【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 M 脈沖產(chǎn)生電路 本次設(shè)計(jì) PWM 脈沖產(chǎn)生采用的芯片是 定頻 PWM 芯 片 SG3525。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 32所示。 圖 32 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 芯片的 1 腳 為反相輸入端， 2 腳為同相的輸入端， 這兩個(gè)管腳 連接的是芯片內(nèi)直流開環(huán)增益為 70db 的兩級(jí)差分誤差放大器。 芯片的 5 腳、 6 腳、 7 腳內(nèi)的電路 組成了 SG3525 內(nèi)部振蕩器 。 這三個(gè)引腳內(nèi)部的比較器和電容充放電電路加上外接的電阻電容電路便可組成振蕩器。 芯片的 3 腳為振蕩器的外部同步輸入端。 5 腳外接電容 CT， 6 腳外接電阻 RT。振蕩器 的頻率的計(jì)算公式如下。 f=)( 1 RdRTCT ? 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 10 振蕩器的產(chǎn)生的輸出有兩種形式，一種是傳入雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，輸出方式為時(shí)鐘脈沖的形式；另一種傳送到比較器的同相輸入端，輸入方式為以鋸齒波的形式。誤差放大器輸出的數(shù)據(jù)送入比較器的反相輸入端。比較器根據(jù)輸入的鋸齒波和誤差放大器的輸出進(jìn)行比較。輸出一個(gè)方波，該方波的寬度隨著誤差放大器的輸出電壓高低而改變。該方波脈沖送入或非門其中一個(gè)輸入端，另兩個(gè)輸入端為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是兩個(gè)輸出互補(bǔ)的波形，高低電平交替輸出。產(chǎn)生的 PWM 脈 沖送至放大管 VTVT2 的基極。鋸齒波可以保證 VT1 和 VT2 不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，控制了死區(qū)時(shí)間。 VT1 和VT2 輸出 PWM 波，其相位差 180176。 芯片 9 腳和 1 腳之間 需要 連接反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 使輸出的波形更加正確 。 由于 PWM 產(chǎn)生電路屬于高頻電路，與后級(jí)電路存在相互干擾的可能性。因此將PWM 產(chǎn)生電路單獨(dú)設(shè)計(jì)，通過插接方式來連接。設(shè)計(jì)的部分 電路如圖 33 所示。 INA1INP2Cr3Oo4Ct5Rt6Di7Ss8Co9shut10OUTA11GND12Vcc13OUTB14Vs15Vref16uSG35251 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11JLGND300kR84C82103GNDR83GNDHV_DTENTCP1P2+12VPICBUZ+12VRD85IN414810KR96R95Q80S8050GNDR99 P2P1+12VP+12VRC20103ICC2110UF100R86 圖 33 PWM產(chǎn)生電路圖 變壓器的設(shè)計(jì) 高頻 變壓器 作為逆變 電源 DCDC 模塊 中的核心器件 ，它的主 要參數(shù) 和 性能指標(biāo) 直接 決定整個(gè) 逆變 電源的優(yōu)劣。 高頻變 壓器磁化特性曲線工作在第一和第三 象限 。磁通變化范圍較大，可以從 Bm到 +Bm。因此，它屬于對(duì)稱式變壓器。本次設(shè)計(jì)采用的 E55 鐵氧體磁芯 變壓器。 關(guān)于變壓器的參數(shù)計(jì)算，主要有以下幾項(xiàng)。 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 11 (1)功 率容量 EE55 的心柱截面積 Ae 為 平方厘米。 窗口面積 Aq 為 平方厘米 。功率容量 的計(jì)算為 AP=Ae*Aq=。 (2)原邊繞組匝數(shù) 原邊繞組 匝數(shù) NP 的計(jì)算公式如下。 NP=(VI/2)*10/(4*f*Bm*Ae)=(310/2) *10/(4*80000**)= NP 取整數(shù) 10 匝。 (3)副邊繞組匝數(shù) 根據(jù) 原副邊繞組匝數(shù)比 公式 NP /NS=VIN MIN/(2XVOP)，可以計(jì)算出原副邊繞組的匝數(shù) 比為 1： 6。則副邊繞組的 匝數(shù) 為 60 匝 。 繞制步驟為。 (1) 先繞 1/2 次級(jí)繞組（ 高壓部分 ） 使用高溫膠帶在磁芯的骨架上粘一圈，可以防止導(dǎo)線打滑。 用一根 線繞 30圈 左右，可以繞 一層 為準(zhǔn)。采用高溫膠帶將次級(jí) 繞組的外面包三層。 (2) 初級(jí)繞組 (低壓部分 ) 低壓繞組分兩層。繞制示意圖如圖 34 所示。 圖 34 繞制示意圖 先用 5 根 線繞兩圈，如圖中紅色。線中間留空隙。在空隙處用另 5 根線繞兩圈，如藍(lán)線。