【正文】 一般情況下，這些新型發(fā)電裝置輸出不穩(wěn)定的直流電，不能直接提供給需要交流電的用戶使用。為解決此問題，必須提高市電電網(wǎng)的供電質(zhì)量。為此，需要不間斷電源（ UPS）來保證計(jì)算機(jī)的運(yùn)行安全。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報告用紙 第 2 頁 共 54 頁 1 緒論 逆變電源的廣泛應(yīng)用 現(xiàn)代逆變電源以其高集成度、高性能比、最簡的外圍電路、最佳的性能指標(biāo)等顯著優(yōu)點(diǎn)而受到青睞，可以說逆變電源從問世以來就引起了國內(nèi)外電源界的普遍關(guān)注。 21世紀(jì)是能源開發(fā)、資源利用與環(huán)境保護(hù)互相協(xié)調(diào)發(fā)展的世紀(jì)，能源的優(yōu)化利用與清潔能源的開發(fā)，是能源資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。 UPS電源主要由整流器 (包括充電器 )和逆變器組成。各大汽車公司均投入巨資積極發(fā)展電動汽車。采用由逆變器制成的電力有源濾波器 APF和靜止無功功率補(bǔ)償器 SVC，可以有效地治理市電電網(wǎng)的諧波污染。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報告用紙 第 3 頁 共 54 頁 逆變電源的發(fā)展趨勢 逆變器也稱逆變電源，通過半導(dǎo)體功率開關(guān)的開通和關(guān)斷作用，將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的一種變換裝置，是整流變換的逆過程，是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的一個重要部件。進(jìn)入 20世紀(jì) 80年代后，逆變技術(shù)開始從應(yīng)用低速器件、低開關(guān)頻率逐漸向采用高速 器件、提高開關(guān)頻率的方向發(fā)展，使逆變器體積進(jìn)一步減小，效率進(jìn)一步提高，正弦波逆變器的品質(zhì)指標(biāo)也得到很大提高。逆變電源在現(xiàn)代援術(shù)及新器件的支持下，無論是可靠性還是性能價格比，以及高效節(jié)能方面，都將不斷進(jìn)步和提高。本文設(shè)計(jì)的電源 是 輸入電壓為 36V～ 48V，負(fù)載電流有效值為 ～ 1A 時，輸出線電壓有效值應(yīng)保持在 220V,在設(shè)計(jì)中 ,我們采用 SPWM逆變控制技術(shù) ,單片機(jī)控制輸 出 SPWM 波 ,驅(qū)動開關(guān)元件的電壓型逆變電路 ,最后 把直流電壓逆變成穩(wěn)定的交流電壓。如果個輸出波形的傅立變換進(jìn)行頻譜分析，可發(fā)現(xiàn)它們的低頻段特往非常接近，僅在高頻僅略有差異。 圖 21形狀不同而沖量相同的各種脈沖 上述結(jié)論是 SPWM的重要基礎(chǔ)， 用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波 N等分，看成 N個相連的脈沖序列，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 概述 所謂 SPWM技術(shù)就是用功率器件的 開 通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖系列，以實(shí)現(xiàn)變壓變頻及控 制和消除諧波為目標(biāo)的技術(shù)，也就是利用相當(dāng)于基波分量的信號波對三角載波進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的一種方法 。具體來說，就是用一種參考正弦波為“調(diào)制波”，而以 N倍于調(diào)制波頻率的三角波為“載波”。目前已經(jīng)提出并得到應(yīng)用的 SPWM控制技術(shù)就不下十種。這樣，使調(diào)壓和調(diào)頻兩個作用配合一致，且于中間直流環(huán)節(jié)無關(guān)，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動態(tài)性能。 SPWM 變頻電路具有以下特點(diǎn)： 1. 