【文章內(nèi)容簡介】 圖 降壓－升壓變換電路圖 方案二、推挽式升壓電路，該電路輸出電壓既可以低于輸入電壓又可以高出輸入電壓。且輸出端與輸入端以及輸出端與輸出端之間可以實現(xiàn)直流隔離。當(dāng)輸入電壓和負載波動時輸出電壓可以得到很好的調(diào)節(jié)，變壓器繞組上承受脈沖 電壓，脈沖幅值由輸入電壓和次級繞組匝數(shù)決定。反饋設(shè)計合理的話，當(dāng)輸入電壓和負載波動時輸出電壓可以得到很好的調(diào)節(jié)。 根據(jù)設(shè)計要求，并結(jié)合斬波變換電路的特性，方案一和方案二均能滿足設(shè)計要求，但方案一變壓器容易飽和，可能會導(dǎo)致開關(guān)管損壞，并且在功率比較大的南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 頁 共 82 頁 場合推挽式升壓電路具備更高的性能指標(biāo)。因此選擇方案二作為主功率升壓模塊。 圖 推挽式升壓電路圖 逆變電路方案 方案一：采用電流型單相橋式逆變電路。在電流型逆變電路中，它們的直流輸入是交流整流后由大電感濾波后形成的電流源。此電流源的交流內(nèi)阻抗近似無窮大，它吸收負載端的諧波無功功率。逆變電路工作時，輸出電流是幅值等于輸入電流的方波電流。 方案二：采用電壓型電壓橋式逆變電路。在電壓型逆變電路中，它們的直流電源是交流整流后由大電容濾波后形成的電壓源。此電壓源的交流內(nèi)阻抗近似為零，它吸收負載端 的諧波無功功率。逆變電路工作時，輸出電壓是幅值等于輸入電壓的方波電壓。 比較以上兩種方案，電壓型逆變器的設(shè)計較簡單，并且價格要便宜，適合學(xué)生制作。根據(jù)題目要求，選用方案二。 MOSFET 驅(qū)動電路方案 方案一：用 CMOS 器件驅(qū)動 MOSFET。直接用 CMOS 器件驅(qū)動電力MOSFET，它們可以共用一組電源。柵極電壓在小于 10V 時， MOSFET 將處于電阻區(qū)不需要外接電阻 R，電路簡單化。不過這種驅(qū)動電路開關(guān)速度低，并且驅(qū)動功率要受電流源和 CMOS 器件吸收容量的限制。如圖 所示。 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 頁 共 82 頁 驅(qū)動 圖 用 CMOS 器件驅(qū)動 MOSFET 方案二：利用光耦合器驅(qū)動 MOSFET。利用光耦合器的隔離驅(qū)動隔離電路如圖 所示。通過光耦合器將控制信號回路與驅(qū)動回路隔離，使得輸出級設(shè)計電阻減少，從而解決了與柵極驅(qū)動源低阻抗匹配的問題。而且在載波頻率不太高的情況下，光耦的使用比較靈活、穩(wěn)定、高效。，特別是采用電容自 舉供電方式僅需要一個電源即可。 驅(qū)動 圖 用光耦合器驅(qū)動 MOSFET 方案三：另一種驅(qū) 動可采用集成驅(qū)動芯片 IR2111， IR2111 是美國國際整流器（ IR）公司研制的 MOSFET 專用驅(qū)動集成電路， DIP— 8 封裝，可驅(qū)動同橋臂的兩個 MOSFET，內(nèi)部自舉工作，允許在 600V 母線電壓下直接工作，柵極驅(qū)動電壓范圍寬，單通道施密特邏輯輸入，輸入與 TTL 及 CMOS 電平兼容，死區(qū)時間內(nèi)置，高邊輸出輸入同相，低邊輸出死區(qū)時間調(diào)整后與輸入反相。但 IR2111對 PCB 布線的要求非常高，線不到位會導(dǎo)致驅(qū)動的失敗，特別很容易導(dǎo)致場效應(yīng)管同時導(dǎo)通使場效應(yīng)管燒壞。因此對于高速布線經(jīng)驗不足的人員來說不是很上乘的選擇，并 且他的死區(qū)時間無法改變，是通過芯片內(nèi)部的死去電路固化的。當(dāng)電路需要天調(diào)整死區(qū)時間時，是無法實現(xiàn)的。 驅(qū)動 圖 用集成電路 IR2111 驅(qū)動 MOSFET 比較上述三種方案，方案一由于電路自身的一些缺點如驅(qū)動電路開關(guān)速度低、驅(qū)動能力有限等不滿足題目要求。