【導(dǎo)讀】桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙

　　

【正文】 逆變電源主電路一般有推挽逆變電路、半橋逆變電路和全橋逆變電路三種基本主電路形式。 圖 61所示的推挽電路，將升壓變壓器的中心抽頭接于正電源，兩路相反的 PWM驅(qū)動(dòng)脈沖送至開關(guān)管 T T2的基極，控制兩只功率管交替工作，得到方波交流電壓經(jīng)變壓器輸出。由于功率晶體管共地，驅(qū)動(dòng)及控制電路簡單，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。其缺點(diǎn)是 很難防止輸出變壓器的直流飽和，變壓器利用率低，帶電感性負(fù)載的能力較差，此外開關(guān)管的耐壓值要高于直流輸入電壓兩倍以上，和全橋逆變相比它對開關(guān)器件的耐壓值要高出一倍，只適合于原邊電壓比較低的功率變換器。 圖 61推挽逆變電路 半橋逆變電路的原理 圖如圖 62所示。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，使得兩個(gè)電容的聯(lián)接點(diǎn) A為直流電源的中點(diǎn)，當(dāng) T T2都截止時(shí)，電容連接點(diǎn)電壓為直流輸入電壓的一半。開關(guān)器件 T1和 T2基極信號在一個(gè)周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補(bǔ)。當(dāng) T1閉合 (T2斷開 )時(shí)，中點(diǎn)電位將有所上升；當(dāng) T2閉合 (T1斷開 )時(shí)，中點(diǎn)電位將有所下降。半橋逆變電路使用的器件很少，驅(qū)動(dòng)簡單，抗電路不平衡能力強(qiáng)，但輸出交流電壓的幅值僅為 Vd/2，同樣輸出功率條件下，功率管額定電流值要大于全橋逆變電路兩倍，且需要分壓電容器，所以一般用于中小功率 等級逆變電路。本設(shè)計(jì)采用半橋逆變電路結(jié)構(gòu)。 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。調(diào)節(jié) T1和 T2的輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。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。由于主電路可以輸出高壓和大電流，所以一般常用于高壓大功率逆變電源系統(tǒng)。 圖 63全橋逆變電路 逆變主電路的選擇 逆變器是系統(tǒng)的核心部分，也是直接和負(fù)載相連接的部分。逆變器的性能直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的輸出特性。 經(jīng)過上訴比較，本設(shè)計(jì)最后選取全橋 逆變 電路。如圖 64所示為逆變環(huán)節(jié)主電路圖。 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 28 頁 共 54 頁 圖 64逆變環(huán)節(jié)主電路 逆變主電路元器件及其參數(shù)選 擇 鑒于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 100W左右 的額定容量和 低 頻 SPWM調(diào)制方式，故逆變主功率器件選擇 N溝道場效應(yīng)管 (NMOS)。 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。并考慮一定的裕量 。由于系統(tǒng)額定輸出電壓 220V，其額定輸出電流約峰值電流約 2． 52A，考慮負(fù)載類型及允許的過載倍數(shù)， NMOS的額定電流值按 3倍額定選擇，參考市面上的 NMOS種類，取耐壓值 Veer為 55V系列的IRF3205功率管即可 . IRF3205具有開關(guān)速度快，輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率低，通 流能力強(qiáng)的特點(diǎn)，目前 IRF3205的電流電壓等級為 110A/55V，關(guān)斷時(shí)間已縮短到 64ns，擎住現(xiàn)象得到改善，安全工作區(qū)域擴(kuò)大 。 本章小結(jié) 本章首先 介紹 了 各種不同 逆變主電路的結(jié)構(gòu)圖，隨后介紹了逆變主電路元器件的參數(shù)選擇；通過對不同形式逆變電路的比較，最后選擇全橋逆變電路作為本設(shè)計(jì)的主電路。用 N溝道場效應(yīng)管 作為開關(guān)管。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 29 頁 共 54 頁 7 采樣 反饋 ／ 保護(hù) 電路設(shè)計(jì) 采樣 反饋 電路設(shè)計(jì) 評價(jià)開關(guān)電源的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)該是以安全性、可靠性為第一原則。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 。 再由控制電路來控制輸出，保持輸出的穩(wěn)定。 采樣反饋電路如圖 71所示。