【正文】 ry applications . 1995,V10(3):373378 。 微機(jī)控制采用目前工程應(yīng)用廣泛的數(shù)字信號(hào)處理器 DSP，將使逆變電源整個(gè)工作性能進(jìn)行大幅提升，而且開(kāi)發(fā)成本低，有效提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 撰寫(xiě)論文的過(guò)程也是對(duì)作者相關(guān)工作的階段性總結(jié)?？紤]到電網(wǎng)含有的各種諧波對(duì)逆變電源正常工作可能產(chǎn)生的干擾，在對(duì)電網(wǎng)供電情況進(jìn)行檢測(cè)是，都是通過(guò)變壓器將逆變電源與電網(wǎng)進(jìn)行電氣隔離。 。 本文著重研究設(shè)計(jì)了基于 UC3524 的逆變電源，包括逆變主電路設(shè)計(jì)方案、脈沖發(fā)生電路、保護(hù)及反饋技術(shù)。影響最大的是 角頻率為 ωc 的諧波分量。 圖 45 給出了取不同調(diào)制度 a 時(shí)，單相橋式 PWM 逆變電路在雙極性調(diào)制方式下輸出電壓的頻譜圖。 設(shè)正弦信號(hào)波為 tau rr ?sin? （ 41） 式中， a 為調(diào)制度， 0≤ a1； ωr 為正弦信號(hào)波角頻率。圖 44 為規(guī)則采樣法原理圖。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 圖 43 單相橋式 PWM 逆變電路 軟件調(diào)制法 軟件生成法就是 通過(guò)微機(jī)控 制技術(shù) 利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法， 它有兩種基本算 法： 自然采樣法 和 規(guī)則采樣法。在負(fù)載電流為正的區(qū)間，VT1 和 VT4 導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓 uo 等于直流電壓 Ud； VT4 關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流流過(guò) VT1 和 VD4 續(xù)流， uo=0。 圖 43 采用 IGBT 作為開(kāi)關(guān)器件的單相橋式 PWM 逆變電路。一般載波是采用等腰三角形的，最后需要的 SPWM 波形就是當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波的時(shí)候。這種方法的優(yōu)點(diǎn) 在于 各開(kāi)關(guān)開(kāi)合的時(shí) 間 計(jì)算的非常 精確 ，因?yàn)樗某霭l(fā)點(diǎn)是基于 SPWM 的基本原理 ，最終得到的波形與正弦波也比較接近。根據(jù)脈沖等效原理， PWM 波形和正弦半波的面積是等效的。將正弦半波分成 N 等分，用等幅不等寬的脈沖來(lái)等效代替，如圖 42 所示。效果基本相同，即環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同 。 脈寬調(diào)制（ Pulse Width Modulation， PWM）就是利用控制半導(dǎo)體元件（如二極管、三極管、和場(chǎng)效應(yīng)管等）的通斷時(shí)間比，即通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度或周期（占空比）來(lái) 等效的獲得所需要輸出的波形 的一種技術(shù)。而后， 微機(jī)發(fā)出控制指令，使逆變脈沖發(fā)生器發(fā)出 PWM 信號(hào)，逆變電路開(kāi) 始工作，產(chǎn)生交流電壓，帶逆變工作穩(wěn)定后， 斷電檢測(cè)電路檢測(cè)到的電網(wǎng)斷電信號(hào)反饋到微機(jī)，經(jīng)微機(jī)處理后，發(fā)送控制命令控制逆變輸出繼電器，將負(fù)載供電由電網(wǎng)切換到逆變電源， 完成對(duì)負(fù)載繼續(xù)供電。 對(duì)電網(wǎng)供電是否正常以及蓄電池電量進(jìn)行檢測(cè)， 檢測(cè)完畢后，進(jìn)入待機(jī)模式，等待操作員按下運(yùn)行按鈕，發(fā)出啟動(dòng)命令。 result=lbyte。 CS=1。 SCLK=1。 //開(kāi)始讀取數(shù)據(jù) hdata=0。i8。 unsigned int result。程序的設(shè)計(jì)思路洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 是：定義 腳為時(shí)鐘 SCLK， 為數(shù)據(jù) DOUT， 為片選端。數(shù)據(jù)讀取完成后， DOUT 將置為高電平。 MAX187 操作時(shí)序圖如圖 31 所示。