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2011届毕业设计任务书
一、课题名称:
500W单相逆变电源
二、指导教师:
严俊
三、设计内容与要求
1、课题概述
单相逆变电源是将直流电逆变成单相交流电,可将车载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。
2、设计内容与要求
设计内容:
(1)逆变电源的输入逆变主电路的设计;
(2)逆变电源的输出逆变主电路的设计;
(3)MOSFET器件的选择及驱动与保护电路设计;
(4)PWM控制电路的设计;(5)电流及电压检测电路;
(6)单片机控制电路及程序编写(流程图);
(7)其它辅助保护功能等设计。
设计要求:
(1)画出系统各环节电路图;
(2)系统各环节的原理介绍;
(3)系统各环节的元件参数计算及选择;(4)元件明细表;(5)程序流程图。
四、设计参考书
1、《新型半导体器件及其应用实例》电子工业出版社
2、《现代逆变技术及其应用》科学出版社
3、《新型开关电源设计与应用》科学出版社
4、《电子变压器手册》辽宁科学技术出版社
5、《半导体变流技术》机械工业出版社
6、《电力电子设备设计和应用手册》机械工业出版社
7、《基于C语言编程MCS-51单片机原理及应用》清华大学版社
8、《自动检测技术》湖南铁道职业技术学院
9、相关网站
五、设计说明书要求
1、封面
2、目录
3、内容摘要(200~400字左右,中英文)
4、引言
5、正文(设计方案比较与选择,设计方案原理、计算、分析、论证,设计结果的说明及特点)
6、结束语
7、附录(参考文献、图纸、材料清单等)
六、毕业设计进程安排(小四、宋体)
1~2周:
布置任务,弄懂设计要求及原理。
3~4周:
镇流器整流主电路的设计,逆变主电路的设计,MOSFET驱动保护设计。
5~8周:
分析控制电路的工作原理,设计硬件系统,画出硬件电路。
9~10周:
全面整理书写毕业论文
10周:
写出毕业答辩提纲,进行毕业答辩。
七、毕业设计答辩及论文要求(小四、宋体)
1、毕业设计答辩要求
答辩前三天,每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅,由指导教师写出审阅意见。
学生答辩时对自述部分应写出书面提纲,内容包括课题的任务、目的和意义,所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。
答辩小组质询课题的关键问题,质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法、实验方法、测试方法,鉴别学生独立工作能力、创新能力。
2、毕业设计论文要求
文字要求:
说明书要求打印(除图纸外),不能手写。
文字通顺,语言流畅,排版合理,无错别字,不允许抄袭。
图纸要求:
按工程制图标准制图,图面整洁,布局合理,线条粗细均匀,圆弧连接光滑,尺寸标注规范,文字注释必须使用工程字书写。
曲线图表要求:
所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画,必须按国家规定的标准或工程要求绘制。
一、绪论…………………………………………………………………………1
二、总体方案的确定…………………………………………………………1
1总体介绍……………………………………………………………1
三、具体电路设计…………………………………………………………2
3.1系统基本原理…………………………………………………………2
3.2系统结构及框架………………………………………………………3
3.3直—交—直—交功率变换形式…………………………………………4
3.4DC—AC变换器的方案………………………………………………4
3.5输出整流滤波电路………………………………………………………………5
四、SPWM输出逆变,逆变电源主电路分析………………………………………………17
4.1输出逆变主电路图………………………………………………17
