管，需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关管，难免导致驱动电路复杂。

控制虽相对复杂，但电压利用率较高，在单相逆变中应用广泛，可实现各种控制电路。

如图2.2：

图2.2全桥逆变电路

方案三：

还有推挽式逆变电路。

推挽电路是两不同极性晶体管输出电路无输出变压器（有OTL、OCL等）。

是两个参数相同的功率BJT管或MOSFET管，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务。

电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。

推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。

但电路控制就更为复杂。

综合考虑电能利用率及经济实用情况，本设计采用方案二。

2.2逆变控制方案

全桥逆变器的控制脉冲按调制方式可分为单极性SPWM，单极性倍频SPWM和双极性SPWM三种。

方案一、单极性SPWM，在一定程度上降低开关损耗。

但输出电压只能在0到U或0到-U之间变化，没有极性的交替。

方案二、双极性SPWM的输出电压则可以在U到-U之间变化，变化幅度是单极性的两倍，在开关切换时，负载端电压极性非正即负，电流变化率较大，不过此方法控制简单，应用较为为广泛。

方案三、单极性倍频SPWM调制方式由于比单极性SPWM多一组相位相差180度的三角载波进行比较，它能够在开关频率不变的情况下，使一个周期内正弦波包含的矩形脉冲数“加倍”，从而有利于减小逆变输出谐波。

本系统采用双极性SPWM调制方式。

2.3本章小结

本章主要进行全电路的方案论证，选择了主电路方案，控制电路方案，阐述了SPWM调制双极性，单极性，单极倍频三种类型及其四种实现方法。

在此基础上构建系统的整体框图如图2.3所示：

图2.3系统框图

3SPWM输出

1964年，脉冲宽度调制变频[6]的思想由德国学者A.Schonung和H.Stemmler提出，于1975年由Bristol大学的S.R.Bower成功进行应用。

由于实现脉冲宽度调制变频的主功率电路结构简单、控制容易，可以很方便地实现各种复杂的控制规律，加上近年来高速全控开关器件的大量出现，脉冲宽度调制已开始在逆变器领域的交流传动，UPS电源和有源滤波器中广泛应用，成为逆变技术的核心，受到了人们的高度重视。

PWM技术的理论依据就是“冲量等效”特性。

简言之，当形状不同但冲量相等的窄脉冲电压激励信号施加于具有惯性的对象如低通滤波器时，输出端得到的电压响应基本相同，其差别仅表现在高频成分上。

SPWM是在PWM的基础上，将期望输出的正弦电压波形假想成由一组等宽不等幅的片断组合而成，然后用一组冲量对应相等的等幅不等宽脉冲将它们依次代替，从而在滤波器输出端得到期望的正弦电压波形。

这样的脉冲可以通过控制电子开关器件的通断来实现[6,7]。

3.1SPWM波的基本原理

SPWM调制主要是用于逆变器中实现幅度和频率可调的正弦波电压，是在逆变器输出交流电能的一个周期内，将直流电能斩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。

如图3.1，三角波为载波，正弦波为调制波即为期望输出正弦波，通过比较器将正弦调制波与三角载波进行比较，用比较后的脉冲波形去触发不同的开关管，即可得到一个SPWM波形。

图3.1SPWM调制示意图

SPWM脉冲电压具有与理想正弦电压相一致的基波分量，而且最低次谐波的频率可以提高到SPWM调制频率，即开关频率附近。

因此，当开关频率足够高时，只需要用较小的滤波器就能将其中的谐波滤除掉。

此外，只需改变SPWM脉冲宽度，就可以平滑地调节输出电压的基波幅值。

采用了SPWM技术的逆变器即为SPWM逆变器，它在波形质量和控制性能上相对方波型逆变器有了巨大的进步。

图3.2与正弦波等效的矩形脉冲序列波形

全桥逆变器的控制脉冲按调制方式可分为单极性SPWM，单极性倍频SPWM和双极性SPWM三种。

单极性SPWM的输出电压只能在0到Ud或0到-Ud之间变化，没有极性的交替，双极性SPWM的输出电压则可以在Ud到-Ud之间变化，变化幅度是单极性的两倍，在开关切换时，负载端电压极性非正即负，电流变化率较大，对外部干扰较强，故一般较少使用。

单极性倍频SPWM调制方式由于比单极性SPWM多一组相位相差180度的三角载波进行比较，它能够在开关频率不变的情况下，使一个周期内正弦波包含的矩形脉冲数“加倍”，从而有利于减小逆变输出谐波。