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 第 3 章 軟件設(shè)計(jì) MAX187 工作時(shí)序 MAX187 是串行 12 位分辨率逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器。 （ 3） 采用雙重過(guò)載、短路保護(hù) 本設(shè)計(jì)的逆變電源額定輸出功率為 1kW，工作時(shí)輸出功率較大，為保證出現(xiàn)短路或長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載時(shí)，電源能及時(shí)可靠的進(jìn)行自我保護(hù)，為此設(shè)計(jì)了雙重保護(hù)。 同一個(gè)功能電路模塊，可采用集成器件設(shè)計(jì)，也可以用各種分立器件組合設(shè)計(jì) 。 P P P3 口有內(nèi)置上拉電阻，在驅(qū)動(dòng)能力 足夠的前提下，無(wú)需再外接上拉電阻。 AT89S52 端口資源配置 AT89S52 片上內(nèi)置了 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線 ， 看門(mén)狗定時(shí)器 ， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針 ， 三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ， 一個(gè) 6向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu) 。 為減輕微機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器并不實(shí)時(shí)進(jìn) 行工作，并且 電池電量變化時(shí)緩慢的，可以間斷分時(shí)對(duì)蓄電池電量信息進(jìn)行采樣， 這樣設(shè)計(jì)既減輕微機(jī)的工作量，又降低了逆變電源自身功耗，符合了低功耗的設(shè)計(jì)原則。 利用這一特性，在蓄電池接入端串入一個(gè)小電阻 ，取這個(gè)電阻的壓降，當(dāng)蓄電池電量偏低時(shí)，電阻上的壓降會(huì)降低到某個(gè)值， 將這個(gè)電壓值作為判斷蓄電池電量是否偏低的門(mén)限電壓， 當(dāng)電阻壓降高于這個(gè)門(mén)限電壓時(shí)，電池電量充足；當(dāng)電阻壓降低于這個(gè)門(mén)限電壓時(shí)，電池電量不足。高電平使用內(nèi)部參考電壓，懸空時(shí)禁止內(nèi)部參考。 圖 29 電源供電電源切換電路 蓄電池電量監(jiān)控電路 當(dāng)蓄電池在放電工程中，電量會(huì)逐漸降低， 為防止蓄電池過(guò)放 ， 導(dǎo)致蓄電池使用壽命縮短甚至電池直接 損壞，逆變電 源應(yīng)對(duì)蓄電池的電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)蓄電池電量偏低時(shí)要及時(shí)采取措施停止蓄電池繼續(xù)放電而損壞 電池 。 市電對(duì)逆變電源供電。 GATE 端接 蓄電池 PMOSFET 驅(qū)動(dòng)端， 接通或 切 斷 控制蓄電池 對(duì)逆變電源供電。當(dāng)未接入輔助電源時(shí)，此端直接由模擬控制器控制，使外接 PMOSFET 導(dǎo)通；當(dāng)無(wú)輔助電源時(shí)，GATE 端電壓升到 SENSE 端電壓， PMOSFET 關(guān)斷。 3 GND 接地 5 NC 空腳 6 SENSE 有兩個(gè)功能：電源輸入端，給內(nèi)部電路供電；電源電壓檢測(cè)輸入端，該端通常由輔助電源供電 ，該輔助電源還向負(fù)載供電。使用時(shí)需外接上拉電阻，輸出狀態(tài)信號(hào)。 電源切換控制器 LTC4414 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 LTC4414 是一種功率 PEFT 控制器，主要用于控制電源的通、斷及自動(dòng)切換 。 圖 28 市電斷電監(jiān)測(cè)電路 該 部分電路主要是給微機(jī)提供市電運(yùn)行狀態(tài)信息，微機(jī)通過(guò)外部中斷對(duì)市電運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行掃描檢測(cè)。 此外，還將保護(hù)信號(hào)送入微機(jī)，保護(hù)電路對(duì)電壓進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成可以直接送入微機(jī)處 理的電平信號(hào)。在逆變電源輸出端和市電接入端分別接入熔斷器 F F2，作為二級(jí)保護(hù)， 如圖 26 所示。 