【正文】 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 第 1 章 逆變電源設(shè)計方案論證 設(shè)計背景 基于 UC3524 逆變電源的設(shè)計思路 基于 UC3524 的后備式逆變電源主要用于當(dāng)市電突然斷電時，能 繼續(xù)向用電設(shè)備 供電設(shè)計。其 主要 設(shè)計思路有 以 下 三 點： 市電正常供電時， 逆變電源通過旁路接通市電，給負(fù)載供電，逆變器自身供電也來自市電。此時，逆變電源工作在市電監(jiān)測狀態(tài)，對市電工作正常與否進(jìn)行實時監(jiān)測。 市電斷電時，首先逆變電源會立刻將自身供電電源切換到蓄電池，以維持逆 變電源的持續(xù)正常工作， 然后啟動逆變電路，輸出 220V/50Hz交流電，將負(fù)載供電由旁路輸出切換到逆變輸出，給負(fù)載持續(xù)供電。 電能質(zhì)量保證。為使逆變電源輸出穩(wěn)壓恒頻的交流電，逆變電源對輸出電壓實時進(jìn)行采樣，將采樣值反饋給逆變驅(qū)動器，即整個逆變過圖 11 逆變電源工作流程圖 輸出采樣 逆變輸出 逆 變 市 電 是否 正 常 旁路輸出 負(fù)載 N Y 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 程是閉環(huán)控制，保證電能質(zhì)量達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。 逆變電源的工作流程 如 上 圖 11 所示。 逆變電源的工作原理 逆變電源有兩種工作狀態(tài)： a、旁路狀態(tài)，即市電正常時； b、逆變狀態(tài)，即市電 斷電時。 當(dāng)市電供電正常時，逆變電源工作在旁路狀態(tài)，即通 過旁路，接通市電給負(fù)載供電。當(dāng)市電 斷電 時，逆變電源工作在逆變狀態(tài)，即將蓄電池的直流電逆變成 220V/50Hz 的交流電，逆變輸出給負(fù)載供電。 逆變電源整個工作過程為，逆變電源實時監(jiān)測市電狀況，當(dāng)市電正常時，逆變電源通過旁路對負(fù)載供電，當(dāng)檢測到市電斷電時，逆變電源工作在逆變狀態(tài)，將直流電逆變成交流電給負(fù)載供電。 逆變電源 的 逆變 電路及 控制方案 逆變 電路 半橋逆變電路 半橋逆變電路原理圖如圖 12 所示， 它有兩個橋臂，每個橋臂由一個可控器件和一個反并聯(lián)二極管并聯(lián)組成。在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足 夠大的電容，兩個電容的連接點便成為直流電源的中點。負(fù)載連接在直流電源中點和兩個橋臂連接點之間。 圖 12 半橋逆變電路原理圖 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 半橋逆變電路的優(yōu)點是簡單，使用器件少。其缺點是輸出交流電壓Um 的幅值為僅為直流電壓 Ud 的 幅值的 一半，且直流側(cè)需要兩個電容器串聯(lián)，工作是還要控制兩個電容器電壓的均衡。因此半橋逆變電路常用于幾千瓦一下的小功率逆變電源。 全橋逆變電路 全橋逆變電路原理圖如圖 13 所示，它共有四個橋臂， 可以看成由兩個半橋電路組而成 。 把橋臂 1 和 4 作為一對，橋臂 2 和 3 作為另一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通， 兩對橋臂各導(dǎo)通 180176。 與半橋逆變相比，全橋逆變輸出電壓 Um 的幅值高出一倍，即 Um=Ud。 圖 13 全橋逆變電路 推挽逆變電路 推挽逆變電路如圖 14 所示，交替導(dǎo)通 V V2，通過變壓器的耦合給輸出交流電壓。該電路的輸出電壓波形和幅值與全橋電路完全相同，優(yōu)點在于比全橋電路少用了一半的開關(guān)器件，缺點是開關(guān)器件承受的電壓為 2Ud，比全橋電路高出一倍，且必須有一個帶中心抽頭的變壓器。 圖 14 推挽逆變電路 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 根據(jù)以上各逆變電路的特點和該逆變電源的設(shè)計要求，選擇目前在單相逆變電路中應(yīng)用較多的全橋逆變電 路作為該逆變電源的逆變電路。 