【文章內容簡介】 ，在太陽能及風能發(fā)電領域，逆變器有著不可替代的作用。 單相橋式逆變電路如圖 22 所示。 第 2 章 變頻電源的理論基礎 9 圖 22 單相橋式逆變電路 S1～ S4 是橋式電路的 4 個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。 S S4 閉合，S S3 斷開時，負載電壓 U0 為正 S1； S S4 斷開， S S3 閉合時， U0 為負，把直 流電變成了交流電 [7]。電子科技大學成都學院本科畢業(yè)設計論文 10 第 3章 變頻電源系統方案設計 系統方案選擇 此次變頻電源系統方案的制定主要包括專用逆變電源芯片的選擇，變頻電源中逆變電路的選擇。下面針對各自的選擇方案做簡要說明。 逆變專用芯片選擇方案 隨著經濟的飛速發(fā)展，變頻電源在各行各業(yè)中扮演著重要的角色，如車載逆變器，變頻調速器等等，變頻專用測試電源等。正因為如此大量的純正弦波逆變發(fā)生器芯片應運而生，常見的控制芯片比如 SG3524 、 SG3524N、 SG352TL494CN、 TDS2285 等。當然也有通過軟件編程控制輸出 SPWM 的芯片比如：PIC16F877A、 dspic30f4011 和最新版的 dspic33XX 系列微處理器等。 本次變頻電源系統中純正弦波逆變發(fā)生器芯片選擇 EG8010，它是一款數字化的、功能很完善的自帶死區(qū)控制的純正弦波逆變發(fā)生器芯片，應用于 DCDCAC兩級功率變換架構或 DCAC 單級工頻變壓器升壓變換架構，外接 12MHz 晶體振蕩器，能實現高精度、失真和諧波都很小的純正弦波 50Hz或 60Hz逆變器專用芯片。 此芯片與上述其他純正弦波逆變發(fā)生器芯片的最大不同之處在于 EG8010 芯片不僅可以定頻輸出 50HZ、 60HZ， 而且還能通過外圍電路的設計改變其輸出頻率，輸出頻率可調節(jié)范圍 0~400HZ。 根據 EG8010 參考手冊可知，通過改變芯片引腳 FRQADJ 的電壓可以改變輸出頻率。但是手冊中采用的方式是通過調節(jié)可變電阻來調節(jié)引腳 FRQADJ 的電壓，而本次設計采用的是微機控制系統控制方式調節(jié)引腳 FRQADJ 的電壓進而改變輸出頻率，具體的微機控制系統詳見第五章。本文以 EG8010 為核心控制芯片對電源系統包括變頻控制電路、保護電路以及驅動電路做的設計 [8]。下面對逆變專用芯片EG8010 做簡單的介紹。 第 3 章 變頻電源系統方案設計 11 EG8010芯片的描述 EG8010 是一款數字化的、功能很完善的自帶死區(qū)控制的純正弦波逆變發(fā)生器芯片，應用于 DCDCAC 兩級功率變換架構或 DCAC 單級工頻變壓器升壓變換架構，外接 12MHz 晶體振蕩器，能實現高精度、失真和諧波都很小的純正弦波 50Hz 或 60Hz 逆變器專用芯片。該芯片采用 CMOS 工藝，內部集成 SPWM 正弦發(fā)生器、死區(qū)時間控制電路、幅度因子乘法器、軟啟動電路、保護電路、 RS232串行通訊接口和 12832 串行液晶驅動模塊等功能。下面是 EG8010 的整體封裝結構及各管腳的功能。 EG8010 系統封裝結構如圖 31 所示。 圖 31 EG8010 系統封裝結構 EG8010 芯片基本模塊由以下幾個部分組成：電源模塊；晶體振蕩模塊；狀態(tài)控制器模塊，包括 SPWM 輸出上下管死區(qū)的設置、頻率模式的選擇、變頻變壓模式選擇、 PWM 輸出類型選擇、風扇控制輸出、 LED 指示輸出等； SPWM 發(fā)生器模塊； 12832 液晶顯示模塊；串口通訊模塊；反饋信號處理模塊，包括電壓反饋、電流反饋、溫度反饋等。 EG8010 結構框圖如圖 32 所示。 電子科技大學成都學院本科畢業(yè)設計論文 12 圖 32 EG8010 結構框圖 EG8010 是一款數字化的、功能很完善的自帶死區(qū)控制的純正弦波逆變發(fā)生器芯片，應用于 DCDCAC 兩級功率變換架構或 DCAC 單級工頻變壓器升壓變換架構，外接 12MHz 晶體振蕩器，能實現高精度、失真和諧波都很小的純正弦波 50Hz或 60Hz逆變器專用芯片。 EG8010的特點與應用領域 該芯片采用 CMOS 工藝，內部集成 SPWM 正弦發(fā)生器、死區(qū)時間控制電路、幅度因子乘法器、軟啟動電路、保護電路、 RS232 串行通訊接口和 12832 串行液晶驅動模塊等功能。