可以得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓 ； 2. 整流電路采用二極管，可獲得接近 1的功率因數(shù) ； 3. 電路結(jié)構(gòu)簡單 ； 4. 通過對 輸出脈沖寬度的控制可改變輸出電壓，加快了變頻過程的動態(tài)響應(yīng) ,現(xiàn)在通用變頻器基本都再用 SPWM 控制方式，所以介紹一下 SPWM 控制的原理 。是指該環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。這些脈沖寬度相等，都等于 ∏ /n ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。對于正弦的負(fù)半周，也可以用同樣的 方法得到 SPWM 波形。 單極性正弦波脈寬調(diào)制方式 所謂單極性控制是指在輸出 波形的半個周期內(nèi)，逆變器同一橋臂中的兩個開關(guān)元件只有一個處于不斷切換的開關(guān)狀態(tài)，另一個則始終處于關(guān)斷狀態(tài)。改變控制信號 U c 的頻率，則輸出電壓的基波頻率亦隨之 而改變，這 樣就實(shí)現(xiàn)既可調(diào)壓又可調(diào)頻的目的。這樣輸出波形在任何半周期內(nèi)都會出現(xiàn)正、負(fù)極性電壓交替的情況，故稱之為雙極性控制，其波形示意圖如圖 24 所示。 圖 25自然采樣法示意圖 規(guī)則采樣法 采用三角波作為裁波的規(guī)則采樣法示意圖如圖 26所示。當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時刻對正弦波進(jìn)行采樣時，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個載波周期 (此時為采樣周期的兩倍 )內(nèi)的位置一般并不對稱，這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣。由于此方法是 SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時刻 ，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計(jì)算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實(shí)時控制的缺點(diǎn)。 在交流應(yīng)用場合，多數(shù)負(fù)載要求輸入的是正弦波電流。當(dāng)然，在不觸及負(fù)載特性、能量轉(zhuǎn)換效率、環(huán)境污染和系統(tǒng)綜合技術(shù)指標(biāo)以及小功率應(yīng)用場合的前提下，就控制方法而言則顯得容易些。對應(yīng)于正弦量的正負(fù)半周，實(shí)施雙路調(diào)制或單路分相處理及放大后，控制驅(qū)動功率開關(guān)器件運(yùn)行，最終得正弦化交流量的樣本波形如（圖 29）所示，濾波后流經(jīng)負(fù)載的電流即為正弦波電流。從而在純坐標(biāo)條件下，調(diào)制僅為坐標(biāo)區(qū)間數(shù)量的關(guān)系而與時間或頻率 無關(guān)。所以，正弦曲線正半 周內(nèi)的各直線相交后交叉點(diǎn)位于各自相位區(qū)間內(nèi)幅值的上下限同樣為（ 1， 0）。由此取得對應(yīng)的瞬時幅值（ y np ）似乎毫無意義，但是，對于模擬控制方法則是一個極為重要的過渡參數(shù)。顯然，開關(guān)相位角（ x np ）數(shù)據(jù)適用于微處理器作數(shù)字處理，甚至可以直接給出開關(guān)相位角的時序數(shù)字控制輸出信號；瞬時幅值（ y np ）適合于模擬方法控制，利用比較法即可獲取開關(guān)角的控制輸出信號，當(dāng)然并不排除多種數(shù)模結(jié)合及優(yōu)化方案。 當(dāng) N=4時，正負(fù)半周各占兩個等幅等寬脈沖，因而僅能理解為單純型多脈沖形式的波形結(jié)構(gòu)。 NL數(shù)列每周期正弦量內(nèi)調(diào)制得的周期脈沖總數(shù)等于 N或三角載波的周期總數(shù)（圖 26），而 NH數(shù)列的調(diào)制結(jié)果則位于正弦波峰值處出現(xiàn)的無效的（ mp ）單個交點(diǎn) ， 不能組成對偶的脈沖邊沿（圖210）。 