4.2SPWM波的实现…………………………………………………18
4.3STC系列单片机………………………………………………………………24
五、高频变压器设计……………………………………12
5.1变压器的结构………………………………………………………12
5.2变压器的计算…………………………………………………………15
六、PWM控制芯片SG3525 …………………………………………………6
6.1其内部结构和原理图………………………………………………………………7
6.2各部分的功能………………………………………………………9
6.3SG3525的工作原理………………………………………………………10
七、三极管元件选择………………………………………………………25
八、保护电路的设计……………………………………26
九、死区的时间的设置与实现………………………………………………………29
总结…………………………………………………………31
感谢信………………………………………………32
四、参考文献……………………………………………………………………33
绪论
一、课题概述
单相逆变电源是将直流电逆变成单相交流电,可将车载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。
二、总体方案的确定
1、总体介绍:
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、经济性好:
通过把12V的蓄电池电源转换为工频使用电源,用于内部的电器,是一种简单,廉价的方式。
主电路设计中采用了简单的逆变电路,过压过流保护电路,以及几款简单的芯片。
经济性能良好,使用方便。
就本系统的性能稳定性而言,由于未设计复杂的电路进行干扰的情况。
并且输出稳定,价格优良,是一款性价比很高的系统。
三、具体电路的分析
3.1系统基本原理
本逆变电源输入端为蓄电池(+12V,容量90A·h),输出端为工频方波电压(50Hz,220V)。
其结构框图如图1所示
3.2系统结构及框架
3.3.直-交-直-交功率变换形式
由于高频开关变换技术的成熟和廉价化。
现在,逆变器的主要电路形式已经准变为直-交-直-交功率变换形式。
即先将直流电转化为高频交流电,以利于减小变压器的体积;经过变压器的电压转换和隔离,从而获得到所需要的电压等级和隔离要求;由于输出要求是50Hz正弦交流电,需要将高频交流电转化为50Hz交流电,所以通常的方法是将高频交流电整流成直流电;再利用50Hz逆变技术将直流电转换为所需要的50Hz正弦交流电。
直-交-直-交功率变换形式的原理框图如图19-6。
图19-6直-交-直-交功率变换形式的原理框图
从图中看到似乎这种解决方案过于复杂,但是由于每个功能单元的体积与成本均很低,而且技术成熟、效率非常高,这种解决方案最终还是最佳的。
3.4DC-AC变换器的方案
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。
3.5输出整流滤波电路
输出整流器可以采用最常见的单相桥式整流电路,可以选择MUR460超快恢复二极管构成的单相桥式整流电路。
输出滤波电路可以采用LC滤波电路结构。
整个输出整流滤波电路如图19-20。
图19-20输出整流滤波电路
考虑后面的50Hz逆变器的纹波电流,输出滤波电容器应选用ESR低的聚酯电容器,电容量为3.3μF+3.3μF;输出滤波电感可以选用EI25磁芯,用0.47mm漆包线绕70~100匝,磁路留0.5mm左右的气隙即可。
四SPWM输出逆变逆变电源主电路分析
4.1输出逆变主电路图:
4.2SPWM波的实现
4.21SPWM波的原理
在进行脉宽调制时,使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。
当正弦值为最大值时,脉冲的宽度也最大,而脉冲间的间隔则最小,反之,当正弦值较小时,脉冲的宽度也小,而脉冲间的间隔则较大,这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小,称为正弦波脉宽调制。