逆變 電路的驅(qū)動 控制 全橋逆變電路工作原理 如圖 13 所示，設(shè)在 t1 時刻前 VT1 和 VT4 導(dǎo)通，輸出負(fù)載電壓為 Ud，t1 時刻 VT3 和 VT4 柵極信號反向， VT4 截止，而因負(fù)載電感中的電流不能突變， VT3 不能立刻導(dǎo)通 ， D3 導(dǎo)通續(xù)流。因為 VT1 和 D3 同時導(dǎo)通，所以輸出電壓為零。到 t2 時刻 VT1 和 VT2 柵極信號反向， VT1 截止而 VT2不能立刻導(dǎo)通 ， D2 導(dǎo)通續(xù)流，和 D3 構(gòu)成電流通道輸出電壓為 Ud， 到負(fù)載電流過零并開始反向時， D2 和 D3 截止， VT2 和 VT3 導(dǎo)通，輸出電壓仍為 Ud。 t3 時刻 VT3 和 VT4 柵極信號再次反向， VT3 截止而 VT4 不能立刻導(dǎo)通， D4 導(dǎo)通續(xù)流。輸出電壓再次為零。以后的逆變過程為上述過程的不斷循環(huán)。 全橋逆變開關(guān)器件的驅(qū)動 基于全橋逆變電路的工作原理， 通過 UC3524S 雙端輸出驅(qū)動器產(chǎn)生特定頻率的驅(qū)動信號，控制逆變電路中開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷。 逆變電源 的特性分析 逆變電源的功能特性 該逆變電源的主要功能是在市電斷電的情況下，仍能給用電設(shè)備提供電能，使電器設(shè)備 繼續(xù)工作。其工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換都是以市電的正常與否為依據(jù)，進(jìn)行自動快速切換。此 外該逆變電源還具有以下幾大功能： 過載和短路保護(hù)。當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)超負(fù)荷過載運行或者發(fā)生短路時，電源系統(tǒng)會檢測到這一故障，并及時做出保護(hù)處理，避免電源遭受損壞。 輸出穩(wěn)壓。為保證輸出電壓幅值的穩(wěn)定，電源控制電路對逆變輸洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 出電壓進(jìn)行實時采樣， 將采樣值反饋到控制電路進(jìn)行分析處理，保證輸出電壓滿足設(shè)計要求。 建立人機對話平臺。逆變電源設(shè)有液晶顯示器、狀態(tài)指示燈等顯示設(shè)備，方便用戶通過這些設(shè)備，及時了解逆變電源的 當(dāng)前工作狀態(tài) 。在遇到特殊情況需要逆變電源停機是，還可以通過按鈕控制逆變電源中斷輸出，情況解除后，又可 以使其恢復(fù)正常工作。 蓄電池電量監(jiān)測。當(dāng)蓄電池進(jìn)行放電是，逆變電源對電池電量進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)電量偏低時，發(fā)出報警警示，若此時沒有及時得到 人為 處理，進(jìn)一步放電 使 電量再次偏低時，逆變電源自動中斷逆變輸出， 發(fā)出低電警報，隨后自動關(guān)機。 逆變電源技術(shù)特性 逆變電源工作的穩(wěn)定性對逆變電源的性能提升至關(guān)重要。 逆變電路開關(guān)器件采用低損耗、高開關(guān)頻率、高耐壓值的絕緣柵雙極 型 晶體管 IGBT。 雙端輸出驅(qū)動器 UC3524 產(chǎn)生逆變電路的驅(qū)動信號。 UC3524 外部電路設(shè)計簡單， 由 它組成的逆變控制電路可靠性高， 廣泛應(yīng)用 于 中、大功率逆變電源和開關(guān)電源。 逆變電源的微機 芯片為 ATM 公司的 AT89S52 低功耗 COMS8 位控制器， 8K 系統(tǒng)可編程 F lash， 256K RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器，兩個數(shù)據(jù)指針等，片上資源豐富。此外，在掉電模式下， RAM 內(nèi)的數(shù)據(jù)被保護(hù)，振蕩器凍結(jié)，控制器停在工作，有效保護(hù)數(shù)據(jù)以免丟失 。 