【正文】 10 SPWM的控制方式 11 12第三章 逆變器前級DC/DC推挽升壓 13 13 DCDC推挽主電路參數(shù)的計(jì)算 14 14 15 15 15 ATmega128L功能簡介 15 基于ATmega128L單片機(jī)的PWM波的生成 16 18 18 20 21第四章 逆變器后級DC/AC單相全橋逆變 22 DCAC主電路結(jié)構(gòu)分析 22 DCAC電路參數(shù)計(jì)算 24 24 24 25 26 SWPM波生成及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 28 SWPM波的生成 28 29 31 31 31 32 32 33第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 34 34 34 35 37 39第六章 結(jié)論 40參考文獻(xiàn) 41附 錄 42原理圖 42部分程序 43致 謝 51第一章 前言電能變換的類型有四種：DCDC變換器，它是將一種直流電能變換為另一種直流電能的變換器；DCAC變換器，它是將直流電能變換為交流電能的變換器，這種交流裝置稱為逆變器；ACDC變換器，它是將交流電能變換為直流電能的變換器；ACAC變換器，它是將一種交流電能變換為另一種交流電能的變流器[1]。近來，燃料電池的發(fā)展方興未艾，超大功率DCAC變換器必將取代旋轉(zhuǎn)變流機(jī)。它代替了變流機(jī)組，減小了逆變電源的體積，但是SCR缺乏自關(guān)斷能力的缺點(diǎn)嚴(yán)重的阻礙了逆變電源的發(fā)展[2]。第三代逆變電源采用實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)，它是針對第二代逆變電源對非線性負(fù)載適應(yīng)性不強(qiáng)及動(dòng)態(tài)特性不好而提出來的控制技術(shù)。根據(jù)目前在逆變電路中使用到的大功率開關(guān)器件，可以將其進(jìn)行分類，如表11所示：表11大功率開關(guān)器件分類類型名稱英文縮寫單極型功率場效應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管MOSFETSIT雙極型普通晶閘管可關(guān)斷晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管大功率晶體管SCRGTOSITHGTR復(fù)合型絕緣柵型晶體管MOS控制晶體管IGBTMCT目前，在設(shè)計(jì)逆變電源時(shí)最常用到的開關(guān)器件為MOSFET、IGBT、GTO、GTR等，但SIT、SITH、MCT等新型開關(guān)器件正在研發(fā)和推廣，必將取代MOSFET、IGBT、GTO、GTR等。在功率開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷的過程中，開關(guān)管兩端電壓不為零，流過開關(guān)管的電流也不為零，就必將產(chǎn)生開關(guān)損耗，這就是傳統(tǒng)的硬開關(guān)技術(shù)。對于一件電子產(chǎn)品或電子系統(tǒng)來說，工作可靠性和電磁兼容性（EMC）是相當(dāng)重要的。如果采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，則存在的主要缺點(diǎn)有：由于電路功能的實(shí)現(xiàn)均依靠硬件來完成，故所需的元件多，成本相對較高，電路設(shè)計(jì)難度大；容易受外界環(huán)境（如氣溫）所影響，調(diào)試不方便。簡單介紹了逆變技術(shù)的發(fā)展歷程及發(fā)展方向，結(jié)合本文的研究方向著重地闡述了數(shù)字控制技術(shù)在逆變電源的研究現(xiàn)狀。第四章主要講的是逆變系統(tǒng)后級DCAC變換器的設(shè)計(jì)。這種正弦波輸出逆變器的輸入電壓變化范圍較寬，而其輸出則要求是穩(wěn)壓的。它的特點(diǎn)是擁有用于電氣隔離和給定電壓比的變壓器，其工作頻率等于輸出電壓頻率。這種逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟，性能可靠，目前仍有比較廣泛的應(yīng)用，但是由于工頻變壓器的存在，使得低頻鏈逆變器的體積大、重量重、成本高、音頻噪聲很大。