方案二采用光耦合器驅(qū)動場效應(yīng)管，在開關(guān)頻率不是太高的情況下，采用光耦作為驅(qū)動一般都能達到很好的效果。專用的集成電路 IR2111，整機性能好，體積小，但對于布線要求較高，故采用方案二。 CMOS 器件 功率開 關(guān)MOSFET 光藕 功率開關(guān)MOSFET IR2111 集成驅(qū)動器件 功率開關(guān)MOSFET 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁 共 82 頁 測量有效值電路方案 本設(shè)計要求輸出電壓可調(diào)，調(diào)節(jié)電壓是通 過前級 DCDC 的閉環(huán)穩(wěn)壓實現(xiàn)的，因此系統(tǒng)需要一個反饋信號構(gòu)成閉環(huán)穩(wěn)壓系統(tǒng)。而反饋信號我們采用從后級輸出的交流電壓采樣轉(zhuǎn)換成相應(yīng)直流電壓，將其反饋至前級 DCDC 的控制電路誤差放大器的反饋端改變驅(qū)動功率器件的方波占空比來實現(xiàn) DCDC 閉環(huán)電壓穩(wěn)壓的作用。 方案一：信號分壓處理后直接連接到 A/D 器件，單片機控制 A/D 器件首先進行等間隔采樣，并將采集到的數(shù)據(jù)存到 RAM 中，然后處理采集到的數(shù)據(jù)，可在程序中判斷信號的周期，根據(jù)連續(xù)信號的離散化公式，做乘、除法運算，得到信號的有效值再通過 D/A 將相應(yīng)的反饋至送到直 流穩(wěn)壓系統(tǒng)中，對編程有一定的要求。原理框圖如圖 ： 圖 直接數(shù)據(jù)處理框圖 方案二：信號分壓后先經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換芯片 AD637， AD637 輸出信號的有效值模擬電平，然后將 AD637 輸出至反饋至直流穩(wěn)壓系統(tǒng)中去，實現(xiàn)穩(wěn)壓的功能。原理框圖如圖 ： 圖 采用 AD637 框圖 比較上述兩種方案：顯然方案一占用大量單片機內(nèi)部資源，造成可用資源減少，不利于設(shè)計中其它方面的利用。而方案二是采用硬件的的方式取樣，這樣做不但可以最大程度的減少采樣造成的 ，而且采用模擬芯片采樣的響應(yīng)很快，能夠很好的改善滿足 DCDC 直流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)的響應(yīng)速度問題，使輸出電壓能夠很好的適應(yīng)負載變化。因此我們選取選擇方案二。 SPWM波產(chǎn)生方案 該設(shè)計中，變頻的核心技術(shù)是 SPWM 波的生成。 單片機集、存儲、計算 AD637 DCDC D/A DCDC A/D 待處理信號 待處理信號哦 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 6 頁 共 82 頁 方案一：采用 SPWM（正弦脈寬調(diào)制）集成電路。 SPWM（正弦脈寬調(diào)制）集成電路，所以可以作為單相變頻電源的控制電路。這樣的設(shè)計避免了應(yīng)用分立元件構(gòu)成 SPWM 波形發(fā)生器離散性、調(diào)試?yán)щy、穩(wěn)定性較差等不足。 方案二：采用 AD9851 DDS 集成芯片。 AD9851 芯片由高速 DDS 電路、數(shù)據(jù) 輸入寄存器、頻率相位數(shù)據(jù)寄存器、高速 D/A 轉(zhuǎn)換和比較器組成。由該芯片生成正弦波和鋸齒波，利用比較器進行比較，可生成 SPWM 波。 方案三：利用單片機通過編程直接生成正弦波 ,單片機輸出的基波正弦波與載波三角波通過比較電路生成占空比和頻率可變的驅(qū)動信號，改變正弦的頻率即可很容易的改變輸出電壓頻率。 