圖形液晶顯示特性， 128 64 圖形液晶，液晶控制器 ST7920，ST7920 對控制器送來的信號進(jìn)行鎖存后，再將信號送入圖形液晶顯示，提高顯示的穩(wěn)定性可視性。 蓄電池電量檢測 使用了串行 12 位模數(shù) 芯片 MAX187。 可在單 5V 電源下工作，接受 0－ 5V 的模擬輸入。 MAX187 為逐次逼近式 ADC，快速采樣 /保持（ ），片內(nèi)時鐘，高速 3 線 串行接口 。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 設(shè)計方案總體規(guī)劃 逆變電源總體分為三大部分： 逆變部分。該部分完成直流電到交流電的逆變過程，核心控制芯片 UC3524 完成對全橋電路的控制及輸出交流電壓反饋控制。 保護(hù)及檢 測 反饋 部分。該部分主要保障逆 變電源正?？煽抗ぷ鳎?dāng)發(fā)生故障時，逆變電路能及時進(jìn)行自我保護(hù)。蓄電池電量監(jiān)測 使用了串行 12 位模數(shù)芯片 MAX187。 同時對輸出電壓進(jìn)行采樣，以保證輸出電壓的質(zhì)量達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。 微機部分。該部分 主要器件是 AT89S52，逆變電源的監(jiān)測 、保護(hù)等信息都由 AT89S52 進(jìn)行分析處理，并發(fā)出相應(yīng)控制指令，協(xié)調(diào)逆變電源各部分正常工作。 逆變電源各部分間的關(guān)系如圖 15 所示： 微機控制 顯 示 保護(hù)、反饋 輸出 逆變部分 蓄電池 電量監(jiān)測 圖 15 逆變電源結(jié)構(gòu) 原理 圖 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第 2 章 逆變電源 硬件 結(jié)構(gòu) 設(shè)計 逆變橋驅(qū)動器選擇 隨著集成電路技術(shù)的不斷成熟，與分立元件組成的電路相比，其可靠性 穩(wěn)定性明顯高于分立元件組成的功能電路，并且集成電路外圍電路設(shè)計大多比較簡單，十分利于電路的開發(fā)設(shè)計。 逆變電路對驅(qū)動器的要求 逆變電路的工作是否穩(wěn)定 、 正常直接關(guān)系到逆變輸出電能 的質(zhì)量。如果逆變 橋 中的開關(guān)器件開通和關(guān)斷出現(xiàn)紊亂，這將直接降低輸出電能的 質(zhì)量 ， 甚至 會導(dǎo)致 逆變失敗或短路 嚴(yán)重的 電路故障。 此外，為保證逆變輸出電壓波動在設(shè)計范圍內(nèi)，必須設(shè)有輸出電壓采樣電路，而采樣值最好能直 接反饋給驅(qū)動器，及時的調(diào)整輸出電壓幅值，使其穩(wěn)定在 允許范圍內(nèi)。鑒于此，集成驅(qū)動器無疑是最優(yōu)選擇。 逆變電路對驅(qū)動器有一下幾點 要求： 輸出脈沖頻率可調(diào)。脈沖的頻率即為輸出交流電壓的頻率，該逆變電源輸出電壓頻率為 50Hz。 有脈沖驅(qū)動功能，即可通過該控制端，使驅(qū)動器處于關(guān)閉狀態(tài)，無驅(qū)動脈沖輸出 。 配有兩路驅(qū)動脈沖輸出，分別用于逆變橋個橋臂控制。 從開發(fā)、設(shè)計和應(yīng)用角度出發(fā)，希望所選用的 驅(qū)動器外圍電路設(shè)計簡單 ，便于開發(fā)。同時要在性能價格上均衡考慮，使系統(tǒng)即能滿足性能要求，又降低造價。 逆變電路驅(qū)動器選擇 UC3524 是一種 高級穩(wěn)壓 集成 脈寬調(diào)制器 ， 工作環(huán)境溫度 0℃ ~+70℃ ，洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 雙列直插 16 腳封裝，最高振蕩頻率為 300kHz，振幅 ，電壓穩(wěn)定度1%，輸出電壓 5V，線性穩(wěn)定度 10mV，負(fù)載穩(wěn)定度 20mV，占空比 45%，輸入電壓 12~28V，上升時間 ，下降時間 。 UC3524 內(nèi)部振蕩周期 T=RT CT ，電容 CT 的 取 值 范 圍 是1000pF~， RT 的取值范圍是 ~100kΩ，最高振蕩頻率 300kHz。 