本系统采用双极性SPWM调制方式。

3.2基于DSP实现SPWM

当负载为线性时，传统的比较器，专用集成电路，单片机等产生SPWM波形的方法应用于逆变器中实现幅度和频率可调的正弦波电压，效果勉强可以。

但是当该逆变器带非线性负载时，电压将发生严重畸变，谐波含量增加，严重影响负载的正常工作。

运用DSP我们方便的实现频率很高的SPWM控制信号，从而减小滤波器的尺寸，更好地滤除输出电压中含有的谐波。

而且DSP完全有可能用于逆变器中实现输出电压进行逐点的控制。

本文就是使用DSP来实现SPWM的。

3.2.1SG系列单片机生成SPWM波原理

SG3525A是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。

在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。

由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。

图3.3SG3525管脚图

SG3525A内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。

SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。

在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。

由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。

SG3525A的软启动接入端（引脚8）上通常接一个软启动电容。

上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。

此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。

只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525A才开始工作。

由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上[8]。

当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。

反之亦然。

3.2.2SPWM波生成方法

脉冲波的产生主要由脉冲调宽芯片SG3525A来完成。

根据芯片SG3525A的使用原理，先由集成函数发生芯片ICL8038产生50HZ的正弦波信号，该正弦波分两路输出。

因为SG3525A内部的锯齿波幅度位于1V至3.3V之间，因而产生的正弦波一路经相应的处理后将其幅值调整至1V至3V之间，然后输入以SG3525A，在芯片内部通过与锯齿波比较产生高频的正弦波调宽脉冲。

锯齿波的频率由芯片外接的震荡电阻和震荡电容决定，通常设置为几十千赫兹。

而另一路正弦波则经过处理转化为50HZ的方波作为基准信号，该基准信号与SG3525A产生的高频正弦波调宽脉冲输入与门芯片，最后将与门的输出信号输入两片场效应管专用驱动芯片IR2110，再由IR2110输出高频的调宽脉冲以控制四个场效应管的交替导通，输出的电压在经过LC工频滤波后便可输出稳定的准正弦波供负载使用。

3.3本章小结

本章介绍了PWM技术基本原理，阐述了SPWM调制双极性，单极性，单极倍频三种类型及其四种实现方法。

其中重点介绍了SG3525A生成SPWM波的的原理和生成方法。

4电路设计及参数计算

4.1直流变换电路的设计

直流变换电路由DC/AC和整流滤波电路组成。

电路结构如图4.1，Q1和Q2的基极分别接TL494的两个内置晶体管的发射极。

中心器件变压器T1，实现电压由12V脉冲电压转变为320V脉冲电压。

此脉冲电压经过整流滤波电路变成320V高压直流电压。

变压器T1的工作频率选为50KHz左右。

电路正常时，TL494的两个内置晶体管交替导通，导致图中晶体管Q1、Q2的基极也因此而交替导通，Q3和Q4也交替导通，这样使变压器工作在推挽状态，Q3和Q4以频率为50KHz交替导通，使变压器的初级输入端有50KHz的交流电。

图4.1DC-AC-DC电路

当Q1导通时，场效应管Q3因为栅极无正偏压而截止，而此时Q2截止，导致场效应管Q4栅极有正偏压而导通。

当Q1导通时，Q2截止，场效应管Q3因为栅极无正偏压而截止，而此时Q2截止，导致场效应管Q4栅极有正偏压而导通。

且交替导通时其峰值电压为12V，即产生了12V/50KHz的交流电。

极性电容C3滤去12V直流中的交流成分，降低输入干扰[14]。

滤波电容C1可取为2200uF。

整流滤波电路由四只整流二极管和一个滤波电容组成。

四只整流二极管D3～D6接成电桥的形式，称单相桥式整流电路。

在桥式整流电路中，电容C4滤去了电路中的交流成分，此处滤波取值为10uF[10]。

图中的推挽场效应管Q3，Q4在工作时会通过大电流，经过计算电流约为19A，故场效应管的型号选择IRF650A.其最大耐压值为200V，电流为32A，满足要求。

4.2全桥逆变电路设计

4.2.1IGBT模块的选择

IGBT作为一种新型的功率器件，由于IGBT的输入控制部分为MOSFET，输出级为双极结型晶体管，因此兼有MOSFET和电力晶体管的优点：

高输入阻抗