比較以上三種方案：方案一是較好的一種實現(xiàn) SPWM 波的方法，但本畢業(yè)設(shè)計的重點在于對大學(xué)學(xué)習(xí)的驗證，更多的是驅(qū)動電路的設(shè)計，并且采用專用芯片需要對芯片的工作原理有一定的認(rèn)識，否則會遇到很多問題。而采用 DDS 雖然很容易的 實現(xiàn)驅(qū)動的生成，但其輸出信號是非常小的信號，波形質(zhì)量難以保證非常容易受到干擾，從而使信號波形特性不理想，需要設(shè)計良好的濾波電路。DDS 驅(qū)動能力很小，需要設(shè)計與之相應(yīng)的驅(qū)動電路。這就使系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜程度大大加大，而且成本加大，因此本系統(tǒng)不予采納。單片機與運放產(chǎn)生 SPWM，能夠較準(zhǔn)確的產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的 SPWM 波形，設(shè)計思想成熟，充分體現(xiàn)了數(shù)電和模電的魅力。因此 SPWM 產(chǎn)生方案采用方案三。 變頻電源基本結(jié)構(gòu)方案 方案一：變頻電源實際上是一個 AC— DC— AC 裝置：它先將來自公共電網(wǎng)的交流電經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)變成直流 電，再通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)變成滿足負載需要的交流電，所以基本部分由整流電路、逆變電路、控制電路、負載匹配電路等幾個部分。采用如圖 示開環(huán)控制方式，電路簡潔，思路清晰，但這種電路在負載改變的時候不能達到穩(wěn)壓的要求。 圖 變頻電源開環(huán)控制框圖 控制電路 DCAC 負載 ADDC DCDC 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 共 82 頁 方案二：在上面方式的基礎(chǔ)上，從負載端引出一個反饋信號，這個反饋信號經(jīng)過處理后送單片機及前級 DCDC 的 PWM 的誤差放大器的反饋端與基準(zhǔn)電壓做 PID 調(diào)節(jié)，誤差放大器的輸出結(jié)果與 PWM 芯片內(nèi)部的鋸齒波比較長生一個與之對應(yīng)的占空比可變的方波，此方波通過芯片內(nèi)部功 率放大驅(qū)動電路驅(qū)動功率開關(guān)器件，從而使輸出維持設(shè)定的電壓值，形成一個電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過改變誤差放大器的基準(zhǔn)電壓以或者改變輸出采樣電阻的比值即可實現(xiàn)電壓調(diào)幅的功能。該系統(tǒng)可靠性高，誤差小，滿足 穩(wěn)頻、穩(wěn)壓的要求。 其結(jié)構(gòu)圖如圖 ： 圖 變頻電源 閉 環(huán) 結(jié)構(gòu)圖 輔助電源方案 方案一： 采用基于 LM 系列單端穩(wěn)壓芯片將整 流電壓 穩(wěn)壓為系統(tǒng)供電，線性電源特點是不存在射頻、 EMI 等干擾。 輸出電壓比輸入電壓低；反應(yīng)速度快，輸出紋波較小、工作產(chǎn)生的噪聲低、效率較低 (現(xiàn)在經(jīng)常 看的 LDO 就是為了解決效率問題而出現(xiàn)的 )、發(fā)熱量大（尤其是大功率電源），間接地給系統(tǒng)增加熱噪聲 方案二： 采用基于 UC3845 多路隔離輸出輔助電源供電，反擊式多路輸出電源是輔助電源中應(yīng)用最多的拓撲，通過變壓器繞組數(shù)來獲得多輸出的功能。初級和次級線圈不共功率地，設(shè)計合理的話，紋波會很小?？梢詽M足系統(tǒng)供電的要求。 比較以上兩種方案：線性電源的最大缺點是效率非常低，特別是輸入輸出電壓壓差較大時，其效率是影響使用它的決定向因素，效率低小造成電源模塊發(fā)熱嚴(yán)重，會嚴(yán)重影響其他模塊的穩(wěn)定工作。