【正文】 PWM控制信號(hào)，然后經(jīng)過邏輯門變換電路變換成逆變?nèi)珮蛩璧乃穆夫?qū)動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)專用驅(qū)動(dòng)芯片 IR2110隔離放大后，分別加到逆變?nèi)珮蛩膫€(gè) NMOS的柵極，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。一 般對(duì)驅(qū)動(dòng)電路有如下要求： 1) 改善器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能：作為功率開關(guān)希望減小器件損耗，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)保證器件的充分導(dǎo)通和可靠關(guān)斷以減低器件的導(dǎo)通和開關(guān)損耗； 2) 實(shí)現(xiàn)與主電路的隔離：由于大多數(shù)主電路是高電壓格局，要求控制信號(hào)與柵極間無電耦合； 3) 具有較強(qiáng)的抗干擾能力：目的是防止期間在各種外擾下的誤開關(guān)，保證器件在低 頻工況下可靠工作； 4) 具有可靠地保護(hù)能力：當(dāng)主電路或驅(qū)動(dòng)電路自身出現(xiàn)故障時(shí) (如過電流和驅(qū)動(dòng)電路欠電壓等 )，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)迅速封鎖輸出正向驅(qū)動(dòng)信號(hào)并正確關(guān)斷器件以保障器件安全。而且最大占空比被限制在 50％。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 24 頁 共 54 頁 圖 52IR2110的內(nèi)部功能框圖 IR2110采用 HVIC和閂鎖抗干擾 CMOS制造工藝， DIP14腳封裝。 圖 53 驅(qū)動(dòng)電路 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 25 頁 共 54 頁 如圖 53所示為本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路。 圖 61推挽逆變電路 半橋逆變電路的原理 圖如圖 62所示。該電路拓樸結(jié)構(gòu)及控制較為復(fù)雜，元件較多，成本較高。 NMOS綜合了 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，考慮半橋電路特點(diǎn)當(dāng)上橋 臂或下橋臂關(guān)斷時(shí)，其自身承受兩倍直流輸入電壓。 采樣反饋電路如圖 71所示。 不應(yīng)影響 NMOS的開關(guān)特性。因此，單純的并聯(lián)阻容吸收回路并不能有效 的防止過電壓擊 穿。對(duì)于電路過載，設(shè)計(jì)中將取樣電阻 (因負(fù)載電 流較小，這個(gè)方案可行，如果負(fù)載電流很大的情 況下，為了減小取樣電 阻 損耗的功率，應(yīng)該采用 電流互感器進(jìn)行電 流取樣 )串接在輸出回 路中， 以檢測(cè)負(fù)載電流。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 32 頁 共 54 頁 8 軟件設(shè)計(jì) 正 弦波脈寬的生成 根據(jù) 第二章 正弦波脈寬調(diào)制 (SPWM)的產(chǎn)生原理，若把 U=Urmsintωt 正弦波在半周期內(nèi) N等分，第 i 個(gè)等分段正弦波的面積為 Si，則有： （ 81） 若再使矩形波的幅值等于輸入正弦波的幅值 Urm，并使每段矩形波的面積等 于對(duì)應(yīng)段的正弦波的面積，那么，便可以得到矩形波脈寬的值為： （ 82） 由于脈沖寬度是按照正弦波的規(guī)律變化，故可把這些脈沖寬度 DK的值編制成數(shù)值表 （如表 1） ，再用單片機(jī)通過查表輸出脈沖序列。 PIC16F73單片機(jī)內(nèi)部含有兩個(gè) CCP模塊，都可以用來產(chǎn)生 PWM波。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(shí)步階，做成正弦表 （表 81） ，供 CCP1中斷子程序調(diào)用。 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(shí)鐘為 20MHZ,計(jì)時(shí)步階 。 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 。并介紹了保護(hù)電路的必要性和重要性。對(duì)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) 。 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(huì)出現(xiàn)由于電路分布電感釋放能量而 出現(xiàn)的過電壓。 應(yīng)有一定的抗干擾能力。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(gè)電路能及時(shí)把輸出的情況及時(shí)回饋給控制電路 。 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 。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)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(dòng)脈沖分別控制兩對(duì)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。由于功率晶體管共地，驅(qū)動(dòng)及控制電路簡(jiǎn)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。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。它兼有光耦隔離（體積?。┖碗姶鸥綦x（速度快）的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選品 種。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)。 本節(jié)針對(duì)本系統(tǒng)采用的是 MOSFET功率管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路選型與設(shè)計(jì)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)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(shí)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(gè)周期，因此速度相當(dāng)快。 如圖 42為 全橋 變換器的主電路，其中 Ql、Q2為兩個(gè)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。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(chǎng)合。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。 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(cè)電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)，當(dāng)檢測(cè)到故障信號(hào)時(shí)，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。 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(gè)脈沖的布局差異也導(dǎo)致了最小關(guān)斷占空時(shí)間的差別，而平均值精度則正常按 N的遞增而遞增。 NL數(shù)列每周期正弦量?jī)?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(gè)交點(diǎn) ， 不能組成對(duì)偶的脈沖邊沿（圖210）。