【文章內(nèi)容簡介】 波只在正極性或負極性一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的PWM波形也只在單個極性范圍變化的控制方法方式稱為單極性PWM控制方法。圖35 單極性PWM控制方式波形和單極性PWM控制方式相對應的是雙極性控制方式。圖34的單相橋式逆變電路在采用雙極性控制方式時的波形如圖36所示。采用雙極性方式時，在的半個周期內(nèi)，三角形載波不再是單極性的，而是有正有負，所得到的PWM波也是有正有負。在的一個周期內(nèi)，輸出的PWM波只有正負兩種電平，而不象單極性控制時還有零電平。仍然在調(diào)制信號和載波信號的交點時刻控制各開關器件的通斷。在的正負半周，對各開關器件的控制規(guī)律相同。即當時，給V1和V4以導通信號，給V2和V3以關斷信號，這時如0，則VV4通，如果0，則VD1和VD4通，不管哪種情況都是輸出電壓=。當時，給V2和V3以導通信號，給V1和V4以關斷信號，這時0，則V2和V3通，如0，則CD2和VD3通，不管哪種情況都是= 。圖36 雙極性PWM控制方式波形可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采取雙極性調(diào)制，由于對開關器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。 正弦波脈寬調(diào)制技術的實現(xiàn)方法 軟件生成法 由于微機技術的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應運而生。軟件生成法其實就是用軟件來實現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則采樣法。 自然采樣法是以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進行比較，在兩個波形的自然交點時刻控制開關器件的通斷，這就是自然采樣法。其優(yōu)點是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波與正弦波交點有任意性，脈沖中心在一個周期內(nèi)不等距，從而脈寬表達式是一個超越方程，計算繁瑣，難以實時控制。 規(guī)則采樣法是一種應用較廣的工程實用方法，一般采用三角波作為載波。其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關器件的通斷，從而實現(xiàn)SPWM法。當三角波只在其頂點(或底點)位置對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期(即采樣周期)內(nèi)的位置是對稱的，這種方法稱為對稱規(guī)則采樣。當三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期(此時為采樣周期的兩倍)內(nèi)的位置一般并不對稱，這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣[7]。 規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進，其主要優(yōu)點就是是計算簡單，便于在線實時運算，其中非對稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦。其缺點是直流電壓利用率較低，線性控制范圍較小。除上述兩種方法外，還有一種方法叫做等面積法。該方案實際上就是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，然后計算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機中，通過查表的方式生成PWM信號控制開關器件的通斷，以達到預期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點，可以準確地計算出各開關器件的通斷時刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實時控制的缺點。 硬件調(diào)制法 硬件調(diào)制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。其實現(xiàn)方法簡單，可以用模擬電路構成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點，在交點時刻對開關器件的通斷進行控制，就可以生成SPWM波[8]。