所以不予采納，而基于 UC3845 隔離式輔助供電模塊，因為開關(guān)電源工作效率比較高，在功率不是很大的情況熱輻射很小，不會對其他模塊造成影響。同時由于采用了隔離的方式，可以實現(xiàn)輸入地與輸出地以及輸出地與輸出地之間的隔離。保證了被供電模塊的電氣安全，同時有滿足了系統(tǒng)對隔離電源需求的要求。因此輔助電源方案采用方案二。 ADDC DCDC DCAC 負載 控制電路 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁 共 82 頁 方案論證 總體思路 采用一塊 STC51 單片機，利用 51 單片機生成頻率可變的基波信號，與通過NE555 產(chǎn)生的三角波載波通過比較電路及濾波電路、整形電路、延時電路經(jīng)后級電容自舉驅(qū)動電路驅(qū)動主功率全橋 DCAC 電路， 實現(xiàn) DCAC 逆變功能。同時閉環(huán)穩(wěn)壓環(huán)節(jié)通過單片機改變 DCDC 控制電路的基準(zhǔn)值電壓值打大小來以及來自采樣電路的反饋電壓來達到穩(wěn)壓和調(diào)壓的。通過改變基波頻率大小來改變逆變輸出頻率的大小。從而實現(xiàn)單相逆變調(diào)壓、調(diào)頻的功能。而系統(tǒng)的供電模塊采用基于 UC3845 的的反擊式多路輸出隔離電源作為系統(tǒng)供電的輔助電源。 設(shè)計方案 220V/50Hz 的市電，經(jīng)過一個 220V/24V 的隔離變壓器，輸出 24V 的交流電壓經(jīng) 整流 得直流電壓，再經(jīng)斬波得到一個幅度可調(diào)的穩(wěn)定直流 電壓 。斬波電路采用基于 TL494 推挽升壓電路， 功率器件采用場效應(yīng)管 IRF540。驅(qū)動采用外接圖騰柱驅(qū)動模式，外接圖騰驅(qū)動接 TL494 的 PWM 輸出端。 DCDC 調(diào)壓、穩(wěn)壓則通過單片機改變 TL494基準(zhǔn)電壓的大小與經(jīng)采樣電路反饋電壓來改變控制 PWM輸出的占空比來實現(xiàn)或通過改變輸出采樣可變電阻的大小來實現(xiàn)調(diào)壓的功能。輸出的斬波電壓經(jīng)濾波電路變成穩(wěn)定的直流電壓，作為逆變橋的直流母線電壓。直流母線經(jīng)全橋逆變電路及濾波電路變成正弦交流電。逆變電路采用全橋逆變電路MOSFET 橋臂由四個 IRF540 構(gòu)成， IRF540 的隔離驅(qū)動選用 TLP250， TLP250是由 SPWM 驅(qū)動信號驅(qū)動的。 SPWM 驅(qū)動信號是通過正弦波和三角比較產(chǎn)生的，比較器產(chǎn)生的驅(qū)動信號再通過死區(qū)電路到達 TLP250 的輸入端。逆變輸出電壓通過 LC 低通濾波器輸出平滑的正弦波。圖 變頻電源系統(tǒng)設(shè)計方框圖 。 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁 共 82 頁 延時電路 保護電路 三角波 圖 變 頻電源系統(tǒng)設(shè)計方框圖 正弦波 圖騰柱驅(qū) 動 TL494PWM 芯片 基 于 UC3845 反擊多路輸出輔助供電模塊 全橋逆變 死區(qū)電路 LC 濾波輸出 斬波 直流輸出 交流輸入 橋式整流 扼流圈 濾波 整形電路 A/D 單片機 三角波 真有效值電路 TLP250 保護電路 比較電路 隔離 隔離 真有效值電路 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10 頁 共 82 頁 2 單元電路的設(shè)計與說明 交流電源整流濾波電路 市電 220V/50Hz 經(jīng)隔離變壓器變壓為 24V 的交流電壓，輸入到扼流圈，消除大部分的共模干擾，經(jīng)整流輸出到濾波電容，輸出文波很小的直流電壓。其電路如圖 所示。在電路圖中， F F2