图2.3.1与正弦波等效的矩形脉冲序列波形
1正弦脉宽调制技术SPWM
SPWM控制方案有两种:
即单极性调制和双极性调制法。
单极性法所得的SPWM信号有正、负和0三种电平,而双极性得到的只有正、负两种电平。
比较二者生成的SPWM波可知:
在相同载波比情况下,生成的双极性SPWM波所含谐波量较大;并且在正弦逆变电源控制中,双极性SPWM波控制较复杂。
因此一般采用单极性SPWM波控制的形式。
由单片机实现SPWM控制,根据其软件化方法的不同,有如下几种方法:
自然采样法、对称规则法、不对称规则法和面积等效法等。
理论分析发现面积等效法相对于其它方法而言,谐波较小,对谐波的抑制能力较强。
而且实时控制简单,利于软件实现。
因此本文采用面积等效法实现SPWM控制。
图l为SPWM面积等效法原理示意图。
假设所需的输出正弦电压为U0=Umsinωt,式中:
Um为正弦波幅值。
利用面积等效法正弦波小块面积S1与对应脉冲面积S2相等的原则,将正弦波的正半周分为N等分,则每一等分的宽度为兀/N,计算出半个周期内N个不同的脉宽值。
相关公式如下:
正弦波S1面积为:
逆变器输入直流电压为UD,脉冲面积S2与S1相等,即有:
所以第k个区间的脉冲宽度δk
式中:
M为调制度。
N为半个周期内的脉冲个数。
综合考虑载波比、输出谐波等因素,在此N取60。
由上式计算出的SPWM脉宽表是一个由窄到宽、再由宽到窄的60个值的正弦表,将其存入STC单片机的ROM中以供调用。
4.22STC系列单片机生成SPWM波原理
STC系列单片机简介
STCl2系列单片机是美国STC公司在8051单片机标准的内核基础上改进推出的一个增强型功能的8051的单片机,从引脚到指令上完全与8051单片机兼容。
最突出的特点就是其具有可编程计数器阵列PCA。
以STCl2C5410AD为例,有四路可编程计数器阵列PCA/PWM。
PCA含有一个特殊的16位定时器,有4个16位的捕获/比较模块与之相连。
四个模块的公共时间基准由PCA定时器决定,可以通过PCA模式寄存器CMODSFR的CPSl和CPS0位确定。
每个模块可编程工作在4种模式下:
上升/下降沿捕获、软件定时器、高速输出或PWM脉冲输出。
文中SPWM生成功能主要靠PWM脉冲输出模式完成。
图2即为PCA模块脉宽调节PWM输出模式框图。
在PCAPWM输出模式中,当CLSFR的值小于{EPCnL,CCAPnL}时,输出为低,当PCACLSFR的值等于或大于{EPCnH,CCAPnH}时,输出为高。
当CL的值由FF变为00溢出时,{EPCnH,CCAPnH}的内容装载到{EPCnL,CCAPnL}中。
这样就实现了无干扰的更新PWM。
要使能PWM模式,模块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。
本文中,SPWM波形是综合使用了模块O的脉宽调节(PWM)模式和模块1的16位软件定时器模式,通过软件中断的形式实现的。
与此同时,STCl2C54lO单片机还具有快速A/D转换功能。
有一个lO位精度、8路通道的A/D转换器。
可以方便的对输入、输出的电压、电流进行监控和显示。
4.23SPWM波生成方法
利用STC系列单片机产生SPWM波的基本原理是:
将载波周期数值赋给PCA模块l的16位捕获/比较模块寄存器CCAPlH(高8位)和CCAPlL(低8位),PCA定时器的值CH(高八位)、CL(低八位)与模块捕获寄存器的值相比较,当两者相等时,产生PCA中断。
在中断中,调用模块0的PWM脉宽调节模式,将下一个SPWM波的脉宽通过CCAP0H装载到CCAPOL中,这样就可以实现无干扰的更新PWM。
图3中即为由软件实时计算好的一路单极性SPWM波形的脉宽示意图。
在每个固定的载波周期内,不同脉宽数值组成一个正弦表格的形式。