兩根線的長(zhǎng)度約 37 厘米。 采用同樣方法，繞第二層。兩層中間采用高溫膠帶隔離。相當(dāng)于 10 匝 。 (3) 另外 1/2 的次級(jí)繞組 按照步驟 1 的方法，采用同樣的繞向繞完剩下的 1/2。采用高溫膠帶包三層左右。 (4) 焊接引線 繞組繞完后，將留出的線頭，采用焊接在骨架上。并將線頭去 漆 上錫。 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 12 輸出整流電路的設(shè)計(jì) 輸出整流采用的是快速二極管 SBYV26C 組成的橋式整流電路。輸出經(jīng)過一個(gè)100uf/400V的電容濾波處理。經(jīng)過濾波后輸出一個(gè) 400V的直流電。供給下一級(jí)使用。 PWM 產(chǎn)生電路產(chǎn)生的兩路 PWM 波 P1 和 P2 后 ，經(jīng)過開關(guān)管的調(diào)制為交流電后，經(jīng)過高頻變壓器，輸出高頻高壓，經(jīng)過四個(gè)二極管來整流。 設(shè)計(jì)的電路如圖 35 所示。 RF6IRF3205RF7IRF3205C13103R2T?E55BT+12VGNDP2P1VinVoutGND7812C5220uf/25vC410412VGNDC171000uf/35vD11FR104D36FR104D9SBYV26CD7SBYV26CD6SBYV26CD5SBYV26CC14650uf/450VGNDHVO_400V 圖 35 DCDC輸出電路原理圖 DCAC 模塊 逆變電源實(shí)現(xiàn)的主要功能便是直流到交流的轉(zhuǎn)換，而該模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能便是直流到交流的轉(zhuǎn)換。因此，該模塊是是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的組成部分。是整個(gè)逆變電源的靈魂 ， 起主導(dǎo)地位。逆變電源的性能很大程序取決于該模塊的性能。該模塊的轉(zhuǎn)換原理是將 DCDC 模塊得到的 400V 直流電通過 SPWM 波形調(diào)制成 220V， 50Hz 的交流電。然后通過 LC 濾波電路濾除 其它雜波，使輸出波形更加完美。因此，該模塊電路可以分為三部分。第一部分是驅(qū)動(dòng)單片機(jī)產(chǎn)生的 SPWM 波形。第二部分是將接在 400V直流電的開關(guān)管按 SPWM 波形閉合與斷開。第三部分是對(duì)開關(guān)管的輸出的波形進(jìn)行濾波。詳細(xì)介紹如下。 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 13 波驅(qū)動(dòng) 隔離 單片機(jī)直接輸出的功率較小，而且容易受到后級(jí)功率型開關(guān)器件的干擾，從而引發(fā)災(zāi)難性的后果。因此 ， 兩部分電路的連接需要采用隔離驅(qū)動(dòng)的方式 。主要 器件為光耦 。光耦 的 優(yōu)點(diǎn)是體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 缺點(diǎn)是傳輸速度較慢。電磁隔離常用的器件是脈沖變壓器。 它的 優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)的速度快，比光電 隔離擁有較強(qiáng)的共模抑制比。但缺點(diǎn)是體積大，加工復(fù)雜，對(duì)傳輸信號(hào)有一定的要求。比如占空比不能超過 49%，能傳輸?shù)男盘?hào) 和 寬度 都較小 。 本次設(shè)計(jì)采用的是 IR2110S 作為驅(qū)動(dòng)器件。 IR2110S 是美國(guó) IR 公司 生產(chǎn)的封裝為SO16 的芯片 ，兼有體積小和速度快兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 IR2110S 采用閂鎖和 HVIC 的 CMOS 制造工藝的貼片封裝，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。 低端和高端輸入通道相互獨(dú)立，互不干擾。懸浮電源采用的是自舉電路，可以實(shí)現(xiàn)高端工作電壓在 500V。邏輯電源電壓范圍在 5 到 15V，因此可以與單片機(jī)的 TTL電平匹配。最高工作 頻率可以為 500KHz。開通、關(guān)斷的延遲只有 120ns 和 94ns。 IR2110S的管腳如表 31 所示。 表 31 IR2110S引腳 引腳 名稱 功能 1 LO 低端輸出 2 COM 公共端 3 VCC 電源電壓 (低端固定 ) 4 NC 無效端 5 NC 無效端 6 Vs 電源偏移電壓 (高端浮置 ) 7 VB 電源電壓 (高端浮置 ) 8 HO 輸出（高端） 9 NC 無效端 10 NC 無效端 11 VDD 邏輯電源電壓 (邏輯 ) 12 HIN 邏輯高端輸入 13 SD 關(guān)斷 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 14 14 LIN 邏輯低端輸入 Vss 15 Vss 邏輯地 16 NC 無效端 邏輯電路地根據(jù)芯片的結(jié)構(gòu)和管腳設(shè)計(jì)的電路 原理圖 如圖 36 所示。 