該芯片有以下特點： 1)、 5V 單電源供電； 2）、引腳設置 4 種純正弦波輸出頻率： 50Hz純正弦波固定頻率、 60Hz純正弦波固定頻 率、 0100Hz純正弦波頻率可調、 0400Hz純正弦波頻率可調。 3)、單極性和雙極性調制方式； 4)、自帶死區(qū)控制，引腳設置 4 種死區(qū)時間： 300nS 死區(qū)時間、 500nS 死區(qū)時間、 死區(qū)時間、 死區(qū)時間。 5)、外接 12MHz晶體振蕩器， PWM 載波頻率 ； 第 3 章 變頻電源系統方案設計 13 6)、電壓、電流、溫度反饋能實時處理，有過壓、欠壓、過流、過熱保護功能； 7）、引腳設置有軟啟動模式 3S 的響應時間； 8)、串口通訊可以設置輸出電壓、頻率等參數，外接串口 12832 液晶顯示模塊可以顯示逆變器的電壓、頻率 、溫度和電流等信息。 現已被以下行業(yè)廣泛使用。例如單相純正弦波逆變器、光伏發(fā)電逆變器、風力發(fā)電逆變器、不間斷電源 UPS 系統、數碼發(fā)電機系統、中頻電源、單相變頻器、單相電機調速控制器、正弦波調光器、正弦波調壓器、正弦波發(fā)生器、逆變焊機等。 EG8010的變頻模式 EG8010 是一款數字化的、功能很完善的自帶死區(qū)控制的純正弦波逆變發(fā)生器芯片，可以通過設定芯片 FRQSEL1， FRQSEL0 引腳高低電平和改變 FRQADJ 引腳的電壓來改變頻率，此芯片的使用使得變頻電源系統設計進一步簡單而高效。 EG8010 頻率模 式分為固定頻率模式和可調頻率模式，可調頻率模式下 EG8010 僅采用了單極性調制方式，即可調頻率模式下需將引腳 (20)MODSEL 接低電平。頻率模式通過引腳 FRQSEL1， FRQSEL0 設定，固定頻率模式為“ 00”是輸出 50Hz頻率，“ 01”是輸出 60Hz頻率 ,固定頻率模式下 FRQADJ 功能無效，工作在雙極性調制模式下引腳（ 16）將作為 VFB2 電壓反饋電路；可調頻率模式為“ 10”是輸出頻率范圍 0～ 100Hz 可調 ,“ 11”是輸出頻率范圍 0～ 400Hz 可調，可調頻率由 FRQADJ引腳調節(jié)電路如圖 ， FRQADJ引腳的輸入電壓從 0～ 5V變化，對應的基波輸出頻率從 0～ 100Hz 或 0～ 400Hz 變化，此功能結合 VVVF 引腳可以應用在單相變頻器系統。 EG8010 頻率調節(jié)電路如圖 33 所示。 電子科技大學成都學院本科畢業(yè)設計論文 14 圖 33 EG8010 頻率調節(jié)電路 [8] 其工作原理 不采用手動調節(jié)可變電阻方式，而是采用溫度自動控制輸入 0~5V的值到 EG8010 芯片以達到變頻的目的。從頻率調節(jié)電路原理圖可以看出 16 腳采集的電壓是呈線性關系的。具體調節(jié)方式是通過 DS18B20 溫度采集到相應的數據，然后傳輸到 AT89C51 單片機上，單片機通過系統程序自 動把對應溫度轉換為模擬電壓輸出到數模轉換器 DAC0832 上，然后再 DAC0832 上接上一個運算放大器使輸出模擬電壓得以放大到 0~5V，以提供 EG8010 的 16 引腳的輸入，使得整個系統得以正常運行。 變頻電源中逆變電路的方案 逆變電路 是指將低電壓變?yōu)楦唠妷?,把直流電變?yōu)榻涣麟姷碾娐?,它與整流電路相對應 ,是通用 變頻器 的核心部件之一 ,有非常重要的作用 .它的基本作用是在控制電路的控制下 ,將中間的直流電路輸出的直流 電源 轉換為頻率和電壓都任意可調的 交流電源 。下面以常見的單相電壓型逆變電路舉例分析說明。 半橋逆變電路 半橋逆變電路結構及其工作波形如圖 34 所示。 第 3 章 變頻電源系統方案設計 15 圖 34 半橋逆變電路 V1 和 V2 柵極信號各半周正偏、半周反偏，互補。 uo 為矩形波，幅值為Um=Ud/2， io 波形隨負載而異，感性負載時，圖 b， V1 或 V2 通時， io 和 uo 同方向，直流側向負載提供能量， VD1 或 VD2 通時， io 和 uo 反向，電感中貯能向直流側反饋， VD VD2 稱為反饋二極管，還使 io 連續(xù)，又 稱續(xù)流二極管。 優(yōu)點：簡單，使用器件少。 缺點：交流電壓幅值 Ud/2，直流側需兩電容器串聯，要控制兩者電壓均衡，用于幾 kW 以下的小功率逆變電源。 單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。 