SPWM全桥逆变器主功率电路设计.docx

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SPWM全桥逆变器主功率电路设计

SPWM全桥逆变器主功率电路设计

一、课程设计目的

本课程是自动化专业的学生在掌握所学习的专业基础课和专业课的基础上一次较全面的实践训练，通过完成一个具有较完善功能的设计课程题，达到训练学生综合运用所学知识的能力。

通过本科电力电子技术学习，熟悉无源逆变的概念。

二、任务

采用全桥拓扑并用全控器件MOSFET形成主电路拓扑，设计逆变器硬件电路，并能开环工作。

输入：

48Vdc,输出：

40Vac/400Hz

要求：

1.掌握全桥逆变的概念，分析全桥逆变器中每个元件的作用：

2分析正弦脉宽调制（SPWM）原理，及硬件电路实现形式；

3.应用protel制作SPWM逆变器线路图；

4.根据线路图制作硬件，并调试；

三.设计总体框图

图1设计总体框图

四．设计原理分析

SPWM脉宽调制原理

PWM（PulseWidthModulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。

即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

当采用正弦波作为调制信号来控制输出PWM脉冲的宽度，使其按照正弦波的规律变化，这种脉冲宽度调制控制策略就称为正弦脉冲宽度调制（Sinepulsewidthmodulation，SPWM），产生SPWM脉冲，采用最多的载波是等腰三角波；因为等腰三角波上任一点的水平宽度和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相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。

在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。

SPWM波形的产生（如图2）

图2SPWM波形的产生

1）.全桥倍增SPWM控制

主电路和其他全桥逆变电路完全一致，控制脉冲的发生类似双极性SPWM的模式，所不同的是，其桥臂之一所使用的互补控制脉冲由正弦调制波和三角载波比较产生，而另一个桥臂脉冲由同一正弦波和反相的三角载波比较产生（或者是反相三角载波和同一正弦波比较产生）。

这种调制输出谐波性能等效于2倍载波频率的单相单极性SPWM，所以叫做倍频式SPWM，它仅仅在控制上作了简单改动，却大幅度提高了性能，是一种很具实用价值的技术。

对开关频率不变，等效输出频率倍增的效果，可以从不同的角度直观理解：

一种是从调制波反相角度看，将两桥臂视为两组独立反相双极性SPWM半桥输出，它们的奇数倍开关频率谐波群也反相抵消掉了；或者可以从载波反相角度理解，相当于等效载波频率加倍。

由于逆变器应用场合不同，负载特性与要求也各异，到目前为止并没有一种PWM方法能够兼顾各方面的要求。

随着逆变技术和微处理器性能的不断发展，传统的PWM控制方法不断受到新控制策略的挑战，新思想、新方法和新技术层出不穷，形成了逆变控制技术蓬勃发展的景象。

2）.正弦脉冲宽度调制

采用正弦波作为调制信号来控制输出PWM脉冲的宽度，使其按照正弦波的规律变化，这种脉冲宽度调制控制策略就称为正弦脉冲宽度调制，简称正弦脉宽调制。

产生SPWM脉冲，采用最多的载波是等腰三角波；既可以采用自然采样也可以规则采样；既可以采用单极性控制模式也可以采用双极性控制模式，但使用较多的是规则采样双极性控制方式。

a.准正弦脉宽调试法

在正弦调制波上叠加幅度适当并与正弦调制波同相位的三次谐波分量，从而得到合成后的马鞍形调制波，这个三次谐波和三角波比较产生PWM脉冲的方法就是准正弦波脉冲宽度调制法。

