【正文】 中的核心部件是逆變器。隨著逆變電源技術(shù)的不斷完善，逆變電源已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備、儀器儀表、通信設(shè)備和家用電器中。具有世界三大能源之稱的石油、天然氣和煤等化石燃料將逐漸被耗盡，氫能源與再生能源將 逐漸取代化石 料而成為人類使用的主體能源，這種能源的變遷將迫使發(fā)電方式產(chǎn)生一次大變革，使用氫能源與再生能源的高效低污染燃料電池發(fā)電方式將成為主體發(fā)電方式。在市電有電時(shí)，整流器為蓄電池充電 。不管是采用蓄電池的電動(dòng)汽車還是采用燃料電池的電動(dòng)汽車，在用交流電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力時(shí)，都必須用逆變器把電池的直流電能變換成交流電能來驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。這是當(dāng)前正在興起的一門新技術(shù)。 逆變技術(shù)的原理早在 1931年就有人研究過。另一方面，微電子技術(shù)的發(fā)展為逆變技術(shù)的實(shí)用化建立了很好的平臺，傳統(tǒng)的逆變器需要通過許多的分立元件或模擬集成電路加以完成。電力電子功率開關(guān)器件向高壓大容量化、集成化、全控化、高頻化及多功能化的方向發(fā)展，材料學(xué)科的超導(dǎo)材料和軟磁材料的驚人發(fā)展速度以及智能化控制技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，都促使逆變電源向著高效率 、 大功率 、高可靠性的方向發(fā)展。 下面是本文所做的主要工作： 1．在比較全橋、半橋及推挽 3種拓?fù)涓髯蕴攸c(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用并聯(lián) MOS管驅(qū)動(dòng)的推挽變換器作為前級 DC/DC升壓電路，并實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能 ； 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 4 頁 共 54 頁 2．選用 Microchip公司的高性能 16位單片機(jī)為主控核心，并設(shè)計(jì)逆變系統(tǒng)的控制電路及相關(guān)軟件； 3． 采用前饋加反饋的復(fù)合控制策略，使系統(tǒng)的電壓、頻率精度分別為 220V+5％、 50Hz、a： 0． 5％； 4．研制一臺獨(dú)立運(yùn)行逆變系統(tǒng)樣機(jī)，優(yōu)化各模塊間的布局；實(shí)現(xiàn)輸入過欠壓、輸入過流、輸出過載、輸出短路、等保護(hù)功能。 例如圖 21a、 b、 c所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同， (圖 21a為矩形脈沖，圖 21b為三角形脈沖，圖 21c正弦半波脈沖 )但是它們的面值 (即沖量 )都等于 l，那么，當(dāng)他們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。 SPWM波形 —— 脈沖寬度f（ t） f（ t） f（ t） f（ t） d） c） b） a） 0 0 0 0 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 6 頁 共 54 頁 按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 SPWM波形。 這里所謂相當(dāng)于基波分量的信號波并不一定指正弦波，在 SPWM優(yōu)化模式控制中可以是預(yù)畸變的信 波，當(dāng)然不同信號調(diào)制后生成的 SPWM脈寬對變頻效果，比如輸出基波電壓幅值、基波轉(zhuǎn)矩、脈動(dòng) 轉(zhuǎn)u o wt o u wt a) b) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 7 頁 共 54 頁 矩、諧波電流損耗、功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)損耗等的影響差異很大。由于三角波或鋸齒波的上下寬度是線性變化的波形，因此它與調(diào)制波相交時(shí)，就可以得一組幅值相等，而寬度正比于調(diào)制波函數(shù)值的矩形脈沖序列用來等效調(diào)制波，用開關(guān)量取代模擬量，并通過對逆變器開關(guān)管的通斷控制，把直流電變換成交流電。尤其是微處理器應(yīng)用于 SPWM技術(shù)之后， SPWM技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，從追求電壓的正弦波到電流的正弦波，再到磁通的正弦波；從效率最優(yōu)到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，再到噪音最小等， SPWM控制技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流電源供電，可用不可控整流器取代相控整流器，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大大改善。 控 制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論，即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，其效果基本相同。如把各輸出波形用傅里葉變換分析，則它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是 SPWM 波形。 在 SPWM 波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，整流電路采用不可控的二極管電路即可， SPWM 逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。