而且隨著電力電子技術的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)生了多種可以產(chǎn)生SPWM波的芯片，如TL49SG3525A等，這些集成芯片的出現(xiàn)使得電路的設計大大簡化，而且功能更加齊全。本次設計就采用硬件調(diào)制法，通過使用脈沖調(diào)制芯片來產(chǎn)生所需要的正弦脈沖調(diào)寬波。圖35 單極性SPWM波波形示意圖4 逆變電源元器件特性及各部分電路設計 逆變電源主要分立元件及其應用 場效應管圖41 MOSFET代表符號圖場效應管是一種適應開關電源小型化、高效率化和高可靠性要求的理想器件。它是利用電場效應來控制其電流大小的半導體器件。其代表符號如圖41。這種器件不僅兼有開關速度快、無存儲時間、體積小、重量輕、耗電省、壽命長等特點，而且還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強和制造工藝簡單等優(yōu)點，因此大大的擴展了它的應用范圍，特別是在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應用。MOSFET開關較快而無存儲時間，故在較高工作頻率下開關損耗較小，另外所需的開關驅(qū)動功率小，降低了電路的復雜性。本設計采用的是N溝道增強型MOSFET。只有在正的漏極電源的作用下，在柵源之間加上正向電壓（柵極接正，源極接負），才能使該場效應管導通[10]。當0時才有可能有電流即漏極電流產(chǎn)生，即當時MOS管才導通。 穩(wěn)壓管圖42 穩(wěn)壓管代表符號穩(wěn)壓管又稱齊納二極管，是一種用特殊工藝制造的面結型硅半導體二極管，其代表符號如圖42所示。這種管子的雜質(zhì)濃度比較大，空間電荷區(qū)內(nèi)的電荷密度也大，因而該區(qū)域很窄，容易形成強電場。當反向電壓加到某一定值是，反向電流激增，產(chǎn)生反向擊穿。穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)時，其兩端的電壓是基本不變的。利用這一性質(zhì)，在電路里常用于構成穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓二極管構成的穩(wěn)壓電路，雖然穩(wěn)定度不很高，輸出電流也較小，但卻具有簡單、經(jīng)濟實用的優(yōu)點，因而應用非常廣泛。齊納管一般有兩種用法（以下Iz為工作電流，Uz為標稱穩(wěn)壓電壓，Uw為實際工作電壓）：正常工作時處于“導通”狀態(tài)，Iz≥，此時齊納管起穩(wěn)壓作用，Uw≈Uz。 正常工作時處于“截止”狀態(tài)，即UwUz，Iz為1μA量級，當Uw“企圖”超過Uz時，齊納管就會導通，Iz急劇增長，并反過來阻止Uw的繼續(xù)升高，從而起到限幅或保護作用。正向特性反向特性i/mAu/V△IzUz△Uz 圖43 穩(wěn)壓管的VI特性 與門 在逆變電源電路中采用的與門芯片型號為74LS08，典型值為5V。在本電路中，其電源可以由TL494芯片的基準電壓輸出端提供。其輸出高電平最低為2V。圖44 與門代表符號表41 74LS08功能表輸入輸出ABY=ABLLLLHLHLLHHH 變壓器圖45 變壓器代表符號開關電源變壓器是加入了開關管的電源變壓器，在電路中，除了普通變壓器的電壓變換功能，開關電源變壓器還兼具絕緣隔離與功率傳送功能。開關電源變壓器一般用在開關電源等涉及高頻電路的場合。開關電源變壓器和開關管一起構成一個自激(或他激)式的間歇震蕩器,從而把輸入直流電壓調(diào)制成一個高頻脈沖電壓. , 當開關管導通時,變壓器把電能轉換成磁場能儲存起來,當開關管截止時則釋放出來. 在正激式電路中,當開關管導通時,再由儲能電感進行續(xù)流向負載傳遞[9]。 開關變壓器一般都是工作于開關狀態(tài)；當輸入電壓為直流脈沖電壓時，稱為單極性脈沖輸入，如單激式變壓器開關電源；當輸入電壓為交流脈沖電壓時，稱為雙極性脈沖輸入，如雙激式變壓器開關電源；因此，開關變壓器也可以稱為脈沖變壓器，因為其輸入電壓是一序列脈沖，因為開關變壓器還分正、反激輸出。開關電源變壓器分單激式開關電源變壓器和雙激式開關電源變壓器，兩種開關電源變壓器的工作原理和結構并不是完全一樣的。單激式開關電源變壓器的輸入電壓是單極性脈沖，并且還分正反激電壓輸出；而雙激式開關電源變壓器的輸入電壓是雙極性脈沖，一般是雙極性脈沖電壓輸出。另外，為了防止磁飽和，在單激式開關電源變壓器的鐵芯中一般都要留氣隙；而雙激式開關電源變壓器的鐵芯磁通密度變化范圍相對來說比較大，一般不容易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，因此，一般都不用留氣隙。單激式開關電源變壓器還分正激式和反激式兩種，對兩種開關電源變壓器的技術參數(shù)要求也不一樣；對正激式開關電源變壓器的初級電感量要求比較大，而對反激式開關電源變壓器初級電感量的要求，其大小卻與輸出功率有關。