由于兩者的特征既存在共性又有明顯的個性差異，這一共性造就了 N的理解僅為一個概念性的量值數(shù)據(jù)，其個性的差異將為實(shí)施帶來更為復(fù)雜的論證過程。 由（圖 2 210）可知，具有相同周期脈沖數(shù)的 NL與 NH調(diào)制所得的最大占空比產(chǎn)生了很大的差距，單個脈沖的布局差異也導(dǎo)致了最小關(guān)斷占空時間的差別，而平均值精度則正常按 N的遞增而遞增。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報告用紙 第 18 頁 共 54 頁 3 逆變主電路設(shè)計(jì) 圖 31為逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 通過交流輸出電壓調(diào)節(jié)回路調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓波形；通過過流檢測電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)，當(dāng)檢測到故障信號時，立即關(guān)斷逆變器的功率管，從而起到保護(hù)逆變電源的作用。因此這里只介紹如圖 31所示五種常用的隔離式 DC/DC電路。首先變壓器鐵芯單向磁化，利用率低，主功率管承受兩倍的輸入電壓，只能適合抵押輸入電路。如圖 41(b)，電路結(jié)構(gòu)簡單，可以看成兩個完全對稱的單端正激式變換器的組合，因此變壓器鐵芯是雙向磁化的，相同鐵芯尺寸下，推挽電路比正激式電路輸出更大的功率。如圖 41(c)，變壓器鐵芯不存在直流偏磁現(xiàn)象，變壓器兩象限工作，利用率高，功率管只承受電源電壓，適合高壓中功率場合。 (5)反激式。 如圖 42為 全橋 變換器的主電路，其中 Ql、Q2為兩個共負(fù)極的功率開關(guān)元件， T5A為帶中心抽頭的升壓變壓器。若控制信號交替驅(qū)動兩個功率管，則經(jīng)過變壓器耦合產(chǎn)生高壓矩形交流電壓，此高壓高頻交流電再經(jīng)過整流電路整流轉(zhuǎn)化為高壓直流。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報告用紙 第 22 頁 共 54 頁 5 控制電路 設(shè)計(jì) PIC16F73 單片機(jī) 及外圍電路設(shè)計(jì) 圖 51PIC16F73單片機(jī) 及外圍電路 PIC16F73最高時鐘頻率為 20MHZ，每條指令執(zhí)行周期 200ns，由于大多數(shù)指令執(zhí)行 間為一個周期，因此速度相當(dāng)快。輸出電壓經(jīng)電阻分壓取樣后，由運(yùn)算放大電路將電平轉(zhuǎn)換為單片機(jī) A/D轉(zhuǎn)換口所能接受的0～ 5V電壓信號，送入單片機(jī) A/D轉(zhuǎn)換口。 本節(jié)針對本系統(tǒng)采用的是 MOSFET功率管進(jìn)行驅(qū)動電路選型與設(shè)計(jì)。采用隔離驅(qū)動方式時需要將多路驅(qū)動電路、控制電路、主電路互相隔離，以免引起災(zāi)難性的后果。電磁隔離用脈沖變壓器作為隔離元件，具有響應(yīng)速度快（脈沖的前沿和后沿），原副邊的絕緣強(qiáng)度高，共模干擾抑制能力強(qiáng)。脈沖變壓器體積大，笨重，加工復(fù)雜。它兼有光耦隔離（體積小）和電磁隔離（速度快）的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選品 種。 50V/ns， 15V下靜態(tài)功耗僅 116mW；輸出的電源端（腳 3,即功率器件的柵極驅(qū)動電壓）電壓范圍 10～20V；邏輯電源電壓范圍（腳 9） 5～ 15V，可方便地與 TTL， CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有177。如上所述 IR2110的特點(diǎn)，可以為裝置的設(shè)計(jì)帶來許多方便。芯片 7414的左端兩個 1， 3管腳對應(yīng)單片機(jī)輸出的SPWM，電路右邊輸出接到逆變橋上。由于功率晶體管共地，驅(qū)動及控制電路簡單，另外由于變壓器具有一定的漏感，可限制短路電流，因而提高了電路的可靠性。