【正文】 光伏電源逆變器的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目　錄前　言 1第1章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 3167。 光伏電源逆變器的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要求 3167。 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 3167。 系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)要求 3167。 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 4167。 逆變電路 4167。 逆變電路的基本工作原理 4167。 電壓型逆變電路 5167。 SPWM調(diào)制技術(shù) 6167。 理論基礎(chǔ) 6167。 單極SPWM調(diào)制方式 7167。 雙極性SPWM調(diào)制方式 8第2章 SPWM調(diào)制電路 9167。 SG3525芯片介紹 9167。 功能結(jié)構(gòu) 9167。 SG3525特性 10167。 單極性SPWM調(diào)制電路 11167。 SPWM調(diào)制電路結(jié)構(gòu) 11167。 正弦波發(fā)生器 12167。 精密整流電路 14167。 誤差放大及加法電路 15167。 SPWM調(diào)制 16167。 時(shí)序控制電路 17第3章 逆變電路 19167。 IR2110芯片介紹 23 23167。 IR2110特性 24167。 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 26167。 輸出濾波器設(shè)計(jì) 27167。 保護(hù)電路設(shè)計(jì) 29第4章 系統(tǒng)調(diào)試 32167。 信號(hào)板電路的調(diào)試 32167。 信號(hào)板與H橋聯(lián)調(diào) 34167。 保護(hù)電路調(diào)試 36結(jié)　論 37參考文獻(xiàn) 38附　錄 41前　言逆變器（INVERTER）就是一種直流電轉(zhuǎn)化為交流電的裝置，一般是把直流電逆變成220V交流電。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。廣泛適用于空調(diào)、家庭影院、電動(dòng)砂輪、電動(dòng)工具、縫紉機(jī)、DVD、VCD、電腦、電視、洗衣機(jī)、抽油煙機(jī)、冰箱，錄像機(jī)、按摩器、風(fēng)扇、照明等，應(yīng)用十分廣泛[1]。我國(guó)太陽(yáng)能資源非常豐富，理論儲(chǔ)量達(dá)每年17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用的潛力非常廣闊。太陽(yáng)電池及組件產(chǎn)量逐年穩(wěn)步增加。在“光明工程”先導(dǎo)項(xiàng)目和“送電到鄉(xiāng)”工程等國(guó)家項(xiàng)目及世界光伏市場(chǎng)的有力拉動(dòng)下，中國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。目前我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是直流系統(tǒng)，即將太陽(yáng)能電池發(fā)出的電能給蓄電池充電，而蓄電池直接給負(fù)載供電，如我國(guó)西北地區(qū)使用較多的太陽(yáng)能戶用照明系統(tǒng)以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)的微波站供電系統(tǒng)均為直流系統(tǒng)。此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，但由于負(fù)載直流電壓的不同（如12V、24V、48V等），很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性，特別是民用電力，由于大多為交流負(fù)載，以直流電力供電的光伏電源很難作為商品進(jìn)入市場(chǎng)。另外，光伏發(fā)電最終將實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，這就必須采用逆變器，今后交流光伏發(fā)電系統(tǒng)必將成為光伏發(fā)電的主流。逆變系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。常用的逆變系統(tǒng)有電壓型、電流型、功率型等，我的設(shè)計(jì)是電壓型逆變器。本設(shè)計(jì)具有很高的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，世界各國(guó)都在努力發(fā)展太陽(yáng)能的應(yīng)用，預(yù)計(jì)在本世紀(jì)20年代用太陽(yáng)能電池構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)或在家電設(shè)備上的應(yīng)用將成為主流。這就體現(xiàn)了光伏逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。光伏陣列所發(fā)的電能為直流電能，然而許多負(fù)載需要交流電能。直流供電系統(tǒng)有很大的局限性，不便于變換電壓，負(fù)載應(yīng)用范圍也有限。