這一逆變技術(shù)是一名叫Espelage的德國學(xué)者在1977年首先提出來的，而在1980年，他將高頻鏈逆變器分為兩大類：電壓源（Buck Mode）和電流源(BuckBoost Mode)，由于本課題所研究的逆變器輸入源為電壓源，故在此只討論電壓源型逆變器。從電路結(jié)構(gòu)圖可以看出，單向電壓源高頻鏈逆變器主要包括兩大部分：從輸入濾波器到高頻整流濾波電路，即DCHFACDC為一個(gè)DCDC變換器；從高頻整流濾波電路到輸出濾波器，即DCLFAC為一個(gè)DCAC變換器。該雙向電壓源高頻鏈逆變器具有以下特點(diǎn)：①只需要兩級功率變換(DCHFACLFAC)；②雙向傳輸功率(DCHFACLFAC和LFACHFACDC)；③若頻率變換器采用傳統(tǒng)的PWM技術(shù)，在換流時(shí)會(huì)出現(xiàn)電壓過沖現(xiàn)象。逆變器并接在市電電網(wǎng)上，正常情況下，電網(wǎng)一方面給交流負(fù)載供電，另一方面按LFACHFACDC給逆變器直流側(cè)的蓄電池充電；在市電電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，逆變器按DCHFACLFAC給交流負(fù)載供電。 DCDC變換器DCDC變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，最常用的有推挽式、半橋式和全橋式。半橋式變換器最大的優(yōu)點(diǎn)是，對兩個(gè)開關(guān)器件的耐壓要求比推挽式變換器對兩個(gè)開關(guān)器件的耐壓要求可以降低一半。因?yàn)?，全橋式變壓器開關(guān)電源四個(gè)開關(guān)器件分成兩組，工作時(shí)兩個(gè)開關(guān)器件互相串聯(lián)，關(guān)斷時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件所承受的電壓，只有單個(gè)開關(guān)器件所承受電壓的一半。由于我們整體的設(shè)計(jì)方案是需要把48V直流電轉(zhuǎn)變成為220V，50Hz的交流電，為滿足電壓輸出要求，綜合考慮了開關(guān)管、變壓器等損耗，DCDC變換器需要將48V直流電壓升壓到360V或者720V的高壓直流電，而這個(gè)高壓直流電將作為DCAC變換器的輸入電壓。過大的電流將會(huì)造成較大的損耗，影響整機(jī)的效率；而且，變壓器的原邊繞組也需要更粗的線徑，加大了變壓器繞線的難度。把正弦信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過調(diào)制得到PWM波，因?yàn)檎{(diào)制信號(hào)為正弦信號(hào)，所以此時(shí)的PWM波也叫做SPWM波。由于模擬法存在所需的元件較多、設(shè)計(jì)難度大、系統(tǒng)容易受外界因素影響等缺點(diǎn)，故本文將采用單片機(jī)編寫軟件的方法來生成SPWM波。直接法也叫做面積等效法或沖量法，只需要知道載波周期就可以計(jì)算出脈沖的寬度，如圖29所示：圖29直接法生成SPWM波把正弦半波分為N等份，則每一等份的寬度為π/N弧度[11]。目前采用較多的是正弦脈寬調(diào)制技術(shù)即SPWM控制技術(shù)。圖210雙極性SPWM控制示意圖2)單極性SPWM調(diào)制單極性調(diào)制方式與雙極性調(diào)制方式不同的是，單極性調(diào)制方式的特點(diǎn)是在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)兩只功率管以較高的開關(guān)頻率互補(bǔ)開關(guān)，保證可以得到理想的正弦輸出電壓：另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上減小了開關(guān)損耗。第三章 逆變器前級DC/DC推挽升壓DCDC推挽升壓電路原理圖如圖31所示，可以看出主要由輸入推挽主電路、高頻變壓器、輸出整流電路和輸出濾波器五部分組成。所以，推挽式DCDC變換器的輸出電壓uo，約等于高頻變壓器次級線圈N3繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓Up或Up的半波平均值Upa或Upa： ——M1導(dǎo)通期間；或——M2導(dǎo)通期間。