【導讀】桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙

　　

【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驅動脈沖送至開關管 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，驅動及控制電路簡單，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，帶電感性負載的能力較差，此外開關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。在直流側接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，使得兩個電容的聯(lián)接點 A為直流電源的中點，當 T T2都截止時，電容連接點電壓為直流輸入電壓的一半。開關器件 T1和 T2基極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補。當 T1閉合 (T2斷開 )時，中點電位將有所上升；當 T2閉合 (T1斷開 )時，中點電位將有所下降。半橋逆變電路使用的器件很少，驅動簡單，抗電路不平衡能力強，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。本設計采用半橋逆變電路結構。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計 （論文） 報告用紙 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動脈沖分別控制兩對開關管，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。該電路拓樸結構及控制較為復雜，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，也是直接和負載相連接的部分。逆變器的性能直接影響了整個系統(tǒng)的輸出特性。 經(jīng)過上訴比較，本設計最后選取全橋 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 。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計 （論文） 報告用紙 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)設計要求 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溝道場效應管 (NMOS)。 NMOS綜合了 MOSFET的優(yōu)點，考慮半橋電路特點當上橋 臂或下橋臂關斷時，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具有開關速度快，輸入阻抗高，驅動功率低，通 流能力強的特點，目前 IRF3205的電流電壓等級為 110A/55V，關斷時間已縮短到 64ns，擎住現(xiàn)象得到改善，安全工作區(qū)域擴大 。 本章小結 本章首先 介紹 了 各種不同 逆變主電路的結構圖，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計的主電路。用 N溝道場效應管 作為開關管。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計 （論文） 報告用紙 第 29 頁 共 54 頁 7 采樣 反饋 ／ 保護 電路設計 采樣 反饋 電路設計 評價開關電源的質量指標應該是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣技術指標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， 必須得設計一個電路能及時把輸出的情況及時回饋給控制電路 。 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，采用電壓瞬時值反饋，對輸出電壓進行采樣隔離，反饋信號送給 單片機 變換保存，得到脈寬控制量，通過 SPWM生成環(huán)節(jié)產(chǎn)生各功率管的開關信號，控制功率管的通斷，使輸出電壓盡可能跟蹤基準正弦給定信號。 圖 71 采樣反饋電路 保護電路 設計 過流保護的必要性 前面在選擇 NMOS的型號時，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器件免受破壞。對于負載變化引起的過載，通過閉環(huán)控制，是可以調(diào)節(jié)的。但是當出現(xiàn)更為嚴重的過載，例如負載短接，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，這時就要給 NMOS提供一個快速保護電路。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計 （論文） 報告用紙 第 30 頁 共 54 頁 設計短路保護電路要求 設計短路保護電路的幾點要求： l、在器件失效之前完成 NMOS的關斷，對于 NMOS所經(jīng)歷的所有工作狀況，它應是成立的。 應有一定的抗干擾能力。 應足以適用于電路中的各種短路情況。 不應影響 NMOS的開關特性。 保護 電路設計 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轉換口。編寫程序來實現(xiàn)過流 保護。當輸入電壓過高時，3． 3V穩(wěn)壓管將電壓值鉗位在 3． 3V，起到保護控制芯片的作用。 整個裝置中， 功率 開關管是 最容易損壞的元件，電路中出現(xiàn)的過電壓、過電流均會致其損壞。 