除特殊用電負(fù)荷外，均需要使用逆變器將直流電變換為交流電。逆變器除能將直流電能變換為交流電能外，還具有自動(dòng)穩(wěn)壓的功能，可以改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，在并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)也需要使用具有并網(wǎng)功能的交流逆變器。逆變器種類很多，根據(jù)逆變器線路逆變?cè)淼牟煌凶约ふ袷幮湍孀兤?、階梯波疊加逆變器和脈寬調(diào)制（PWM）逆變器等。根據(jù)逆變器主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，可分為半橋結(jié)構(gòu)、全橋結(jié)構(gòu)、推挽結(jié)構(gòu)等。在新世紀(jì)，太陽(yáng)光發(fā)電系統(tǒng)逆變器，不僅要求其小型、重量輕、高品質(zhì)、高效率，還需滿足對(duì)交流電網(wǎng)的電壓、電流波形畸變和電壓波動(dòng)、瞬時(shí)停電的種種補(bǔ)償和抑制功能。形成的綜合系統(tǒng)，由于技術(shù)含量高，將產(chǎn)生顯著的附加值。誠(chéng)然，達(dá)到多功能的目標(biāo)就會(huì)引起主回路的復(fù)雜化，不易實(shí)現(xiàn)價(jià)廉、體積小、重量輕。所以，應(yīng)盡可能使用簡(jiǎn)單的主回路來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。SPWM逆變器是目前應(yīng)用最廣泛和最普及的一種形式[2]。因此，我國(guó)廣大的電子工程人員要盡早掌握這一先進(jìn)技術(shù)，這不僅是提高設(shè)計(jì)效率的需要，更是我國(guó)電子工業(yè)在世界市場(chǎng)上生存、競(jìng)爭(zhēng)與發(fā)展的需要。本文以500W光伏電源逆變器為研究設(shè)計(jì)對(duì)象。使用半橋驅(qū)動(dòng)芯IR2110簡(jiǎn)化了全橋驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，使用SG3525芯片利用SPWM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)220V/50Hz正弦穩(wěn)定輸出。具體要求指標(biāo)如下：(1) 輸入電壓額定為DCl2V，220V正弦交流輸出。(2) 輸出功率額定為500W。(3) 欠壓、過(guò)流保護(hù)動(dòng)作。第一章介紹系統(tǒng)概述，闡述系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求，同時(shí)概述SPWM調(diào)制技術(shù)及H橋逆變電路。第二章詳細(xì)敘述基于SG3525的SPWM調(diào)制電路，并給出部分重要模塊的Multisim仿真結(jié)果。第三章論述IR2110驅(qū)動(dòng)電路及輸出濾波器設(shè)計(jì)。第四章給出系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程及測(cè)試波形。第1章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述167。 光伏電源逆變器的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要求167。 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)控制電路SPWM調(diào)制產(chǎn)生SPWM波，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路加到H橋上實(shí)現(xiàn)全橋正弦逆變。然后經(jīng)LC濾波，工頻升壓輸出220V交流電。由于是對(duì)光伏電源進(jìn)行逆變，光伏電池電量不足時(shí)表現(xiàn)出欠壓，這就要求輸入欠壓保護(hù)；輸出端帶載能力有限，這就要求輸出過(guò)流保護(hù)。對(duì)輸入輸出進(jìn)行采樣，以實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)，輸出過(guò)流保護(hù)。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖11所示。圖11 系統(tǒng)框圖167。 系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)要求根據(jù)設(shè)計(jì)要求，光伏電源逆變器的主要性能參數(shù)如表11所示。表11 光伏逆變電源性能參數(shù)輸入直流電壓12V光伏電池指標(biāo)12V/10Ahx4最大充電能力輸出電壓（有效值）220V輸出額定電流頻率50Hz167。 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)使用到NE5532集成運(yùn)放，CMOS 4000系列的邏輯門(mén)電路，脈寬調(diào)制芯片SG3525以及半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2110等。這些芯片的供電電壓全部為+12V、12V所以利用7812和7912兩穩(wěn)壓片提供177。12V的電壓。電源系統(tǒng)原理圖如圖12所示。圖12 電源系統(tǒng)167。 逆變電路167。 