開關(guān)器件 T1和 T2基極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補(bǔ)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報告用紙 第 27 頁 共 54 頁 圖 62半橋逆變電路 圖 63所示的全橋逆變電路與半橋電路的區(qū)別是用兩只同樣的開關(guān)管代替了兩只電容，全橋逆變電路工作需要兩組相位相反的驅(qū)動脈沖分別控制兩對開關(guān)管，功率晶體管T T4和 T T3反相， T1和 T2相位互差 180度。 圖 63全橋逆變電路 逆變主電路的選擇 逆變器是系統(tǒng)的核心部分，也是直接和負(fù)載相連接的部分。 逆變電路的功能是將上一節(jié)中升壓得到的高壓直流電經(jīng) SPWM全橋逆變，變成 220V的 SPWM電壓，再經(jīng)輸出濾波電路濾波為 220V、 50Hz正弦交流電壓輸出 。由于系統(tǒng)額定輸出電壓 220V，其額定輸出電流約峰值電流約 2． 52A，考慮負(fù)載類型及允許的過載倍數(shù)， NMOS的額定電流值按 3倍額定選擇，參考市面上的 NMOS種類，取耐壓值 Veer為 55V系列的IRF3205功率管即可 . IRF3205具有開關(guān)速度快，輸入阻抗高，驅(qū)動功率低，通 流能力強(qiáng)的特點(diǎn)，目前 IRF3205的電流電壓等級為 110A/55V，關(guān)斷時間已縮短到 64ns，擎住現(xiàn)象得到改善，安全工作區(qū)域擴(kuò)大 。在電氣技術(shù)指標(biāo)滿足正常使用要求的條件下，為使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā) 故障情況下安全可靠地工作， 必須得設(shè)計(jì)一個電路能及時把輸出的情況及時回饋給控制電路 。 圖 71 采樣反饋電路 保護(hù)電路 設(shè)計(jì) 過流保護(hù)的必要性 前面在選擇 NMOS的型號時，考慮了 器件的 工作電流及允許的過電流，然而在故障條件下，器件承受較大的故障 電流，這是不允許的，所以要用某些方法保護(hù)器件免受破壞。 應(yīng)有一定的抗干擾能力。所以需要將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成 O～ 3． 3V之間變化的電壓信號，再送到控制芯片的 A/D轉(zhuǎn)換口。 一 般而占，功率 MOS管承受道電壓的能力較差，開關(guān)管 開關(guān)過程中管子 漏極和源極之間會出現(xiàn)由于電路分布電感釋放能量而 出現(xiàn)的過電壓。當(dāng)采用 上述兩項(xiàng)措施后大大提高了管子的可靠性。對于短路故障必須立刻停機(jī)，這功能可以由串接在主 功率回路中的快速 熔斷器實(shí)現(xiàn) 。在正常情況下，采樣值小于設(shè)定值系統(tǒng)正常工作 。并介紹了保護(hù)電路的必要性和重要性。為了節(jié)省表的存儲空間，實(shí)際編程時，可保存半個周期內(nèi)的正弦波離散點(diǎn)，即保存 N/2個點(diǎn)，然后用交替的方式輸出 SPWM 波來控制逆變橋 的工作。 軟件設(shè)計(jì) 由于單片 機(jī) PIC16F73具 有強(qiáng)大的功能，困此用其作為逆變電源的主控芯片 是很 方便的 。內(nèi)部定時器在計(jì)數(shù)過程中 不斷與這兩個寄存器的值相比較，達(dá)到設(shè)定時間時輸出電平產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從)wt(s in w tdi ii m? ?? ????? ? ?）（ US)wt(s in wt diik ? ?? ????? ? ?）（D 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報告用紙 第 33 頁 共 54 頁 而控制 PWM信號的周期和占空比。 在軟件設(shè)計(jì)中，將 CCP2模塊作為 PWM輸出口， CCP1模塊采用比較功能，單片機(jī)時鐘為 20MHZ,計(jì)時步階 。中斷服務(wù)子程序用 來修改 SPWM信號的占空比 。然后根據(jù) SPWM周期計(jì)算出各點(diǎn)的脈寬值，轉(zhuǎn)換成計(jì)時步階，做成正弦表 （表 81） ，供 CCP1中斷子程序調(diào)用。但實(shí)際上， SPWM頻率一般都很高，周期很短，要在每一個周期內(nèi)都完成脈寬的調(diào)整