輸出 220交流電源經(jīng)過變壓器降壓再 經(jīng)過 LC濾波輸出，采用電壓瞬時(shí)值反饋，對輸出電壓進(jìn)行采樣隔離，反饋信號送給 單片機(jī) 變換保存，得到脈寬控制量，通過 SPWM生成環(huán)節(jié)產(chǎn)生各功率管的開關(guān)信號，控制功率管的通斷，使輸出電壓盡可能跟蹤基準(zhǔn)正弦給定信號。 圖 71 采樣反饋電路 保護(hù)電路 設(shè)計(jì) 過流保護(hù)的必要性 前面在選擇 NMOS的型號時(shí)，考慮了 器件的 工作電流及允許的過電流，然而在故障條件下，器件承受較大的故障 電流，這是不允許的，所以要用某些方法保護(hù)器件免受破壞。對于負(fù)載變化引起的過載，通過閉環(huán)控制，是可以調(diào)節(jié)的。但是當(dāng)出現(xiàn)更為嚴(yán)重的過載，例如負(fù)載短接，逆變電路橋臂短接，變壓器原邊或副邊短接等等，故障電流將在 NMOS管中急劇上升，這時(shí)就要給 NMOS提供一個(gè)快速保護(hù)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 30 頁 共 54 頁 設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路要求 設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路的幾點(diǎn)要求： l、在器件失效之前完成 NMOS的關(guān)斷，對于 NMOS所經(jīng)歷的所有工作狀況，它應(yīng)是成立的。 應(yīng)有一定的抗干擾能力。 應(yīng)足以適用于電路中的各種短路情況。 不應(yīng)影響 NMOS的開關(guān)特性。 保護(hù) 電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)允許輸入直流電壓范圍是 36V～ 48V，由于 PIC16F73具有 12位轉(zhuǎn)換精度的 A/D口，電壓測量范圍 O～ 3． 3V。所以需要將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成 O～ 3． 3V之間變化的電壓信號，再送到控制芯片的 A/D轉(zhuǎn)換口。編寫程序來實(shí)現(xiàn)過流 保護(hù)。當(dāng)輸入電壓過高時(shí)，3． 3V穩(wěn)壓管將電壓值鉗位在 3． 3V，起到保護(hù)控制芯片的作用。 整個(gè)裝置中， 功率 開關(guān)管是 最容易損壞的元件，電路中出現(xiàn)的過電壓、過電流均會(huì)致其損壞。 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。為了抑制 開關(guān)過程 中 出現(xiàn)的過電壓，可以在開關(guān)管的漏極與源極之間并聯(lián)電阻、電 容串聯(lián)吸收電路，但是這個(gè)阻容吸收網(wǎng)路只能限制加在開關(guān)管上的 du/dt，而不能限制加在管子兩端的電壓的幅值。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。 所以，還必須在管子兩端并聯(lián)壓敏電阻。當(dāng)采用 上述兩項(xiàng)措施后大大提高了管子的可靠性。 如圖所示為保護(hù)電路圖。對于橋式逆變電路，如果發(fā)生 橋臂直通短路或負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，流過開關(guān)管 上的 電流迅速增大，若不采取措施 在很短的 時(shí)間 內(nèi)，功率開關(guān)管被燒毀。短 路與過裁是兩種 不同 的故障狀態(tài)，短路故障一經(jīng)出現(xiàn)，裝置就應(yīng)該立即停 止工作，因?yàn)槎搪冯娏髟诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)就會(huì)升 到很高的幅值 ，可在瞬間損壞電 路元件。對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) 。 與短路故障不同，系統(tǒng)短時(shí)的過載屬于正常工作狀態(tài)，如果過載一 發(fā)生就停機(jī)則不利于系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對于電路過載，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， 以檢測負(fù)載電流。電流取樣值經(jīng) 接口電路直接輸入到單片機(jī)的 A/D口，然后由程序?qū)⒉蓸?值 與過載電流 限制設(shè)定值比較。在正常情況下，采樣值小于設(shè)定值系統(tǒng)正常工作 。一旦 采樣值大于設(shè)定值，如果采樣值 在 繼電器動(dòng)作之前恢復(fù)正常，則單 片機(jī)不采取措施，仍認(rèn)為系統(tǒng)屬正常工作， 否則，單片機(jī) RC3腳輸出故障信號到驅(qū)動(dòng)電路 IR2110的 SD端 停止輸出 SPWM控制脈沖，單片機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)重啟等待狀態(tài)。