全橋逆變電路 全橋逆變電路結構及其工作波形如圖 35 所示。 圖 35 全橋型逆變電路 電子科技大學成都學院本科畢業(yè)設計論文 16 全橋逆變電路共有四個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組而成。把橋臂 V1 和V4 作為一對，橋臂 V2 和 V3 作為另一對，成對的兩個橋臂同時導通，兩對橋臂各導通 180176。與半橋逆變相比，全橋逆變輸出電壓 Um的幅值高出一倍，即 Um=Ud。 根據以上 兩種逆變電路的特點和變頻電源系統中對 EG8010 芯片的設計要求，選擇目前在單相逆變電路中應用較多的全橋逆變電路作為該變頻電源的逆變電路。第 4 章 系統變頻電路設計 17 第 4章 系統變頻電路設計 整體系統框圖如圖 41 所示。整個變頻電源系統電路模塊包括：整流濾波電路、變頻控制模塊、驅動模塊、功率主板模塊、保護模塊 (電壓、電流、溫度保護 )等。變頻系統框圖如圖 41 所示。 圖 41 變頻系統框圖 其工作原理是市電輸入經過整流濾波模塊輸出穩(wěn)定直流高壓，為后續(xù)的逆變電路做漏極的輸入。蓄電池的電壓經過轉換后為 EG8010 芯片供電，使得變頻控制系統模塊正常工作；通 過驅動模塊的輸出驅動功率主板發(fā)生逆變；緊接著經過 LC濾波電路輸出 220V 交流電壓。反饋部分包括微機控制系統和保護模塊。其中微機控制系統主要目的是：隨著外界溫度的變化而輸出 0~5V 的模擬電壓以自動調節(jié)變頻控制系統，使之輸出頻率為 20HZ~100HZ 范圍內可調的穩(wěn)定交流電，當溫度低于或高于設定值時，停止輸出；反饋回路中的保護模塊是為了輸出能安全、正常的運行而必須設定的，其中包括電壓保護、電流保護、溫度保護。當其中一項或者多項發(fā)生時，系統能自動斷開輸出，以保證設備不被損壞。 下面針對變頻電路系統中的各個模塊做詳細 介紹。 電子科技大學成都學院本科畢業(yè)設計論文 18 整流濾波電路設計 整流濾波電路目的是為了得到后級的直流高壓，以配合驅動電路進行逆變。下面是我所設計的整流濾波電路的原理圖和簡要分析。 整流濾波電路原理見圖 42 所示。 圖 42 整流濾波電路 整流濾波電路電路原理是： 首先要考慮的是電網中的交流電具有不穩(wěn)定性，有不同程度的諧波干擾，加上電網的電壓偶爾會超過正常值，所以我們必須在此安裝一個合適的保險管，以保護核心設計部分不被損壞；根據輸出功率可選擇 F1 取值為 250V、 2A 的管子。 熱敏電阻 RT1，利用 NTC 熱敏電阻的自熱特性可實現自動增益控制，構成 RC振蕩器 穩(wěn)幅電路，延遲電路和保護電路，選擇型號為 MF7205D100。 壓敏電阻 RV，可以抑制電路中經常出現的異常過電壓，保護電路免受過電壓的損害，選擇的型號為 07D431k。 共模電感 L2，共模電感，也叫共模扼流圈，常用于電腦的 開關電源 中過濾共模的電磁干擾信號。在板卡設計中，共模電感也是起 EMI 濾波的作用，用于抑 制高速信號線產生的電磁波向外輻射發(fā)射。 整流橋 D1 可以用整流 二極管 將交流電轉換為直流電，整流橋選型（ KBP307）第 4 章 系統變頻電路設計 19 3A 800V 。 濾波電容 C C6，以降低交流脈動波紋系數提升高效平滑直流輸出的一種儲能器件，選型大小為 470uF/450V， L2 與 C4， C5 組成共模干擾電路； C2， C1 組成串模干擾電路； R2 是泄放電阻；整流輸出電壓 VH=*220V=310V。 采用輔助電源 U3， U78L05 把 VBT12V 的電池電壓轉換為 Vcc+5V 電壓以便為控制芯片 AT89C52 和 EG8010 供電。 控制模塊設計 此次設計采用了 EG8010 是一款數字化的、功能很完善的自帶死區(qū)控制的純正弦波逆變發(fā)生器芯片，應用于 DCDCAC 兩級功率變換架構或 DCAC 單級工頻變壓器升壓變換架構，外接 12MHz 晶體振蕩器，能實現高精度、失真和諧波都很小的純正弦波 50Hz或 60Hz逆變器專用芯片。下面介紹本次變頻控制模塊的詳細工作過程。 變頻控制模塊如圖 43 所示。 圖 43 變頻控制模塊 電子科技大學成都學院本科畢業(yè)設計論文 20 芯片電源 VCC 由 U78L05 輸出，經過濾 波電容 C12 和 C13 提供 +5V 電源。 具體控制方式通過設置引腳 PWMTY 接高電平，代表負極性 PWM 輸出，輸出應用于死區(qū)電平為同時高電平場合 ,如驅動 TLP250 等光耦器件的陰極。