b.消除特定谐波法

消除特定谐波法的核心是通过对电压波形脉冲缺口位置的合理安排和设置，以求既能达到控制输出电压基波大小，又能有选择地消除逆变器输出电压中某些特定谐波的目的。

c.电压空间矢量脉冲宽度调制技术

电压空间矢量脉冲宽度调制技术是从交流电机的角度出发，以控制交流电机磁链空间矢量轨迹逼近圆形为调制目的，以求减小电动机的转矩脉动，改善电动机的动态性能。

1.电路组成及工作原理分析：

电路主要由正弦波和三角波发生电路，控制电路和逆变电路组成。

电路中所用到的元器件主要有ICL8038，运算放大器LF353，比较器LM311，IR2110，MOSFET，CD4069，电阻电容及齐纳二极管组成。

2.控制电路分析：

当电路开始工作，首先由ICL8038产生的正弦波和三角波，正弦波和三角波的幅值由可调电阻来控制，得到的波可以通过LF353运算放大器构成的反相电路进行反向，得到方向相反的正弦波，正弦波与三角波信号通过LM311比较芯片产生SPWM脉冲。

（如图3）

图3SPWM脉冲的产生

3.主电路分析：

主电路主要由驱动电路和逆变电路两大部分组成（如图4）

本次设计我们采用倍频式SPWM技术，在开关频率不变的情况下，达到输出频率倍增的效果。

IR2110用于驱动全桥逆变器用以控制MOSFET的通断，在IR2110的外围电路使用二极管和齐纳二极管防止MOSFET的同时导通而击穿。

如下图所示，MOSFET采用IRF150，4个IRF150两两串联后并联成桥式逆变主电路，U输入为出入电压，VDC输出电压，电容C1、C3为VCC的滤波电容，电容C2、C4为自举电容，二极管为自举二极管。

MOSFET的驱动采用芯片IR2110驱动，2个IR2110芯片分别驱动桥式逆变主电路的2个桥臂。

工作时，两个IR2110

（1）和IR2110

（2）的输入SPWM脉冲是相反的，两个IR2110分别驱动不同桥臂的MOSFET管，IR2110

（1）的HO驱动Q1、IR2110

（1）的LO驱动Q2，IR2110

（2）的HO驱动Q3、IR2110

（2）的LO驱动Q4，由于输入的两个SPWM脉冲是相反的，2个桥臂上的MOSFET管会交叉导通，即Q1、Q3同时导通或者Q2、Q4同时导通，两种情况依次循环导通，从而完成逆变。

图4主电路图

3.1驱动电路设计

在功率变换装置中，根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式.美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。

该芯片具有驱动电流大，速度快，外围电路简单，可驱动母线电压高达500V的全桥，对输入信号要求低等优良性能。

IR2110的内部功能框图如图1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，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，可以大大减少驱动电源的数目，三相桥式变换器，仅用一组电源即可。

3.1.1IR2110引脚功能及特点简介（图5）：

图5IR2110引脚图

L0（引脚1）：

低端输出

COM（引脚2）：

公共端

Vcc（引脚3）:

低端固定电源电压

Nc（引脚4）:

空端

Vs（引脚5）:

高端浮置电源偏移电压

VB（引脚6）:

高端浮置电源电压

HO（引脚7）:

高端输出

Nc（引脚8）:

空端

VDD（引脚9）:

逻辑电源电压

HIN（引脚10）:

逻辑高端输入

SD（引脚11）:

关断

LIN（引脚12）:

逻辑低端输入

Vss（引脚13）:

逻辑电路地电位端，其值可以为0V

Nc（引脚14）:

空端

IR2110的特点：

1）具有独立的低端和高端输入通道。

2）悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V。

3）输出的电源端（脚3）的电压范围为10—20V。

4）逻辑电源的输入范围（脚9）5—15V，可方便的与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有V的便移量。

5）工作频率高，可达500KHz。

6）开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns

7）图腾柱输出峰值电流2A

3.1.2IR2110的工作原理

IR2110内部功能由三部分组成：

逻辑输入；电平平移及输出保护。

如上所述IR2110的特点，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设计，可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。

高端侧悬浮驱动的自举原理：

IR2110驱动半桥的电路如图所示，其中C1，VD1分别为自举电容和自举二极管，C2为VCC的滤波电容。

假定在S1关断期间C1已经充到足够的电压（VC1VCC）。

当HIN为高电平时如图6：

VM1开通，VM2关断，VC1加到S1的栅极和源极之间，C1通过VM1，Rg1和栅极和源极形成回路放电，这时C1就相当于一个电压源，从而使S1导通。

由于LIN与HIN是一对互补输入信号，所以此时LIN为低电平，VM3关断，VM4导通，这时聚集在S2栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg2迅速对地放电，由于死区时间影响使S2在S1开通之前迅速关断。