雙激式開關電源變壓器鐵芯的磁滯損耗比較大，而單激式開關電源變壓器鐵芯的磁滯損耗卻比較小。這些參數(shù)基本上都與變壓器鐵芯的磁化曲線有關開關變壓器使用的磁性材料為軟磁鐵氧體,如EI型,E型,EC型等。 在本次設計中，變壓器輸出直流電壓： =/≥=311V. （41）因電路有一定的損耗，考慮一定的裕量，故設定直流輸出電壓320V， 為變壓器原邊繞組匝數(shù)，為升壓變壓器副邊繞組匝數(shù)，為原邊直流電壓，為交流電壓輸出有效值220V?？紤]全橋電路每個橋臂上的開關管導通壓降為1V，則有公式： =[(2) /1]2 （42）設定本逆變電源系統(tǒng)功率的傳遞效率為，所以，從而計算變壓器副邊和原邊的匝數(shù)比為：/=22 電流互感器圖46 電流互感器原理圖在供電用電的線路中電流電壓大大小小相差懸殊從幾安到幾萬安都有。為便于二次儀表測量需要轉換為比較統(tǒng)一的電流，另外線路上的電壓都比較高如直接測量是非常危險的。電流互感器就起到變流和電氣隔離作用。微型電流互感器二次電流為毫安級，主要起大互感器與采樣之間的橋梁作用。微型電流互感器稱之為“儀用電流互感器”。 電流互感器原理線路圖微型電流互感器與變壓器類似也是根據(jù)電磁感應原理工作,變壓器變換的是電壓而微型電流互感器變換的是電流罷了。繞組N1接被測電流，稱為一次繞組（或原邊繞組、初級繞組）；繞組N2接測量儀表，稱為二次繞組（或副邊繞組、次級繞組）。 微型電流互感器一次繞組電流I1與二次繞組I2的電流比，叫實際電流比K。微型電流互感器在額定工作電流下工作時的電流比叫電流互感器額定電流比，用Kn表示,則Kn=I1n/I2n[11]。 在本次設計中用電流互感器對輸出電流進行采樣，采樣電流經(jīng)過處理后轉化為相應的電平信號，實現(xiàn)電路的過流保護。 逆變電源主要集成芯片及其功能簡介 TL494及其應用圖47 集成芯片TL494管腳圖TL494各引腳功能簡介：TL494 的內(nèi)部電路由基準電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。+(引腳1)：誤差放大器同向輸入端。(引腳2)：誤差放大器反向輸入端。(引腳3)：相位校正和增益控制端。(引腳4)：死區(qū)控制端, 其上加 0～ 電壓時可使截止時間從2%線懷變化到 100%。該端與外圍電路相配合可以控制輸出脈沖，從而實現(xiàn)電路的保護功能。(引腳5)：外接震蕩電容。(引腳6)：外接震蕩電阻,則輸出脈沖的振蕩頻率為： f= (43)(引腳7)：接地端。(引腳8)、E1(引腳9)、C2(引腳11)、E2(引腳10)分別為末級輸出三極管的集電極和發(fā)射極。(引腳12)：電源供電端。(引腳13)：輸出控制端,該腳接地時為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳時為推挽輸出方式。(引腳14)：5V 基準電壓輸出端，最大輸出電流10mA。(引腳15)：誤差放大器Ⅱ反向輸入端。+引腳(引腳16)：誤差放大器Ⅱ同向輸入端。 SG3525A及其應用隨著電力電子技術的發(fā)展，各種大功率全控型器件相繼推出，其中 MOS型功率晶體管發(fā)展非常迅速，由于它具有高耐壓 、低驅(qū)動功率、良好的頻率響應特性和開關時間短等優(yōu)點，在許多方面可替代雙極型晶體管，其工作頻率可提高到200kHz以上，常常在開關穩(wěn)壓電源和直流斬波電路中用作開關管。開關管的控制方式采用脈沖寬度調(diào)制(PWM) 方式。集成脈寬調(diào)制器SG3525A是美國硅通用公司（Silicon General）生產(chǎn)的雙端輸出式脈寬調(diào)制器，工作頻率高于100kHz,工作溫度為0℃～70℃,適宜構成100W～500W中功率推挽輸出式開關電源。它是美國硅通用公司的第2代產(chǎn)品，它是一種性能優(yōu)良功能齊全，通用性強的單片集成PWM 控制器?？捎糜隍?qū)動N溝道的高頻功率MOS管，由于它簡單可靠及使用方便靈活大大減化了脈寬調(diào)制器的設計及調(diào)試[12] 。 SG3525A是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結構上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。圖48 SG3525A管腳圖SG3525A各引腳名稱及功能：(引腳 1)：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端（引腳 9）相連，可構成跟隨器。 (引腳 2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據(jù)需要，在該端與補