而如果開關(guān)管采用的是MOSFET管，則這個(gè)問題就沒那么嚴(yán)重?？紤]到綜上的計(jì)算選用選取的MOSFET管為RU190N08，該管的主要參數(shù)如下：；；；；。本文設(shè)計(jì)的輸出濾波器采電容濾波方案。因此可選為假設(shè)，代入數(shù)據(jù)得，在設(shè)計(jì)當(dāng)中選用的是330uF/450V的電解電容。ATmega128L成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。在設(shè)置正向比較匹配輸出模式下:正向加1過程中，TCNT1的計(jì)數(shù)值與輸出比較寄存器OCR1A/ OCR1B的值相同匹配時(shí)清零OC1A/OC1B，即使引腳OC1A和OC1B輸出低電平。圖33 T/C1模式PWM工作時(shí)序圖由以上可知，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)上限TOP值的大小決定了PWM輸出頻率的高低，而比較寄存器的數(shù)值則決定了輸出脈沖的起始相位和脈寬。 OCR0=OCR2=0。高頻鏈變壓器是裝置的核心部件，其性能的好壞直接決定了整個(gè)逆變器的性能承擔(dān)著隔離和傳輸功率的重任。高頻變壓器磁心多是低磁場下使用的軟磁材料，有較高的磁導(dǎo)率、低的矯頑力和高的電阻率。本論文采用鐵氧體磁性的高頻鏈變壓器。設(shè)原副邊電流密度相等，為J，則由上述三式可得：即 即為變壓器窗口面積和磁芯截面積的乘積。又設(shè)為變壓器的視在功率，則公式可以進(jìn)一步表示為：式中除了AP單位為cm，其余物理量均為國際單位制。則：增加10%的裕度取查手冊選取EE40鐵氧體磁芯，其,有效截面積。為了在規(guī)定的輸入電壓范圍內(nèi)能夠達(dá)到輸出要求，變壓器的變比應(yīng)按最低輸入電壓選取。考慮到集膚效應(yīng)，原邊用3根銅線并繞。為避免上下管開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通而發(fā)生短路，增加了PWM波的死區(qū)時(shí)間和驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好。M1—M4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖42所示。電感電流通過D2和D3給電源充電，此時(shí)的等效電路圖如圖45所示：圖45工作狀態(tài)三等效電路圖 DCAC電路參數(shù)計(jì)算前級DCDC推挽升壓變換器的輸出電壓為360V直流電，該電壓作為后級DCAC變換器的輸入電壓。但過大的載波比N也意味著極高的開關(guān)頻率，在高頻率應(yīng)用場合會(huì)帶來很大的開關(guān)損耗，逆變效率就得不到保證。目前，在逆變電路中常用的開關(guān)管有：MOSFET、IGBT、GTO、GTR等。另外，由于設(shè)計(jì)的開關(guān)頻率為20KHz，所以MOSFET的通斷時(shí)間必須要遠(yuǎn)小于50us。IGBT斷態(tài)時(shí)可能承受高電壓但漏電流小，通態(tài)時(shí)可能承受大電流但管壓降小，而開通和關(guān)斷過程中IGBT可能同時(shí)承受高電壓、大過流以及較大的dv／dt、di／dt和過大瞬時(shí)功率。(1)吸收緩沖電路電容Cs的計(jì)算由于電容Cs的充電過程決定了MOSFET兩端的電壓的上升率，假設(shè)MOSFET關(guān)斷的瞬間就有電流從電容Cs和二極管Ds回路流過，對Cs充電。(2)緩沖電阻Rs的計(jì)算MOSFET開通時(shí)，Cs通過Rs和MOSFET放電，Cs兩端電壓為：選擇合適的，使，則。在逆變電源中，輸出濾波通常采用LC濾波。圖47 型和型濾波器結(jié)構(gòu)由于型濾波器是最簡單的一種形式，所以它的應(yīng)用也最廣泛。具體設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)截至頻率和負(fù)載來選擇。開關(guān)頻率為人。一對開關(guān)頻率分量分流很大，因此濾波器不允許開關(guān)頻率分量通過，更不允許它的高次諧波通過。實(shí)驗(yàn)證明，輸出濾波器的輸出正弦波形良好，有效的抑制了高次諧波。