逆變電路的基本工作原理單相橋式逆變電路為例：S1～S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。SS4閉合，SS3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為正S1；SS4斷開(kāi)，SS3閉合時(shí)，uo為負(fù)，把直流電變成了交流電。改變兩組開(kāi)關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時(shí)，io滯后于uo，波形也不同。t1前：SS4通，uo和io均為正。t1時(shí)刻斷開(kāi)SS4，合上SS3，uo變負(fù)，但io不能立刻反向。io從電源負(fù)極流出，經(jīng)S負(fù)載和S3流回正極，負(fù)載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時(shí)刻降為零，之后io才反向并增大。（波形圖如圖13所示）圖13 逆變電路及其波形舉例167。 電壓型逆變電路逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源 逆變電路，電流型逆變電路或電流源型逆變電路。圖14電路的具體實(shí)現(xiàn)。圖14 電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路）電壓型逆變電路的特點(diǎn)(1) 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)。(2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。(3) 阻感負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。167。 SPWM調(diào)制技術(shù)167。 理論基礎(chǔ)沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積[6]，效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同，低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異(如圖15所示)。圖15 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波N等分(如圖16)，可看成N個(gè)彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等用矩形脈沖代替，等幅不等寬，中點(diǎn)重合，面積(沖量)相等寬度按正弦規(guī)律變化SPWM波形即脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。PWM電壓波在每一時(shí)間段都與該時(shí)段中正弦電壓等效，除每一時(shí)間段的面積相等外，每個(gè)時(shí)間段的電壓脈沖還必須很窄，這就要求脈波數(shù)量很多。脈波數(shù)越多，不連續(xù)按正弦規(guī)律改變寬度的多脈沖電壓就越等效于正弦電壓。圖16 用PWM波代替正弦半波167。 單極SPWM調(diào)制方式ug1=1 T1通圖17 單極正弦波PWM調(diào)制方式控制電壓的分布：（如圖17，V1，V2為頻控臂）當(dāng)ur0ug2=1 T2通ug2=0 T2斷ug1=0 T1斷當(dāng)ur0即Ug1和Ug2互為反相，并受Ur極性控制。其頻率為調(diào)制信號(hào)的頻率[7]。V3,V4組成了暫控臂uruc, ug4=1, ug3=0, T3關(guān)斷, T4導(dǎo)通uruc, ug4=0, ug3=1, T4關(guān)斷, T3導(dǎo)通ug3，ug4互為反向，受ur和uc的幅值控制。uo=0uc0uo=0uc0VdVd由以上分析，驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生示意電路如圖18：圖18 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路167。 雙極性SPWM調(diào)制方式圖19 雙極正弦波PWM調(diào)制方式在Ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得PWM波也有正有負(fù)（圖19），其幅值只有177。Ud兩種電平。同樣在調(diào)制信號(hào)Ur和載波信號(hào)Uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制器件的通斷Ur正負(fù)半周，對(duì)各開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同。TT4和TT3兩組相互導(dǎo)通[8]。當(dāng)uruc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào)。如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通，uo=Ud。當(dāng)uruc時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4關(guān)斷信號(hào)。如io0，V2和V3通，如io0，VD2和VD3通，uo=Ud。相同的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，單極性SPWM開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)相對(duì)少些，諧波情況好些，多用于單相逆變。