1、 电力电子应用课程设计课题： SPWM 全桥逆变器控制电路设计 班级 学号 姓名 专业 系别 指导教师 淮阴工学院电气工程系2014 年 2 月一、设计目的11. 加深学生对推挽变换电路的理解，学会分析推挽电路的各种工作模态，及原边开关管、副边二极管的电压电流参数设计和选取。2.培养学生分析、解决实际问题的能力，培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。3、熟悉变换器中变压器复位的基本原理及设计。4.培养学生的创新能力。使学生能系统全面的总结所学过的理论知识，掌握各类电力半导体器件所构成的各种功率变换电路，掌握各变换主电路的构成和工
2、作原理，不同负载对电路工作特性的影响以及主电路的元件参数计算与选择等。二设计任务与要求 首先熟悉全桥逆变器拓扑，掌握其逆变原理，实现正弦波输出要素，重点设计 SPWM 逆变器控制信号发生电路。参数指标：输入：48Vdc, 输出：40Vac/400Hz1、掌握全桥逆变概念，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 逆变器控制电路线路图；4、根据线路图制作硬件，并调试。三. 设计总体框图四设计原理分析SPWM 脉宽调制原理2PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术
3、。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(Sine pulse width modulation，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1).全桥倍增
4、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
5、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。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3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.
6、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。ICL803
7、8 分析：ICL8038 是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路, 只需调整个别的外部组件就能产生从 0.001HZ300kHz 的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调频信号输入端, 所以可以用来对低频信号进行频率调制。 icl8038 中文资ICL 8038 的主要特点:4(1) 可同时输出任意的三角波、矩形波和正弦波等。(2) 频率范围: 0.001HZ300kHz(3) 占空比范围: 2% 98%(4) 低失真正弦波: 1%(5) 低温度漂移: 50ppm/(6) 三角波输出线性度: 0.1%(7) 工作电源: 5V
8、 12V 或者+ 12V + 25V1 引脚功能及内部结构5图 1 ICL8038 的引脚功能排列图图 2 ICL8038 内部电路方框图由图 2 可知, 该芯片由三角波振荡电路、比较器 1、比较器 2、触发器、三角波正弦波变换电路、恒流源 CS1、CS2 等组成。恒 流源 CS1、CS2 主要用于对外接电容 C 进行充电放电, 可利用 4、5 脚外接电阻调整恒流源的电流, 以改变电容 C 的充放电时间常数, 从而改变 10 脚三角波的频率。两个比较器分别被内部基准电压设定在 2 3V s 与 1 3V s。使两个比较器必须在大于 2 3V s 或小于 1 3Vs 的范围内翻转。其输出同时控制
9、触发器, 使其一方面控制恒流源 CS2 的通断, 另一方面输出方波经集电极开路缓冲器, 由 9 脚输出方脉冲, 而 10 脚经缓冲器直接由 3 脚输出三角波, 另外还经三角波正弦波变换电路由 2 脚输出低失真正弦波。外接电容 C 由两个恒流源充电和放电。若 S 断开, 仅有电流 I1 向 C 充电, 当 C 上电压上升到比较器 1 的门限电压 2 3V s 时, 触发器输出 Q = 1。开关 S 导通, CS2 把电流 I2 加到 C 上反充电, 当 I2 I1 时, 相当于 C 由一个净电流 I2- I1 放电, 此时 C 上电压逐渐下降, 当下降到比较器 2 的门限电压 1 3V s 时,
10、 RS 触发器被复位,Q = 0, 于是 S 断开 CS2, 仅有 CS1 对 C 充电, 如此反复形成振荡, C上电压近似为三角波, 而触发器输出则为方波。当两个电流源 CS1、CS2 的电流分别设定为 I、2I 时, 电容 C 上的充电、放电时间相等, 则 10 脚三角波6以及变换的正弦波就是对称的, 方波的占空比是 50%。若恒流源 CS1、CS2的电流不满足上述关系, 则 3 脚输出非对称的锯齿波 , 2 脚输出非对称的正弦波, 9 脚输出占空比为 2% 98% 的脉冲波形。另外改变恒流源 I 的大小, 即可改变振荡信号的频率。2.控制电路分析：当电路开始工作，首先由 ICL8038
11、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）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R2110 的内部功能框图如图 1 所示。由三个
12、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7变换器，仅用一组电源即可。3.2 IR2110 引脚功能及特点简介（图 4）：图 4 IR2110 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
13、）: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 0VNc（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 1020V。4） 逻辑电源的输入范围（脚 9）515V，可方便的与 TTL，CMOS 电平相匹配，8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 94ns7） 图腾柱输出峰值电流 2A3.3 IR2110 的工作原理IR2110
14、 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（VC1 VCC）。 当 HIN 为高电平时如图 5 ：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
15、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 6：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
16、 进行充电，迅速为 C1 补充能量，如此循环反复。9图 5 HIN 为高电平 图 6 HIN 为低电平4.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。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
17、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
18、而完成逆变。10图 4 主电路图5.参数计算与分析ICL8038（如图 7）图 7 ICL8038 输入、输出电压波形图输入、输出电压波形如图 7 所示，要求输出 40V 400Hz 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11确定)21(6.0RCf产生正弦波时，C=0.47F，R 1+R2=21K,10 K R111 K,10 KR 211 K。输出 f=400
19、Hz 时，调节 1 K 电位器，可以调节输出频率为400Hz。产生三角波时，C=1000pF，R 1+R2=35K,15 K R120 K,15 KR 220 K。输出 f=6000Hz 时，调节 5 K 电位器，可以调节输出频率为 6000Hz。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IR2110 2 个 IRF150 4 个4.7K 电阻 若干 10K 电阻 若干0.01uf 电容 若干六.心得体会在历时一周的课程设计中，我遇到了些挫折，但也有很多收获。通过此次课程设计，我发现自己有很多不足，也察
20、觉了自己专业知识的欠缺，同时看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还需提高。经过这次实践，我对 SPWM 全桥逆变器控制电路的工作原理有了全新的认识，为我以后的工作和学习打下了基础。同时，通过与同学的交流讨论和向指导老师的询问，让我充分了解了SPWM 全桥逆变器控制电路，学到了更多的知识。理解了 ICL8038 的内部结构与工作原理和 SPWM 脉冲的产生，最后通过 protel 软件制作 SPWM 逆变控制电路线路图。在获得新知识的同时，也增强了我的动手能力。与此同时，我更领悟到了团队协作的重要性。此次课程设计团队对于我的帮助十分大。从一开始的时候，大家就分配好了各自的任务，大家有的绘制原理图，进行仿真实验，有的积极查询相关资料，并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。12七.参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