LO1COM2VCC3NC4NC5VS6VB7HO8NC9NC10VDD11HIN12SD13LIN14VSS15NC16* IR2110SGNDC22100UF/35VVLD4FM1SC23100UFC24GND+12VLOHOC25100UFC26SDSPWM1SPWM2LO1COM2VCC3NC4NC5VS6VB7HO8NC9NC10VDD11HIN12SD13LIN14VSS15NC16IR2110SGNDC29100UF/35VVND21FM1SC30100UFC31GND+12VLO2HO2C28100UFC27SDSPWM3SPWM4 圖 36 驅(qū)動(dòng) 隔離原理圖 單片機(jī)輸出的四路 SPWM 波輸入到 IR2110S 的 HIN 和 LIN。 C2 C2 C30 和C31 為芯片電源的濾波電容。 C2 C29 為自舉電容 ， D D21 為自舉 二極管。 開關(guān)管在導(dǎo)通 時(shí)， 需要在很小的時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)足夠的柵電荷供給門極。開關(guān)管在開通后，自舉電容兩端的電壓為 10V，開關(guān)管充分導(dǎo)通的所需電壓為 。自舉電容充電時(shí)，兩端的壓降在 。開關(guān)管柵極 泄漏 壓降約有 1/2 左右。綜合這些條件，自舉電容容量選擇公式為 C12Qg/(VCC－ 10－ )。經(jīng)過計(jì)算，本次設(shè)計(jì)的自舉電容為100uf/35V。 自舉二極管是組成自舉電路的重要的自舉器件，主要作用是阻斷直流干線上的高壓。自舉二極管所需承受的電流是柵極電荷與開關(guān)頻率之積。本次設(shè)計(jì)采用的自舉二極管為 恢復(fù)二極管 FM1S。該二極管擁有較小的 反向漏電流 ，可以有效的減小電荷損失。 開關(guān) 電路 的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)中開關(guān)管的輸入電壓在 400V左右，輸出功率在 300W 以上。因此必須使用功率足夠的功 率開關(guān)管。本次設(shè)計(jì)采用的是 IRF840 作為開關(guān)管。 IRF840 的最大 漏 源基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 15 電 壓在 500V， 漏極電流為 8A 左右，足以滿足本次設(shè)計(jì)的要求。設(shè)計(jì)的電路如圖 37所示。 RF9IRF840RF10IRF840R32100R3310R34D39IN4148HVO_400VHO2R35100R3610R37D40IN4148LO2C50474/630VRF11IRF840RF12IRF840R38100R3910R40D42IN4148HOR41100R4210R43D43IN4148LOVO_L VO_NR44GND 圖 37 開關(guān)電路原理圖 開關(guān)管的控制信號(hào)為 IR2110S 隔離后的 SPWM 正弦波，輸入電壓為 400V左右的直流電，經(jīng)過 SPWM 波形調(diào)制后，輸出 220V， 50Hz 的正弦波交流電。經(jīng)過后級(jí)的 LC濾波電路后，使輸出波形的更加純凈。 LC 濾波電路設(shè)計(jì) 為了濾除開關(guān)管輸出的交流電中高頻成分，以及增強(qiáng)電源的 EMI 特性。設(shè)計(jì)了一個(gè) LC 濾波電路。電路 原理圖如圖 38 所示。 VO_L VO_NL1C51225pf/400VT1C52104/250VC53222C54222C55103AC_L AC_GND AC_NPGNDAC_LAC_GNDAC_N 圖 38 LC濾波電路 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 16 L1 采用的是磁環(huán)繞制導(dǎo)線而成的差模電感。磁環(huán)為 直徑 40MM的鐵硅鋁 材料制作。采用 的線在磁環(huán)上繞 90 圈左右，使用的線長(zhǎng)在 米左右。磁環(huán)的導(dǎo)磁率為 125，電感量為 ，導(dǎo)磁率為 60。繞制時(shí)分兩層，第一層為 45 圈，內(nèi)圈的線緊密繞制，外圈線的每圈留有一個(gè)空隙。第二層為 45 圈，內(nèi)圈疊在第一層線上，外圈嵌在第一層的空隙中。 保護(hù)模塊 溫度保護(hù) 設(shè)計(jì)的電路如圖 39 所示。 FANS1KSD9700GND+12V 圖 39 散熱風(fēng)扇電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)有兩路溫度控制電路。一 個(gè)是當(dāng)溫度超過一定值時(shí)開啟散熱風(fēng)扇。 另一個(gè)是作為 DCDC 模塊的溫度補(bǔ)償模塊，當(dāng)溫度過高時(shí)，停止前級(jí) DCDC 的轉(zhuǎn)換。散熱風(fēng)扇的控制采用的是熱保護(hù)器 KSD9700。 KSD9700 是由兩片不同材料的金屬片組成的。正常溫度情況下