雙極性SPWM諧波情況差些，用于三相逆變。由以上分析，驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生示意電路如圖110：圖110 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路第2章 SPWM調(diào)制電路167。 SG3525芯片介紹167。 功能結(jié)構(gòu)電壓調(diào)節(jié)芯片SG3525具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖21所示。其中，腳16為SG3525的基準(zhǔn)電壓源輸出，精度可以達(dá)到（177。1％）V，采用了溫度補(bǔ)償，而且設(shè)有過(guò)流保護(hù)電路。腳5，腳6和腳7內(nèi)有一個(gè)雙門(mén)限比較器，內(nèi)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525的振蕩器[11]。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1及腳2分別為芯片內(nèi)誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。圖21 SG3525原理圖167。 SG3525特性1. SG3525基本特點(diǎn)(1) 工作電壓范圍835V。(2) ，精度177。1%。(3) 震蕩頻率范圍100Hz500KHz。 (4) 內(nèi)置軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。 圖22 SG3525引腳圖(5) 逐個(gè)脈沖關(guān)斷。 (6) 帶滯回電壓的輸入欠壓鎖定。(7) PWM鎖定功能，禁止多脈沖。 2. SG3525各部分功能(1) 基準(zhǔn)電壓源基準(zhǔn)電壓源是一個(gè)三端穩(wěn)壓電路，其輸入電壓VCC可在(8~35)V內(nèi)變化，通常采用+15V，其輸出電壓VST＝，精度，采用溫度補(bǔ)償，作為芯片內(nèi)部電路的電源，也可為芯片外圍電路提供標(biāo)準(zhǔn)電源[12]，向外輸出電流可達(dá)400mA，沒(méi)有過(guò)流保護(hù)電路。(2) 振蕩電路由一個(gè)雙門(mén)限電壓均從基準(zhǔn)電源取得，其高門(mén)限電壓低門(mén)限電壓，內(nèi)部橫流源向CT充電，其端壓VC線性上升，構(gòu)成鋸齒波的上升沿，當(dāng)時(shí)比較器動(dòng)作，充電過(guò)程結(jié)束，上升時(shí)間t1為：比較器動(dòng)作時(shí)使放電電路接通，CT放電，VC下降并形成鋸齒波的下降沿，當(dāng)時(shí)比較器動(dòng)作，放電過(guò)程結(jié)束，完成一個(gè)工作循環(huán)，下降時(shí)間間t2為：，此時(shí)間即為死區(qū)時(shí)間鋸齒波的基本周期T為：因?yàn)橛缮峡梢?jiàn)鋸齒波的上升沿遠(yuǎn)長(zhǎng)于下降沿，因此上升沿作為工作沿，下降沿作為回掃沿。(3) 誤差放大器由兩級(jí)差分放大器構(gòu)成，其直流開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為80dB左右，電壓反饋信號(hào)從端子1接至放大器反相輸入端，放大器同相輸入端接基準(zhǔn)電壓。 (4) PWM信號(hào)產(chǎn)生及分相電路比較器的反相端接誤差放大器的輸出信號(hào)ue，而振蕩器的輸出信號(hào)uc則加到比較器的同相輸入端，比較器的輸出信號(hào)為PWM信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)鎖存器鎖存，分相電路由二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和兩個(gè)或非門(mén)構(gòu)成，其輸入信號(hào)為振蕩器的時(shí)鐘信號(hào)，并用時(shí)鐘信號(hào)的前沿觸發(fā)，輸出為頻率減半的互補(bǔ)方波，這些方波和PWM信號(hào)輸入到或非門(mén)邏輯電路。其結(jié)果是，所有的輸入為負(fù)時(shí)，輸出為正。這樣的輸出每半周期交替為正，其寬度和PWM信號(hào)的負(fù)脈沖相等。脈沖很窄的時(shí)鐘信號(hào)輸入到邏輯或非門(mén)電路，可使兩個(gè)門(mén)的輸出同時(shí)有一段低電平，以產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間。(5) 脈沖輸出級(jí)電路輸出末級(jí)采用推挽輸出電路[13]，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)功率管時(shí)關(guān)斷速度更快。11腳和14腳相位相差180，拉電流和灌電流峰值達(dá)200mA。由于存在開(kāi)閉滯后，使輸出和吸收間出現(xiàn)重疊導(dǎo)通。在重疊處有一個(gè)電流尖脈沖，起持續(xù)時(shí)間約為l00ns。167。 單極性SPWM調(diào)制電路167。 SPWM調(diào)制電路結(jié)構(gòu)u2u1精密整流電路誤差放大加法電路直流分量50HZ同步方波SG3525調(diào)制時(shí)序控制50HZ正弦波Q1 Q2 Q3 Q4U3u4u5圖23 SPWM控制電路框圖如果想要得到正弦電壓的輸出，就要使逆變電路的控制信號(hào)以SPWM方式控制功率管的開(kāi)關(guān)，得到的脈沖方波輸