芯片采用經(jīng)過改良的雙極性SPWM調(diào)制，經(jīng)過外部死區(qū)時(shí)間生成后，輸入經(jīng)MOSFET或IGBT驅(qū)動(dòng)電路至H橋 逆變電路，輸出經(jīng)過簡單的濾波即可得到高品質(zhì)的純正正弦波。SD：關(guān)閉輸出引腳，當(dāng)他，SWPM輸出關(guān)閉，逆變停止工作，如果不用該功能，可在其上連接一個(gè)10K的電阻到電源。5腳接上一LED燈用于指示芯片的工作狀態(tài)，為讓芯片穩(wěn)定工作，利用電位器分壓得到1V供給13腳，12腳輸出控制前級關(guān)斷的信號(hào)，10腳接輸出采樣電壓用于穩(wěn)定電壓，8腳即可輸出兩路互補(bǔ)的SPWM脈沖信號(hào)。TLP250的內(nèi)部原理圖如圖410所示，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路圖如圖411所示。如此循環(huán)反復(fù)[4]。本文選用的電阻R=47KΩ，電容C=22pF，則延遲時(shí)間t≈RC=1us。當(dāng)采樣電阻的電壓一旦超過1V（即直流母線的電流大于2A）就立刻產(chǎn)生短路保護(hù)信號(hào)。其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖415所示。+ 5V電源利用LM7805穩(wěn)壓芯片，將LM7805的輸入端接到LM2576的輸出端，輸出經(jīng)電容濾波后得到+5V電源。從圖中可以看出PWM波形良好，僅有微小毛刺。由于頻率較高，放大后的波形只能觀察到一部分，看不到SPWM波脈寬從小到大，再從大到小的完整變化過程，但從圖53中仍然可以看到脈寬是逐漸變寬的，這和SPWM波的變化規(guī)律是相符的。圖55~圖57所示為在示波器上觀察到的輸出電壓波形及其頻譜響應(yīng)圖，表51為系統(tǒng)在不同負(fù)載下的效率。圖58 硬件實(shí)物圖1圖59 硬件實(shí)物圖2圖510 硬件實(shí)物圖3本章主要是對系統(tǒng)的輸出波形進(jìn)行分析，通過分析系統(tǒng)在不同負(fù)載下的波形圖和頻譜響應(yīng)圖可以看出輸出波形效果良好，各次諧波含量較低，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本文所完成的工作及總結(jié)如下：，使用Mega128L單片機(jī)和光耦組成的前級PWM控制電路、電壓反饋電路、前級輸出濾波器以及高頻變壓器。2)本設(shè)計(jì)沒有采用軟開關(guān)技術(shù)，限制了系統(tǒng)效率的進(jìn)一步提高。uint p。//12864端口初始化 PORTA=0x00。 for(i=x。j++)。=~BIT(PA0)。//關(guān)模擬比較器 ADCSRA=0X86。 //*查詢法確定等待是否轉(zhuǎn)換完成 addata0=ADCL。 //*清標(biāo)志 ADCSRAamp。 //Lcd_WriteData(m/10000+0x30)。 Lcd_WriteData(m%10+0x30)。//PWM初始化 dutfactor0(47)。 // Lcd_DisplayString(2,0,輸出電流： A)。 xieru(p)。define setSID PORTA |=BIT(3)。define clrSCLK PORTA amp。//并/串口選擇；//sbit RST=P2^3。 for(m=150。n)。 //基本指令操作 Delay(15)。}*//*************************************///函數(shù)功能：寫入命令/*************************************/void Lcd_WriteCmd(unsigned char LData){ unsigned char i。i5。 setSCLK 。 clrSCLK。 for(i=0。 } else { clrSID。 } clrSID。 clrSCLK。i++) { if(LDataamp。 clrSCLK。i4。 clrSCLK。i++) { setSCLK 。 clrSCLK。 clrSID。i4。 } setSCLK 。 for(i=0。 } Delay(50)。(0x80)) { setSID。 LData=LData1。i++) { setSCLK