因此，輸出波形在任何半周期內(nèi)始終為一個(gè)極性，單極性控制方式的 SPWM波形如 圖 23所示，載波信號 Ur采用單極性等腰三角形波，控制信號 U c 為正弦波形。 用幅值為 Ur 的參考正弦波 Ur 與幅值為 U c 、頻率為 fc 的三角波 U c 比較，產(chǎn)生功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號。與單極性控制方式相比，載波和控制波都變成了有正、負(fù)半周的交流方式，其輸出矩形波也是任意半周中均出現(xiàn)正負(fù)交替的情 況。 規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，一般采用三角波作為載波。 規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進(jìn)，其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡單，便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算，其中非對稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多 而更接近正弦。 SPWM 生成方法 由于正弦交流量是典型的模擬量，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)難以完成高頻交流電流輸出，而功率半導(dǎo)體器件于模擬狀態(tài)工作時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)損耗劇增，于是，用開關(guān)量取代模擬量成為必由之路，并歸結(jié)為脈沖電路的運(yùn)行過程，從而構(gòu)成了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器或電源引擎。 電工學(xué)認(rèn)為，周期性的非正弦交流量是直流、正弦波和余弦波等分量的集合，或者是非正弦波也可以分解為相位差和頻率不同的正弦波以及直流分量。 自然采樣法是一種基于面積等效理念的能量轉(zhuǎn)換形式，其原理極為簡單而且 直觀，并具備十分確切的數(shù)理依據(jù)，通用性及可操作性也很強(qiáng)。 圖 29正弦交流波形圖 調(diào)制過程特征 由電工學(xué)可知，正弦波方程表示為： sin( )mitI ???? （ 21） 式中 i ：瞬時(shí)值； mI ：正弦波的最大值； ? ：角頻率（等于 2? ?）； t? ：隨時(shí)間 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 14 頁 共 54 頁 而變的電氣角； ? ：相位角（ t=0時(shí)的相位角為初相角）。 由（圖 28）可知，形似等腰三角形的三角載波是由許多直線相交叉形成的，因?yàn)榻徊纥c(diǎn)以外的線段處于無效區(qū)間，所以不具備調(diào)制的一般意義。同理 ，負(fù)半周的數(shù)值分析相同?？梢韵胂?， SPWM波的數(shù)理依據(jù)或可信度是首屈一指的。 載波比 (N) 載波比（或稱調(diào)制比）表示為一周期正弦基波與若干個(gè)三角載波數(shù)量之比，是一個(gè)人為設(shè)定的、能夠直接觀察到的數(shù)字量。 又當(dāng) N=6時(shí)，正負(fù)半周才各占有三個(gè)而且是自身對稱的等幅不等寬的脈沖序列。于是， NH數(shù)列調(diào)制得的周期脈沖總數(shù)為 N2（正負(fù)半周各一個(gè)），由此 得依次 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 16 頁 共 54 頁 相鄰的低、高位載波比（ NL和 NH）調(diào)制所得的半周期脈沖總數(shù)相同（表 22），而且必然是奇數(shù)。 當(dāng) N有限提高時(shí)，其正弦量面積平均值的理論精度、諧波分量和輸出波形的失真程度將隨之減小。當(dāng)然，小的關(guān)斷時(shí)間不利于功率器件的關(guān)斷特性，顧及功率器件關(guān)斷特性的控制策略仍需謹(jǐn)慎實(shí)施。輸入的直流信號經(jīng)過直流升壓后濾波，得到高壓直 流，再經(jīng)過逆變電路輸出交流。下面就一一介紹各個(gè)部分的設(shè)計(jì)過程， 包括 升壓電路 橋的設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)、 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) 和保護(hù)電路設(shè)計(jì) 。 升壓環(huán)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較 (1)正激式。其次，主功率管一般采用占空比小于 。但電路必須有良好的對稱， 否則鐵心容易引起直流偏磁飽和，另外，由于變壓器原邊漏感的存在，使主功率管必須承受超過兩倍電源電壓，因此功率管電壓尖峰很大，承受較大電壓應(yīng)力。 (4)全橋式。如圖 41(e)，它的電路形式與正激式 變換器相似，主功率管承受的電壓也相同，只是變壓器的接法不同。整流電路為全橋整流電路，適用于輸出電壓較高的場合。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 21 頁 共 54 頁 圖 4— 2為 全橋升壓 的主電路 Q Q2斷態(tài)時(shí)承受的電壓均為 2?。其內(nèi)含 192字節(jié)的 RAM， 4K程序存儲器、 5路 A/D轉(zhuǎn)換及 2路 PWM波發(fā)生器，應(yīng)用時(shí)外圍電路極其簡單，是理想的單相逆變電源數(shù)字控制器。軟件在運(yùn)行過程中，會每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換，得到反饋電壓值，調(diào)整 SPWM信號的脈寬，保證輸出電壓的穩(wěn)定。