一 般而占，功率 MOS管承受道電壓的能力較差，開關管 開關過程中管子 漏極和源極之間會出現(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 開關過程 中 出現(xiàn)的過電壓，可以在開關管的漏極與源極之間并聯(lián)電阻、電 容串聯(lián)吸收電路，但是這個阻容吸收網(wǎng)路只能限制加在開關管上的 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。當采用 上述兩項措施后大大提高了管子的可靠性。 如圖所示為保護電路圖。對于橋式逆變電路，如果發(fā)生 橋臂直通短路或負載發(fā)生短路時，流過開關管 上的 電流迅速增大，若不采取措施 在很短的 時間 內(nèi)，功率開關管被燒毀。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)，裝置就應該立即停 止工作，因為短路電流在很短的時間內(nèi)就會升 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，這功能可以由串接在主 功率回路中的快速 熔斷器實現(xiàn) 。 與短路故障不同，系統(tǒng)短時的過載屬于正常工作狀態(tài)，如果過載一 發(fā)生就停機則不利于系統(tǒng)的正常運行。對于電路過載，設計中將取樣電阻 (因負載電 流較小，這個方案可行，如果負載電流很大的情 況下，為了減小取樣電 阻 損耗的功率，應該采用 電流互感器進行電 流取樣 )串接在輸出回 路中， 以檢測負載電流。電流取樣值經(jīng) 接口電路直接輸入到單片機的 A/D口，然后由程序將采樣 值 與過載電流 限制設定值比較。在正常情況下，采樣值小于設定值系統(tǒng)正常工作 。一旦 采樣值大于設定值，如果采樣值 在 繼電器動作之前恢復正常，則單 片機不采取措施，仍認為系統(tǒng)屬正常工作， 否則，單片機 RC3腳輸出故障信號到驅動電路 IR2110的 SD端 停止輸出 SPWM控制脈沖，單片機進入系統(tǒng)重啟等待狀態(tài)。通過上述措 桂林電子科技大學畢業(yè)設計 （論文） 報告用紙 第 31 頁 共 54 頁 施，可有效保護開關管在短路與過載情況下不損壞。 圖 72過流保護電路圖 本章小結 本章根據(jù)電路設計的要求，設計了反饋采樣 /保護電路。并介紹了保護電路的必要性和重要性。 其中反饋為電壓采集反饋，保護 電路 通過繼電器來實現(xiàn)。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計 （論文） 報告用紙 第 32 頁 共 54 頁 8 軟件設計 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） ，再用單片機通過查表輸出脈沖序列。實驗時，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的個數(shù)，即一個周期內(nèi)的脈沖個數(shù) (設 N=500)。為了節(jié)省表的存儲空間，實際編程時，可保存半個周期內(nèi)的正弦波離散點，即保存 N/2個點，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)中的定時寄存器 TMR2 將啟動并開始工作，此時 PWM單元的引腳輸出為高電平；當 TMR2*Rxl 時， PWM 單元的引腳開始輸出低電平；當TMR2=PR2 時， TMR2 被歸 0，并重新開始下一個周期計數(shù)，同時 PWM單元重新輸出高電平。當 TMR2 的中斷標志位 TMR2IF 被置高電平時，系統(tǒng)將執(zhí)行定時中斷服務程序，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 。 軟件設計 由于單片 機 PIC16F73具 有強大的功能，困此用其作為逆變電源的主控芯片 是很 方便的 。 利用單片機自身提供的 PWM功能 ， 輸 出 SPWM驅動脈 沖 ，利用 A/D轉換接口，進行逆變器輸出過載、過電壓以及蓄電池欠壓采樣，然后通過編程來 實現(xiàn) 系統(tǒng) 的 各 種保護 功能。 PIC16F73單片機內(nèi)部含有兩個 CCP模塊，都可以用來產(chǎn)生 PWM波。對于 PWM信號來說，周期和脈寬是兩個必不可少的參數(shù)， PIC16F73單片機將 PWM周期儲存在 PR2寄存器中，而將 PWM信號高電平時間值即脈寬值儲存在 CCPR1L或 CCPR2L寄存器中。內(nèi)部定時器在計數(shù)過程中 不斷與這兩個寄存器的值相比較，達到設定時間時輸出電平產(chǎn)生相應的變化，從)wt(s in w tdi ii m? ?? ????? ? ?）（ US)wt(s in wt diik ? ?? ????? ? ?）（D 桂林電子科技大學畢業(yè)設計 （論文） 報告用紙 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 PWM周期脈寬都要改變，由單片機產(chǎn)生 SPWM波的基本思想就是在初始化時將 PWM周期值設定，然后用定時器定時，每個周期產(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。但實際上， SPWM頻率一般都很高，周期很短，要在每一個周期內(nèi)都完成脈寬的調(diào)整比較困難。本系統(tǒng)中， SPWM周期為 20KHZ,設置每六個周期改變一次脈寬 。 在軟件設計中，將 CCP2模塊作為 PWM輸出口， CCP1模塊采用比較功能，單片機時鐘為 20MHZ,計時步階 。首先建立正弦表，在一個完整正弦周期中，采樣 64個點，采樣點正弦值與正弦波峰值的比值就是該點 SPWM信號的占空比。然后根據(jù) SPWM周期計算出各點的脈寬值，轉換成計時步階，做成正弦表 （表 81） ，供 CCP1中斷子程序調(diào)用。這64個點之間的時間間隔也轉換成計時步階儲存到 CCPR1H和 CCPR1L寄存器中，程序運行過程中， 計數(shù)器 TIMER1不斷和這個寄存器的值相比較，達到設定值時 CCP1產(chǎn)生中斷，TIMER1重新計時。中斷服務子程序用 來修改 SPWM信號的占空比 。 表 8