若选用模块O(P3.7)输出此路SPWM,首先将模块0的PCA模块工作模式寄存器定义为8位PWM模式,将16位计数器定时器CH、CL清零,PCAPWM模式辅助寄存器O清零(保证捕获寄存器EPCOH(高八位)、EPC0L(低八位)固定为零,PWM波比较的数值只与PCA模块0的捕获寄存器CCAPOH(高八位)、CC2APOL(低八位)有关),模块l的捕获寄存器CCAPlH(高八位)、CCAPlL(低八位)送入载波周期的高八位和第八位数值,PCA比较/捕获模块寄存器1(CAPMl)定义为使能比较功能,允许匹配产生中断。
将第一个脉宽值sin[0]装入CCAP0H,开PCA模块中断及低压检测中断,开总中断,启动PCA计数。
当16位计数器/定时器的数值与模块1中捕获/比较寄存器的数值相等时,产生一个CCF中断;在中断程序中,清中断标志位,重新给模块1的捕获寄存器CCAPlH(高八位)、CCAPlL(低八位)送入载波周期的高八位和第八位数值,将16位计数器定时器CH、CL清零,中断次数i加1,将下一个脉宽数值sin[i]装入CCAPOH以备比较。
同时判断是否到达最大数值N,若是,中断次数i清零,同时将脉宽数sin[i]值送入CCAP0H,完成一个循环。
这样,周而复始,在P3.7引脚上将不断产生随着正弦规律变化的脉宽,从而得到准确的SPWM波。
4.24软件设计
程序编写采用KeilC51编程语言进行,整个程序由主程序和键盘中断子程序以及PCA中断子程序组成。
主程序在系统初始化后进入SPwM脉宽计算程序,计算相应的脉冲宽度,形成正弦表格,等待中断标志位以响应不同的中断。
由于SPWM波是不断输出的,必须将PCA中断级别设置为最高。
一旦有PCA中断标志位,即转入执行其中断子程序。
图4为PCA中断子程序流程图。
在中断服务程序中,注意CCF1位和CF标志位均由硬件置位,但不能自动清零,必须在中断程序中由软件清零。
与此同时,系统可以响应键盘中断子程序,由键盘控制通过液晶显示屏监控输出电压、电流的变化情况等。
根据上述设计思路及编写的软件,用MIC442l驱动器驱动四个MOSFET器件FQAl60N08组成的逆变桥上进行实际调试。
图5为由单片机STCl2C5410输出的两路互补(有一定死区时间)单极性SPWM波。
用这两路互补信号直接驱动芯片MIC4421,其输出信号再分别驱动逆变桥,经低通滤波后的波形如图6所示。
此方法电路结构简单,硬件设计和软件编程切实可行。
采用在线计算和查表技术相结合,较好的解决了实时控制的要求。
同时采用单片机作为控制器件,不仅成本降低,而且调试方便,受外界干扰较小,有很好的实用性和可靠性。
五高频变压器设计
5.1变压器的结构
变压器是隔离型变换器的主要元件之一,其性能指标的好与坏将直接影响整个电路的性能,因此,在设计变压器时应该细心设计为好。
在变压器制作中需要在确保变压器的绝缘电压的基础上尽可能的减小变压器漏感。
5.11变压器的结构对变压器性能的影响
变压器的最主要作用是隔离,电器隔离性能应符合电气安全规则的要求。
为了满足电器安全规则的要求,通常要在变压器的初次级之间留有不低于3mm的绝缘边距(爬电距离),如图19-14所示的边沿空隙的方法。
边沿空隙方法(MarginWound)------是在骨架边沿留有不绕线的余留,以提供所需的绝缘边距要求。
图19-14变压器的边沿空隙绕制方式的结构示意
这种方法一直得到比较普遍的应用,其主要原因是绕变压器的漆包线的绝缘强度不能满足电气安全规则的要求,特别是漆包线漆皮的针孔。
这种方法的最大缺点是变压器的绕线空间的浪费和变压器漏感的增加,尤其是小变压器尤为严重,如EE16磁芯绕线框架仅有约8mm的绕线宽度,如果扣除3mm的边沿空隙,则有效的绕线宽度仅剩下5mm,变压器的绕线窗口的利用率大大下降,同时变压器的漏感也随之增加。
不仅如此,在变压器的初次级间通常还要能承受50Hz、1500V有效值电压,这往往需要3~5层变压器绝缘胶带,势必要求初、次级间的耦合变差,在电气性能上的表现为变压器的漏感增加。
对于50Hz变压器,漏感增加一点似乎不会出现多大问题,但是高频开关电源变压器的漏感增加一点所付出的代价将是开关管的损耗明显增加甚至是变压器的漏感所产生的电压尖峰将开关管击穿!
要么就是缓冲电路的损耗增加。
怎样才能取消令人深恶痛绝的变压器中的边沿空隙和初次级间的绝缘?