考慮到該電路是在帶負(fù)載的情況 下進(jìn)行電源自動(dòng)切換，切換過(guò)程中，觸頭會(huì)產(chǎn)生電弧， 所以選擇繼電器時(shí)，繼電器的觸頭材質(zhì)要耐高溫，而且觸頭系統(tǒng)還 應(yīng) 設(shè)有滅弧裝置，防止產(chǎn)生的電弧燒壞觸頭，造成觸頭接洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 觸不良而影響供電性能。 負(fù)載供電自動(dòng)切換電路 完成負(fù)載供電在市電與逆變電源間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。濾波電路采用 ? 形LC 濾波電路， LC 濾波電路中，濾波電感 L 對(duì)主流壓降很小，而對(duì)交流成分而言，電感 L 的感抗很大，對(duì)交流成分有很大的衰減作用，使整流輸出中參雜的 交流成分 衰減掉。 圖 24 脈沖發(fā)生電路原理圖 逆變輸出采樣電路 工作特性 為了對(duì)逆變輸出的方波電壓進(jìn)行穩(wěn)壓控制，逆變輸出采樣電路對(duì)逆變輸出電壓進(jìn)行取樣，將取樣交流 24V 電壓進(jìn)行整流、濾波處理后，經(jīng)R4 R4 R51 分壓后，送人雙端驅(qū)動(dòng)器 UC3524 的 1 引腳取樣輸入端，如圖 24 所示。 為確保逆變輸出 交流電壓 幅值穩(wěn)定，對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，并將采樣值經(jīng)采樣電路處理后經(jīng)電阻分壓，送人 UC3524 的內(nèi)部差分放大器反洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 相輸入端。 5V 基準(zhǔn)電壓經(jīng)電阻 R3 R42 進(jìn)行1:2 分壓后，作為誤差檢測(cè)電壓接入 內(nèi)部 差分放大器同相輸入端。 3 內(nèi)部振動(dòng)器鋸齒波輸出端 5 內(nèi)部電流限制放大器 CL 的“ +”“ ”取樣端 6 外接 RT 端 7 外接 CT 端 8 接地端 9 內(nèi)部差分放大器輸出端 ，接入 R3 C22 組成相位矯正電路 10 PWM 脈沖輸出控制端 ，輸入高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖被關(guān)斷 1 14 內(nèi)部?jī)陕夫?qū)動(dòng)級(jí) NPN 管發(fā)射極引出端 1 13 內(nèi)部?jī)陕夫?qū)動(dòng)級(jí) NPN 管集電極引出端 15 直流 電源輸入端 （ 12~28V） 16 5V 基準(zhǔn)電壓輸出端 電路設(shè)計(jì) UC3524 輸出脈沖為兩路輸出，即開(kāi)關(guān)頻率為振蕩頻率的兩倍。 工作特性 該部分為整個(gè)逆變電路的核心，脈沖發(fā)生器 UC3524 根據(jù)設(shè)定的振蕩周期，發(fā)出固定頻率的 PWM 脈沖信號(hào)，控制逆變橋工作，同時(shí)逆變電源輸出反饋信號(hào)經(jīng)反饋電路處理后反饋給 UC3524。選擇雙端輸出驅(qū)動(dòng)器 UC3524 作為脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器。再達(dá)林頓組合前，再加一級(jí)射極輸出放大。 驅(qū)動(dòng)電路輸出 一般不 和 IGBT 柵極直接相連，應(yīng)使用 絞合 線連接(2 轉(zhuǎn)／ cm)。 本設(shè)計(jì)中 RG 選阻值為 15Ω 的電阻。 ③ IGBT 開(kāi)通后 ， 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓、電流幅值 ， 使 IGBT 在正常工作及過(guò)載情況下不致退出飽和而損壞 。負(fù)偏電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過(guò)大而 導(dǎo)致 IGBT誤導(dǎo)通， 一般選 UGE=5V為宜。 本設(shè)計(jì)中， IGBT 作為開(kāi)關(guān)器件使用，故其在飽和區(qū)和方向截止區(qū)交替工作。當(dāng)加上正柵極電壓時(shí)，管子導(dǎo)通；當(dāng)加上負(fù)柵極電壓時(shí)，管子關(guān)斷。 逆變電源硬件設(shè)計(jì) 全橋逆變電路設(shè)計(jì) 工作特性 該部分 是 整個(gè)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)。 UC3524 內(nèi) 部 振 蕩 周 期 T=RTCT ，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。 配有兩路驅(qū)動(dòng)脈沖輸出，分別用于逆變橋個(gè)橋臂控制。鑒于此，集成驅(qū)動(dòng)器無(wú)疑是最優(yōu)選擇。 