1、0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
2、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。 GND834ICALM9567BkRes.uFap PolH+QOS-tVm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
3、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。INHOLO图 3-24 IR2111 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、R 2、C 15、C 19、L 5 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、R 4 决定的滞回电压大1小也会影响振荡频率。因为 R1、R 2 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
4、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。D 3、C 5、C 7 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、C 7 充电，当 Q2 关闭时 C5、C 7 上的电压悬浮，维持对 HO 输出电路的供电。同样，D 4、C 6、C 8 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
5、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、R 2 二个电阻分压比调整。360Hz 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、R 28 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 HzCRf 6
6、02142534265 15.fR若 C2 取为 0.1F，R 25 可取为 27k，R26 可取为0。根据关系 式DoPVv3092以及 计算，93029R可以得到 。当 voPP=8.0V 时，R 30=0.65R29，R 9=0.82R29。2930VvDoP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
7、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（R L=25
8、）下 Q 值图 3-25 RC 文氏振荡电路IMGNku+K2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 =2f=6280rad/s 。图 3-20(b)中电阻电容参数的等效关系为： 122PLPCRXR221PLPC对于纯串联电路， ， 。由此可计算得到：L=1.6mH，C P=12.7F。RQ计算过程： PLPLPPL CRCR2211FQLP 607.5680. HCRCLPLPLP 32622 10.1.111 RLLCPL CR图 3-20 逆变器输出滤波电路(a) (b) 00图 3-21 逆变器
9、输出滤波器器特性曲线A3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=100 时， ，FCLP 6102.36280.HQR3262 41滤波电感的绕制采用 0.7mm 漆包线在 27 铁硅铝磁环上均匀密绕 41 匝，实际电感量为 126H。与 0.1F 电容滤波电路，谐振频率约为 45kHz；与 1F 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
10、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。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
11、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。电压控制KDC1 DC2DL图 3-27 升压电路工作原理4L1 30H D1Q1640R?2kR?10kD?12VGND1000FGNDR?10R?RES2R?10kC?1000PR?510R?200kGNDGNDGND1000FGND6843751TL3842根据功率守恒关系 Pin=Po+P 内 ，V inIin=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
12、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1234 D1BRIDGE1V VT18N60Rs0.5D3FR307CO220uFRV1400kRV010KC FF10.1F C 70.4FR FF11.2MR FF291KR FF320kR130k/3wC5220FC60.1FRvoc750kC81F C pk470pFR o10F6AC10.47uL2TRANS1AC1V+2AC3V-4D2BRIDGE2R s2100L133mh85-260VR-E
13、NA22kC30.47C40.47C20.47C90.1uRpk21.8kR c229KC cp680PR VF200kC VF47nC SS0.01FC T1000PR pk110kRb13.9kC c2680P64532117916Rset22kREF200kRMO6.2k15813 14 1210 UC3854OUTOUT1310V图 3-31 基于 UC3854 的 PFC 电路原理图图 3-28 DC 升压电路56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。
14、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
15、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 (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 1.9
16、2mH，配合 5.2 F 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 100 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 2000F 以上。67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？图 3-37 逆变电路初期试验图7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
17、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。8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C1,C2 R3 Cap2 100uF 2C3 RAD-0.3 Cap 0.01uF 1C4, C16 0805 Cap 0.1uF 2C7, C8, C15 080
18、5 Cap 0.01uF, 220pF 3C5, C11, C13, C18 R3 Cap Pol1 22uF, 220uF, 470uF 4C6 CAPPR5-5x5 Cap Pol1 220uF 1C9 RC0.2 Cap 620P 1C10, C12, C14 RAD-0.2 Cap 620P 3电容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 Diode 1N914 2IC1 P008 LM358 1IC3 626-05 LM393AN 1集成芯片IC4, IC5 SOP-
19、8 IR2111 2L1, L2 AXIAL-0.3 Inductor 10uH 2电感器L5, L6 RC0.3 Inductor 1mH 2功率场效应管 Q1, Q2, Q3,Q4 SFM-T3/A4.7V NMOS-2 4R1, R35, R36, R37, R38 0805 Res2 39k 5R8, R19 0805 Res2 10k 2R9, R26, R27, R29, R30 0805 Res2 1K, 6.8k, 8.2k 5R7, , R25 0805 Res2 20k, 27k 2R2 AXIAL-0.4 Res2 150k 1R3 AXIAL-0.4 Res2 1M 1
20、R4 AXIAL-0.4 Res2 5.1k 1R5 AXIAL-0.4 Res2 300 1R6, R23, AXIAL-0.4 Res2 10k, 20k 2R31, R32, R33, R34 AXIAL-0.4 51 4R11,R12, R15, R16 AXIAL-0.4 Res2 10 4R24 0805 Res2 10k 1R28 AXIAL-0.3 Res2 27k 1电阻器R40 AXIAL-0.6 Res2 0.1 1微调电阻 R22 VR5 RPot 5k 19附录六：闭环自激型交流逆变电路原理图 847562IC1BLM3GNDA0kRes.uFap PolH+QOS-tVmK闭环自激型交流逆变电路原理图