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(shí)序數(shù)字控制輸出信號(hào)；瞬時(shí)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(hào)，當(dāng)然并不排除多種數(shù)模結(jié)合及優(yōu)化方案。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）。對(duì)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(dòng)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。 在交流應(yīng)用場(chǎng)合，多數(shù)負(fù)載要求輸入的是正弦波電流。當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期 (此時(shí)為采樣周期的兩倍 )內(nèi)的位置一般并不對(duì)稱，這種方法稱為非對(duì)稱規(guī)則采樣。這樣輸出波形在任何半周期內(nèi)都會(huì)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。 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(gè)周期內(nèi)，逆變器同一橋臂中的兩個(gè)開關(guān)元件只有一個(gè)處于不斷切換的開關(guān)狀態(tài)，另一個(gè)則始終處于關(guān)斷狀態(tài)。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。 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(jiǎn)單 ； 4. 通過對(duì) 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(dòng)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 。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。 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(hào)波對(duì)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 。如果個(gè)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。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(jià)格比，以及高效節(jié)能方面，都將不斷進(jìn)步和提高。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 3 頁 共 54 頁 逆變電源的發(fā)展趨勢(shì) 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(gè)重要部件。各大汽車公司均投入巨資積極發(fā)展電動(dòng)汽車。 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。為此，需要不間斷電源（ UPS）來保證計(jì)算機(jī)的運(yùn)行安全。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。用電設(shè)備對(duì)市電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染，反過來，被污 染的市電電網(wǎng)也會(huì)使用電設(shè)備工作不正常，用電設(shè)備之間通過市電電網(wǎng)相互干擾。第一章介紹了逆 變電源的發(fā)展及應(yīng)用；第二章介紹了逆變的工作原理；第三章到第六章介紹了本設(shè)計(jì)的硬件電路選擇和軟件設(shè)計(jì)；第七章是保護(hù)電路和反饋電路的介紹；第八章是調(diào)試樣機(jī)的結(jié)果介紹及對(duì)所做的工作的一些展望；最后是總結(jié)。 (2)UPS電源系統(tǒng) :在許多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備等都需要采用 UPS電源。 (5)諧波治理 :市電電網(wǎng)中的諧波，主要是由各種電力電子裝置、變壓器、熒光燈等產(chǎn)生的。到了 20世紀(jì) 80年代，功率場(chǎng)效應(yīng)管 (MOSFET)、絕緣柵極晶體管 (IGBT)、 MOS控制晶閘管 (MCT)以及靜電感應(yīng)功率器件的誕生為逆變器向大容量方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，因此電力電子器件的發(fā)展為逆變技術(shù)高頻化、大容量化創(chuàng)造了條件。 本課題的任務(wù) 本 課題設(shè)計(jì) 主要論述了基于單片機(jī)控制逆變穩(wěn)壓電源的基本原理、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)過程 ,并且 在搭接實(shí)驗(yàn)電路之前 ,利用仿真工具軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真 ,驗(yàn)證電路的可行性 ,最后在此基礎(chǔ)上完成樣機(jī)的調(diào)試工作。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D 21d的單位脈沖函數(shù) f(t)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過度函數(shù)。用改變調(diào)制信號(hào)頻率實(shí)現(xiàn)輸出電壓基波頻率的調(diào)節(jié)：用改 變調(diào)制信號(hào)幅值實(shí)現(xiàn)輸出電壓基波幅值的調(diào)節(jié)。而輸出頻率的變化可通過改 變此脈沖的調(diào)制周期來實(shí)現(xiàn)。這里所說的效果基本相同。根據(jù)沖量相等效果相同的原理， SPWM 波形和正弦半波是等效的。改變控制信號(hào) U c 的幅值時(shí)，調(diào)制波的脈寬將隨之改變，從而改變了輸出電壓的大小。 自然采樣法 該方法與采用模擬電路硬件 然后 確定 SPWM脈沖寬度的方法類似，只是這里是采用計(jì)算的方法尋找三角載波與正弦參考波的交點(diǎn)時(shí)刻，從而確定 SPWM脈沖寬度。 0 t1 t2 t3 u ur ut t4 t6 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 11 頁 共 54 頁 圖 26 規(guī)則采樣法 等面積法 該 方案實(shí)際上就是 SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過查表的方式生成 SPWM信號(hào)控制開關(guān)器件的通斷，以達(dá)到預(yù)期的目的。 可見，簡(jiǎn)單的方波在功率應(yīng)用場(chǎng)合下顯示出了不盡如人意的一面。 核對(duì)其 ? ／ 2處的最大瞬時(shí)值仍然為 1（負(fù)半周為－ 1），顯然，正半 周期內(nèi)幅值區(qū)間的上下限分別為（ 1， 0）；正半周相位區(qū)間內(nèi)的上下限分別為（ ? ， 0）。 就以上調(diào)制形式中求解的結(jié)果，交點(diǎn)（ x np ）的值即相位角是時(shí)間的函數(shù)；交點(diǎn)（ y np ） 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 15 頁 共 54 頁 的值即對(duì)應(yīng)時(shí)間的瞬時(shí)值或臨界點(diǎn)，以此取得的按正弦函數(shù)值定位的不等寬序列脈沖的對(duì)偶邊沿就是期望的控制信號(hào)角。又由于脈沖邊沿的對(duì)偶性， N也不能為分?jǐn)?shù)。 ωt(x )i(y)o圖 210脈沖邊緣 表 22 N與半周期脈沖數(shù)的關(guān)系 N NL 6 10 14