死區(qū)時間與 CT 的容量有關(guān) ，當(dāng) CT 為 1000pF 時死區(qū)時間為 ，當(dāng) CT為 時，死區(qū)時間為 2us，當(dāng) CT 為 時，死區(qū)時間為 10us。因此，當(dāng)改變 CT RT 設(shè)定振蕩頻率是， 首先設(shè)定 CT 值，保證有適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時間，在選用 RT 值改變振動器的輸出頻率。 綜上， UC3524 為本設(shè)計中逆變電源逆變橋驅(qū)動器的最佳選擇。 逆變電源硬件設(shè)計 全橋逆變電路設(shè)計 工作特性 該部分 是 整個逆變電路的核心，擔(dān)負(fù)著將直流電變換成交流電的逆變?nèi)蝿?wù)。 主要工作器件為 IGBT，整個逆變橋的運行功率決定著該逆變電源輸出的最大功率。 設(shè)計原理 IGBT 也稱為絕緣柵雙極晶體管 , 是復(fù)合了功率場效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件 , 它將功率場效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點集于一身 , 既 具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū) 動電路簡單的優(yōu)點 , 又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受 電流大等優(yōu)點 , 因此應(yīng)用更加廣泛。 1） IGBT 的工作特性 IGBT 由柵極正負(fù)電壓來控制。當(dāng)加上正柵極電壓時，管子導(dǎo)通；當(dāng)加上負(fù)柵極電壓時，管子關(guān)斷。 IGBT 具有和 GTO 類似的伏安特性，隨著控制電壓 UGE 的增加，特性曲線上移。逆變橋中的 IGBT 通過 UGE 電平的變化，使其在飽和與截止兩種狀態(tài)交替工作。 IGBT 的 伏安特性和轉(zhuǎn)洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 移 特性如圖 21 所示： 圖 21 IGBT 的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性 IGBT 的伏安特性分為飽和 區(qū)、放大區(qū)、擊穿區(qū)和反向截止區(qū)。 本設(shè)計中， IGBT 作為開關(guān)器件使用，故其在飽和區(qū)和方向截止區(qū)交替工作。 2） IGBT 對 驅(qū)動電路 設(shè)計的要求 根據(jù) IGBT 的工作特性，對其驅(qū)動電路的要求如下： ① 提供適當(dāng)?shù)恼聪螂妷海?IGBT 能可靠的開通和關(guān)斷。 當(dāng)正偏壓增大時 IGBT 通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但 UGE 過大，負(fù)載短路時IC 隨 UGE 的增大而增大，對其安全不利， 使用中 12VUGE18V 為 宜 。本設(shè)計中 UGE=15V。負(fù)偏電壓可防止由于關(guān)斷時浪涌電流過大而 導(dǎo)致 IGBT誤導(dǎo)通， 一般選 UGE=5V 為宜。 ② IGBT 的開關(guān)時間應(yīng)綜合 實際 考慮?？焖匍_通和關(guān)斷有利于提高工作頻率 ， 減小開關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載 條件 下 ， IGBT 的開 關(guān) 頻率不宜過大 ， 因為高速開斷和關(guān)斷會產(chǎn)生很高的尖峰電壓 ，很 可能造成IGBT 自身或其他元件擊穿。 ③ IGBT 開通后 ， 驅(qū)動電路應(yīng)提供足夠的電壓、電流幅值 ， 使 IGBT 在正常工作及過載情況下不致退出飽和而損壞 。 ④ 驅(qū)動電路中的 柵極 電阻 RG 對 IGBT 工作性能有較大的影響 。 RG 較大 ， 有利于抑制 IGBT 的電流上升率及電壓上升率 ，