当HIN为低电平时如图7：

VM1关断，VM2导通，这时聚集在S1栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg1迅速放电使S1关断。

经过短暂的死区时间LIN为高电平，VM3导通，VM4关断使VCC经过Rg2和S2的栅极和源极形成回路，使S2开通。

在此同时VCC经自举二极管，C1和S2形成回路，对C1进行充电，迅速为C1补充能量，如此循环反复。

图6HIN为高电平

图7HIN为低电平

3.2逆变电路设计

桥式逆变结构：

基本的电压源桥式逆变结构，两组功率开关串联跨接于电源，成为一个桥臂，以其串联中点为输出点。

这样的结构不允许串联开关同时导通，按照不同开关的通断组合，桥臂可以将它所跨接的两个不同电位作为输出，合理安排这些不同的桥臂输出电位可能生成有正有负的输出电压，这是桥式逆变电路实现电源极性变换的基本原理。

桥式电路是逆变器中得到最广泛应用的拓扑形式，其器件电压耐受值较低，控制、组合灵活，在自换流或者负载换流模式都可以工作，不依赖变压器参与逆变，适应性非常广泛。

桥式电路的形式多种多样，如半桥、全桥、三相桥、多相桥等。

根据这次设计的要求，我们选择全桥逆变。

图8、桥式逆变电路

4.参数计算与分析

ICL8038（如图9）

图9ICL8038输入、输出电压波形图

输入、输出电压波形如图9所示，要求输出40V400Hz交流电压。

本次设计中采用正弦波调制SPWM脉冲，所以需要400Hz的正弦波，三角波可以选用10倍到20倍的正弦波频率，我们选用15倍，6000Hz。

正弦波和三角波的产生采用ICL8038芯片产生。

ICL8038芯片产生三角波和正弦波的振荡频率由下式确定

产生正弦波时，C=0.47μF，R1+R2=21KΩ,10KΩ

输出f=400Hz时，调节1KΩ电位器，可以调节输出频率为400Hz。

产生正弦波时，C=1000pF，R1+R2=35KΩ,15KΩ

输出f=6000Hz时，调节5KΩ电位器，可以调节输出频率为6000Hz。

电力MOSFETIRF150的主要参数及分析

Vdss=100V,Rds（on）=0.055ohm,Id=38A,

耐压方面，MOSFET电流容量小，耐压低。

设计要求输入直流48V,输出交流40V,由于实际在使用MOSFET时,要考虑到适当的安全裕量，一般为额定电压的2—3倍，即要求电压100V—150V,IRF150的Vdss=100V能够满足要求。

开关频率方面，MOSFET开关速度快，功率频率高。

设计要求输出频率400HZ,

IRF150高频率特性能够满足要求。

五．主要参数和器件清单

ICL8038波形发生器2个

LF353运放器1个

LM311比较器2个

4069反向器2个

IR21102个

IRF1504个

4.7K电阻若干

10K电阻若干

0.01uf电容若干

六.心得体会

这次课程设计虽然只有短短的一个星期，但是从中我收获很多，通过这次课程设计我把平时所学的理论更好的运用的实践中，还通过实验结果检验了我们所学的知识。

同时我也在设计中遇到了很多问题，对一些理论知识学的不够深入不够精，导致在设计中不能很快速的设计出电路图，通过团队成员之间的相互帮助，我完成了电路图并且弄清了所对应的知识点。

这次专业方向课程设计，我不仅加深课本知识的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。

并且认识到了团队合作的重要性。

七.参考文献

《电力电子技术》金海明郑安平等编著北京邮电大学出版社

《电力电子应用基础》陈拥军主编西安交通大学出版社

《电力电子应用技术》叶斌主编清华大学出版社

《电力电子自关断器件及电路》黄俊秦祖荫机械工业出版社

《电力电子研究》余天机械工业出版社