逆變電源各部分間的關(guān)系如圖 15 所示： 微機(jī)控制 顯 示 保護(hù)、反饋 輸出 逆變部分 蓄電池 電量監(jiān)測(cè) 圖 15 逆變電源結(jié)構(gòu) 原理 圖 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 2 章 逆變電源 硬件 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 逆變橋驅(qū)動(dòng)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(jì)大多比較簡(jiǎn)單，十分利于電路的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。蓄電池電量監(jiān)測(cè) 使用了串行 12 位模數(shù)芯片 MAX187。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 設(shè)計(jì)方案總體規(guī)劃 逆變電源總體分為三大部分： 逆變部分。 圖形液晶顯示特性， 128 64 圖形液晶，液晶控制器 ST7920，ST7920 對(duì)控制器送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行鎖存后，再將信號(hào)送入圖形液晶顯示，提高顯示的穩(wěn)定性可視性。 雙端輸出驅(qū)動(dòng)器 UC3524 產(chǎn)生逆變電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 蓄電池電量監(jiān)測(cè)。為保證輸出電壓幅值的穩(wěn)定，電源控制電路對(duì)逆變輸洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)要求。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(dòng)快速切換。輸出電壓再次為零。 逆變 電路的驅(qū)動(dòng) 控制 全橋逆變電路工作原理 如圖 13 所示，設(shè)在 t1 時(shí)刻前 VT1 和 VT4 導(dǎo)通，輸出負(fù)載電壓為 Ud，t1 時(shí)刻 VT3 和 VT4 柵極信號(hào)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。 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。其缺點(diǎn)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(gè)電容器串聯(lián)，工作是還要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡。 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(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管并聯(lián)組成。 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(shí)； b、逆變狀態(tài)，即市電 斷電時(shí)。 市電斷電時(shí)，首先逆變電源會(huì)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(dòng)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。本設(shè)計(jì)的逆變電源還直接引入微機(jī)控制，無(wú)需對(duì)電 源外接微機(jī)控制模塊，提高 了整個(gè)電源工作的可靠性和結(jié)構(gòu)上的整體性。高頻變換逆變電源是通過(guò)高頻 DCDC 變換技術(shù)，先將低壓直流變?yōu)楦哳l低壓直流，經(jīng)過(guò)高頻變壓器升壓后再整流成高壓直流，對(duì)其再進(jìn)行正弦變換，即可得到 220V/ 50Hz 正弦波交流電。 近年來(lái)，現(xiàn)代逆變技術(shù)主要朝著高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化以及并機(jī)技術(shù)的趨勢(shì)發(fā)展。設(shè)有市電斷電、過(guò)載、短路等故障應(yīng)急處理功能。 逆變電源就是為滿足這類行業(yè)的需求而開(kāi)發(fā)的電氣設(shè)備。為保證輸出穩(wěn)定的交流電壓，對(duì)交流 輸出 電壓進(jìn)行取樣， 經(jīng)過(guò)采樣電路處理反饋到控制電路中進(jìn)行分析 ， 使 輸出電壓幅值穩(wěn)定在 規(guī)定 范圍 內(nèi) 。洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 基于 UC3