问题的关键就是改进漆包线的质量,单层绝缘的漆包线的最主要的缺陷是针孔(当然也不可否认绝缘电压可能还不够),那么在制造漆包线时可以在漆包线上多涂几次绝缘漆,这样不仅提高了绝缘电压,最主要的是彻底的消除了漆包线的漆皮上的针孔,这就是三重绝缘的漆包线。
三重绝缘漆包线绕制法(TripleInsulated)------次级绕组的导线采用三重绝缘漆包线以便任意两层结合都满足电气强度要求。
图19-15给出三重绝缘法结构。
可以看出初级充满整个骨架宽度,和辅助绕组之间仅有一层胶带,在辅助绕组上缠一层胶带以防止损坏次级绕组导线的三重绝缘层。
次级绕组缠在其上,最后缠一层胶带进行保护。
注意绕线和焊接时绝缘不被损坏。
图19-15三重绝缘漆包线绕制变压器的结构
实际上用三重绝缘漆包线绕制变压器时,初次级之间可以不附加任何绝缘物(如绝缘胶带)同样可以保证绝缘强度。
这样,变压器的绕线窗口将得到有效的利用,同时变压器的漏感也可以减小到最小。
5.12变压器的绕线方法对变压器性能的影响
C型绕线方式:
即折返绕制方式,这是最常用的绕线方式。
图19-14示出有2层初级绕组的C型绕线。
C型绕线容易实现且成本低,但是导致初级绕组间电容增加。
可以看出初级从骨架的一边绕到另一边再绕回到起始边,这是一个简单的绕线方法。
Z型绕线图19-16示出有2层初级绕组的Z型绕线方式。
可以看出这种方法比C型绕线复杂,但是减少了绕组的寄生电容。
图19-16变压器初级的C型绕法图19-17变压器初级的Z型绕法
初次级内外绕制方法:
图19-16、图19-17均为变压器的初级绕在内侧,次级绕在外侧的绕制方式,这种绕制方式的优点是简单,而且通常变压器的初级绕组的线径细、次级线径粗,细线绕在里边绕制起来比较容易。
但是,这种绕法的最大缺点是变压器的漏感大,变压器漏感在开关过程中需要将漏感中的储能完全释放,通常会产生比较高的尖峰电压,对开关管的冲击比较大。
这个冲击在反激式开关电源中尤为明显。
这个变压器漏感的储能必然消耗在缓冲电路或箝位电路,漏感越大,需要的缓冲电路越大,所产生的损耗越大,降低了开关电源的效率。
因此,应该选择变压器漏感比较小的绕制方法。
最常见的是初级分成两段,分别绕在次级的内测和外侧,如图19-18。
图19-18变压器初级分开绕制示意图
另一方面把初级绕组分开绕制的方法也可以减少漏电感。
分开的初级绕组是最里边第一层绕组,第二层初级绕在外边。
这需要骨架有空余引脚让初级绕组的中心点连接其上,这对改善耦合有意义。
如果变压器得出次级间要求的绝缘电压不高或采用绝缘电压高的漆包线,则可以采用变压器漏感最小的绕法,即初次级绕组绞在一起绕。
这样初次级绕组所约束的磁力线大致重合,使变压器漏感达到最小。
如果是推挽式逆变器,则仅仅需要变压器的两个初级之间的漏感达到最小即
六、PWM控制芯片SG3525
随着电能变换技术的发展,功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用,为此美国硅通用半导体公司(SiliconGeneral)推出SG3525。
SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET其产品一推出就受到广泛好评。
SG3525系列PWM控制器分军品、工业品、民品三个等级。
下面我们对SG3525特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍。
SG3525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。
6.1结构和原理框图:
1.Inv.input(引脚1):
误差放大器反向输入端。
在闭环系统中,该引脚接反馈信号。
在开环系统中,该端与补偿信号输入端(引脚9)相连,可构成跟随器。
2.Noninv.input(引脚2):
误差放大器同向输入端。
在闭环系统和开环系统中,该端接给定信号。
根据需要,在该端与补偿信号输入端(引脚9)之间接入不同类型的反馈网络,可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。
3.Sync(引脚3):
振荡器外接同步信号输入端。
该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。
4.OSC.Output(引脚4):
振荡器输出端。
5.CT(引脚5):
振荡器定时电容接入端。
6.RT(引脚6):
振荡器定时电阻接入端。
7.Discharge(引脚7):
振荡器放电端。
该端与引脚5之间外接一只放电电阻,构成放电回路。
8.Soft-Start(引脚8):
软启动电容接入端。
该端通常接一只5的软启动电容。
9.Compensation(引脚9):
PWM比较器补偿信号输入端。
在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络,可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。
10.Shutdown(引脚10):
外部关断信号输入端。
该端接高电平时控制器输出被禁止。
该端可与保护电路相连,以实现故障保护。
11.OutputA(引脚11):
输出端A。
引脚11和引脚14是两路互补输出端。
12.Ground(引脚12):
信号地。
13.V
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