其柵極特 性 IGBT相同，因此 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)和供電方式均與功率 IGBT相同，許多驅(qū)動(dòng)芯片既可用于 MOSFET，也可用于 IGBT。隔離驅(qū)動(dòng)可分為電磁隔離和光電隔離兩種方式。但信號的最大傳輸寬度受磁飽和特性的限制，因而信號的頂部不易傳輸。凡是隔離驅(qū)動(dòng)方式，每路驅(qū)動(dòng)都要一組輔助電源，若是三相橋式變換器，則需要六組，而且還要互相懸浮，增加了電路的復(fù)雜性。 IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 如下圖所示。 5V的偏移量；工作頻率高，可達(dá) 500kHz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為 120ns 和 94ns；輸出峰值電流為 2A。尤其是高端懸浮自舉電源的成功設(shè)計(jì)，可以大大減少驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)目，三相橋式變換器，僅用一組電源即可。 本章小結(jié) 本章 簡單介紹了本系統(tǒng)所用 PIC16F73單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了該單片機(jī)所包含的脈寬調(diào)制器模塊，最終根據(jù)系統(tǒng)要求和該單片機(jī) 特性 設(shè)計(jì)了 單片機(jī)外圍 電路和 驅(qū)動(dòng) 電路。其缺點(diǎn)是 很難防止輸出變壓器的直流飽和，變壓器利用率低，帶電感性負(fù)載的能力較差，此外開關(guān)管的耐壓值要高于直流輸入電壓兩倍以上，和全橋逆變相比它對開關(guān)器件的耐壓值要高出一倍，只適合于原邊電壓比較低的功率變換器。當(dāng) T1閉合 (T2斷開 )時(shí)，中點(diǎn)電位將有所上升；當(dāng) T2閉合 (T1斷開 )時(shí)，中點(diǎn)電位將有所下降。調(diào)節(jié) T1和 T2的輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。逆變器的性能直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的輸出特性。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 28 頁 共 54 頁 圖 64逆變環(huán)節(jié)主電路 逆變主電路元器件及其參數(shù)選 擇 鑒于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 100W左右 的額定容量和 低 頻 SPWM調(diào)制方式，故逆變主功率器件選擇 N溝道場效應(yīng)管 (NMOS)。 本章小結(jié) 本章首先 介紹 了 各種不同 逆變主電路的結(jié)構(gòu)圖，隨后介紹了逆變主電路元器件的參數(shù)選擇；通過對不同形式逆變電路的比較，最后選擇全橋逆變電路作為本設(shè)計(jì)的主電路。 再由控制電路來控制輸出，保持輸出的穩(wěn)定。對于負(fù)載變化引起的過載，通過閉環(huán)控制，是可以調(diào)節(jié)的。 應(yīng)足以適用于電路中的各種短路情況。編寫程序來實(shí)現(xiàn)過流 保護(hù)。為了抑制 開關(guān)過程 中 出現(xiàn)的過電壓，可以在開關(guān)管的漏極與源極之間并聯(lián)電阻、電 容串聯(lián)吸收電路，但是這個(gè)阻容吸收網(wǎng)路只能限制加在開關(guān)管上的 du/dt，而不能限制加在管子兩端的電壓的幅值。 如圖所示為保護(hù)電路圖。 與短路故障不同，系統(tǒng)短時(shí)的過載屬于正常工作狀態(tài)，如果過載一 發(fā)生就停機(jī)則不利于系統(tǒng)的正常運(yùn)行。一旦 采樣值大于設(shè)定值，如果采樣值 在 繼電器動(dòng)作之前恢復(fù)正常，則單 片機(jī)不采取措施，仍認(rèn)為系統(tǒng)屬正常工作， 否則，單片機(jī) RC3腳輸出故障信號到驅(qū)動(dòng)電路 IR2110的 SD端 停止輸出 SPWM控制脈沖，單片機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)重啟等待狀態(tài)。 其中反饋為電壓采集反饋，保護(hù) 電路 通過繼電器來實(shí)現(xiàn)。 在程序初始化完成之后，系統(tǒng)中的定時(shí)寄存器 TMR2 將啟動(dòng)并開始工作，此時(shí) PWM單元的引腳輸出為高電平；當(dāng) TMR2*Rxl 時(shí)， PWM 單元的引腳開始輸出低電平；當(dāng)TMR2=PR2 時(shí)， TMR2 被歸 0，并重新開始下一個(gè)周期計(jì)數(shù)，同時(shí) PWM單元重新輸出高電平。 利用單片機(jī)自身提供的 PWM功能 ， 輸 出 SPWM驅(qū)動(dòng)脈 沖 ，利用 A/D轉(zhuǎn)換接口，進(jìn)行逆變器輸出過載、過電壓以及蓄電池欠壓采樣，然后通過編程來 實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng) 的 各 種保護(hù) 功能。 SPWM信號要求脈寬按正弦規(guī)律變化，因此每一個(gè) PWM周期脈寬都要改變，由單片機(jī)產(chǎn)生 SPWM波的基本思想就是在初始化時(shí)將 PWM周期值設(shè)定，然后用定時(shí)器定時(shí)，每個(gè)周期產(chǎn)生一次中斷，來調(diào)整脈寬，從而得到脈寬不斷變化的 SPWM波。首先建立正弦表，在一個(gè)完整正弦周期中，采樣 64個(gè)點(diǎn)，采樣點(diǎn)正弦值與正弦波峰值的比值就是該點(diǎn) SPWM信號的占空比。 表 81 正弦