通過上述措 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 31 頁 共 54 頁 施，可有效保護(hù)開關(guān)管在短路與過載情況下不損壞。 圖 72過流保護(hù)電路圖 本章小結(jié) 本章根據(jù)電路設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)了反饋采樣 /保護(hù)電路。并介紹了保護(hù)電路的必要性和重要性。 其中反饋為電壓采集反饋，保護(hù) 電路 通過繼電器來實(shí)現(xiàn)。 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。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可采用載波頻率 fc=25 kHz，交流頻率 fs=50Hz，載波比 N=fdfs 來確定正弦波離散點(diǎn)的個(gè)數(shù)，即一個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù) (設(shè) N=500)。為了節(jié)省表的存儲(chǔ)空間，實(shí)際編程時(shí)，可保存半個(gè)周期內(nèi)的正弦波離散點(diǎn)，即保存 N/2個(gè)點(diǎn)，然后用交替的方式輸出 SPWM 波來控制逆變橋 的工作。 在程序初始化完成之后，系統(tǒng)中的定時(shí)寄存器 TMR2 將啟動(dòng)并開始工作，此時(shí) PWM單元的引腳輸出為高電平；當(dāng) TMR2*Rxl 時(shí)， PWM 單元的引腳開始輸出低電平；當(dāng)TMR2=PR2 時(shí)， TMR2 被歸 0，并重新開始下一個(gè)周期計(jì)數(shù)，同時(shí) PWM單元重新輸出高電平。當(dāng) TMR2 的中斷標(biāo)志位 TMR2IF 被置高電平時(shí)，系統(tǒng)將執(zhí)行定時(shí)中斷服務(wù)程序，圖 81所示是其 SPWM 流程圖。中斷程序完成查找正弦表值和 A/D取樣值后，再進(jìn)行 PI 調(diào)節(jié)，即可得出修正值，并將該修正值寫入 *RxL 寄存器中 。 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 。 利用單片機(jī)自身提供的 PWM功能 ， 輸 出 SPWM驅(qū)動(dòng)脈 沖 ，利用 A/D轉(zhuǎn)換接口，進(jìn)行逆變器輸出過載、過電壓以及蓄電池欠壓采樣，然后通過編程來 實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng) 的 各 種保護(hù) 功能。 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。對于 PWM信號來說，周期和脈寬是兩個(gè)必不可少的參數(shù)， PIC16F73單片機(jī)將 PWM周期儲(chǔ)存在 PR2寄存器中，而將 PWM信號高電平時(shí)間值即脈寬值儲(chǔ)存在 CCPR1L或 CCPR2L寄存器中。內(nèi)部定時(shí)器在計(jì)數(shù)過程中 不斷與這兩個(gè)寄存器的值相比較，達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)輸出電平產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從)wt(s in w tdi ii m? ?? ????? ? ?）（ US)wt(s in wt diik ? ?? ????? ? ?）（D 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 33 頁 共 54 頁 而控制 PWM信號的周期和占空比。 SPWM信號要求脈寬按正弦規(guī)律變化，因此每一個(gè) PWM周期脈寬都要改變，由單片機(jī)產(chǎn)生 SPWM波的基本思想就是在初始化時(shí)將 PWM周期值設(shè)定，然后用定時(shí)器定時(shí)，每個(gè)周期產(chǎn)生一次中斷，來調(diào)整脈寬，從而得到脈寬不斷變化的 SPWM波。但實(shí)際上， SPWM頻率一般都很高，周期很短，要在每一個(gè)周期內(nèi)都完成脈寬的調(diào)整比較困難。本系統(tǒng)中， SPWM周期為 20KHZ,設(shè)置每六個(gè)周期改變一次脈寬 。 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 。首先建立正弦表，在一個(gè)完整正弦周期中，采樣 64個(gè)點(diǎn)，采樣點(diǎn)正弦值與正弦波峰值的比值就是該點(diǎn) SPWM信號的占空比。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。這64個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔也轉(zhuǎn)換成計(jì)時(shí)步階儲(chǔ)存到 CCPR1H和 CCPR1L寄存器中，程序運(yùn)行過程中， 計(jì)數(shù)器 TIMER1不斷和這個(gè)寄存器的值相比較，達(dá)到設(shè)定值時(shí) CCP1產(chǎn)生中斷，TIMER1重新計(jì)時(shí)。中斷服務(wù)子程序用 來修改 SPWM信號的占空比 。 表 8