【正文】 60Hz，初定變壓器效率θ=，工作磁通密度BW=。 計(jì)算原邊繞組匝數(shù)NP按照最低輸入電壓為8V計(jì)算，匝數(shù)指中心抽頭至任意一端的匝數(shù)。計(jì)算原邊繞組電流IP (26) 計(jì)算電流密度 (27)計(jì)算原邊繞組裸線面積 注意電路中有中間抽頭時(shí)，則 (28) 選取AWG11，AXP=2*，μΩ/cm=計(jì)算原邊繞組電阻 (29)綜合上述，變壓器磁芯選擇EI40，原邊繞組匝數(shù)為2匝，副邊繞組匝數(shù)為76匝。 DC/AC逆變電路 本設(shè)計(jì)的DC/AC逆變電路采用的是SPWM波調(diào)制，采用SPWM波調(diào)制主要目的是為了減少輸出電壓中的諧波成分，經(jīng)過濾波得到較理想的正弦波。全橋逆變電路的工作需要兩組相位相反的驅(qū)動(dòng)脈沖分別控制兩對(duì)開關(guān)管MM4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。輸入直流電壓為Vcc，R代表逆變器的負(fù)載。圖22 DC/AC逆變電路拓?fù)鋄5] SPWM調(diào)制方式 本電路采用的是調(diào)制方式為SPWM調(diào)制方式開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形如圖23所示，圖24為未經(jīng)過濾波時(shí)輸出電壓波形。圖23 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。把正弦波一個(gè)周期分成脈寬相等的2N等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸包圍的面積分別用與此面積相等的等幅不等寬的矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波相應(yīng)等分的中點(diǎn)重合。單極性和雙極性正弦脈寬調(diào)制是正弦脈寬調(diào)制的兩種基本形式。 Vds=500V，Ids=20A，Rds=，Tr=59ns，TON=18ns，Tf=58ns 輸出濾波電感選取輸出濾波電感之所以能夠提高輸出波形的質(zhì)量是因?yàn)槟孀兤鬏敵霾ㄐ沃械母叽沃C波主要降落在電感兩端，要保證輸出電壓的諧波含量較低，濾波電感的高頻阻抗與濾波電容相比不能過低，因此電感值不能取得太小。電感值越大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，波形畸變嚴(yán)重，減小電感，可以改善動(dòng)態(tài)特性，但是電流紋波增大，故電感的取值要綜合考慮。濾波電容過小將會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的失真度變大。在濾波電容選取時(shí)，一般無功電流Icf≤。 (211) 可得 因?yàn)? (212) 同時(shí)濾波器的截止頻率不高于1KHz， (213)得到Cf≥，實(shí)際取Cf為5uf/250VAC。 基于高頻網(wǎng)絡(luò)平均原理我們知道這樣一個(gè)事實(shí)：在非線性高頻開關(guān)和低頻線性儲(chǔ)能元件的混合系統(tǒng)中，低頻元件的響應(yīng)雖然受高頻開關(guān)器件影響，但同時(shí)也必須受自身的基本運(yùn)行規(guī)律制約，因此，最終的響應(yīng)結(jié)果等價(jià)于某個(gè)受控源作用于低頻元件組成的網(wǎng)絡(luò)。這其實(shí)就是高頻網(wǎng)絡(luò)平均原理。 電感電流連續(xù)情況下的狀態(tài)空間平均法對(duì)于任意一個(gè)變換器，在期間可以寫出狀態(tài)方程： (214) (215)在DT≤t≤T期間。y—是要研究的輸出變量，一般為輸出電壓或者是輸出電流等。系統(tǒng)中低頻線性元件的響應(yīng)狀態(tài)受到兩組方程的共同制約，根據(jù)高頻網(wǎng)絡(luò)平均原理，其等價(jià)系統(tǒng)狀態(tài)可以用以上兩組狀態(tài)方程組的時(shí)間加權(quán)平均來表示。將上式各變量關(guān)系帶入等效方程組，得： (219) (220)令 (221) (222) (223)因?yàn)榇嬖陟o態(tài)關(guān)系： (224) (225)所以可以得到等價(jià)增量方程組： (226)上式實(shí)際是非線性方程組在某一靜態(tài)點(diǎn)X、Vi處得展開的增量表達(dá)式。 當(dāng)我們研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性時(shí)往往略去增量標(biāo)志△，直接使用變量表示動(dòng)態(tài)關(guān)系，這樣可以得到個(gè)傳遞函數(shù)表達(dá)式。；，顯然系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。 (236)根據(jù)電源穩(wěn)態(tài)精度的要求，取KP = 2，為了保證系統(tǒng)的相角裕量。由Kp和償后的穿越頻率確定=。幅值裕量為10dB，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。詳細(xì)分析了主要電路部分的工作過程，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并求解分析。對(duì)所使用的關(guān)鍵器件進(jìn)行了選擇。第3章 控制電路 逆變升壓控制電路 在逆變升壓電路中，其核心控制器件便是PWM開關(guān)電源控制電路。它采用了16腳雙列直插式封裝形式，內(nèi)部設(shè)置了PWM電路的全部功能和比較完善的支持電路。[8] SG352A芯片功能簡(jiǎn)介 SG3525A 電路各管腳的定義如下圖31 SG3525A內(nèi)部邏輯圖[9]INV INPUT(反相輸入端、1腳)：誤差放大器的反相輸入端，該誤差放大器的增益標(biāo)稱值為80dB，其大小由反饋或輸出負(fù)載來決定，輸出負(fù)載可以是純電阻，也可以是電阻性元件和電容元件的組合。此端通常接到與電源輸出電壓相連接的電阻分壓器上。NI INPUT(同相輸入端、2腳)：此端通常接到基準(zhǔn)電壓16腳的分壓電阻上， INPUT端的取樣電壓相比較。需要多個(gè)芯片同步工作時(shí)，每個(gè)芯片有各自的震蕩頻率，可以分別與他們的4腳和3腳相連，這時(shí)所有芯片的工作頻率以最快的芯片工作頻率同步。 OSC OUTPUT(同步輸出端、4腳)：同步脈沖輸出。但幾個(gè)芯片的工作頻率不能相差太大，同步脈沖頻率應(yīng)比震蕩頻率低一些。4腳輸出頻率為輸出脈沖頻率的2倍。正常工作時(shí)。Rr的阻值決定了內(nèi)部恒流值對(duì)Cr充電。Rr和Cr越大充電時(shí)間越長(zhǎng)，反之則充電時(shí)間短。把充電和放電回路分開，有利與通過死區(qū)電阻來調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，使死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)范圍更寬。放電電阻RD和CT越大放電時(shí)間越長(zhǎng)，反之則放電時(shí)間短。該電容由內(nèi)部Vf的50uA恒流源充電。SHUTDOWN(關(guān)斷端、10腳)：10端為PWM鎖存器的一個(gè)輸入端，一般在10端接入過流檢測(cè)信號(hào)。電路正常工作時(shí)，該端呈高電平，其電位高于鋸齒波的峰值電位。（輸入高電平關(guān)閉信號(hào)）OUTPUT A，OUTPUT B(脈沖輸出端、114腳)：輸出末級(jí)采用推挽輸出電路，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)功率管時(shí)關(guān)斷速度更快。電流峰值達(dá)200mA。在重疊處有一個(gè)電流尖脈沖，起持續(xù)時(shí)間約為l00ns。在實(shí)驗(yàn)電路中，由于接入誤差放大器反向輸入端的反饋電壓也是相對(duì)與12腳而言，所以主回路和控制回路的接地端應(yīng)相連?？梢院?5腳共用一個(gè)電源，也可用更高電壓的電源。 +VIN(芯片電源端、15腳)：直流電源從15腳引入分為兩路，一路作為內(nèi)部邏輯和模擬電路的工作電壓；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，%V的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。VREF(基準(zhǔn)電壓端、16腳)：%。[9] SG3525A電路的基本功能有以下幾點(diǎn)誤差放大器將穩(wěn)壓電源輸出端的誤差信號(hào)放大后送到比較器的反相輸入端，與來自振蕩器的斜波電壓做比較。誤差放大器輸出的電平，反映了功率管的導(dǎo)通脈沖寬度。同時(shí)該電路的比較器增加了一個(gè)反相輸人端用于關(guān)斷電路，避免了關(guān)斷電路時(shí)誤差放大器的影響。鎖存器的復(fù)位由振蕩器的時(shí)鐘生成。放電是通過外接電阻RD至電路的7腳，改變R+的阻值就改變了CT的放電時(shí)間，也就是調(diào)整了電路的死區(qū)時(shí)間，它的設(shè)置是為了保證輸出端的功率管不發(fā)生共同導(dǎo)通。整個(gè)電路的振蕩頻率計(jì)算公式為 (31)圖騰柱式的輸出結(jié)構(gòu)是SG3525A的重要改進(jìn)，它適用于快速驅(qū)動(dòng)N功率MOS管，最大驅(qū)動(dòng)能力為500mA。啟動(dòng)的過程是通過欠壓鎖定電路來控制的，當(dāng)輸入電壓Vi8V時(shí)，欠壓鎖定電路使輸出保持關(guān)斷；Vi8V時(shí)，電路開始工作。電路的8腳為軟啟動(dòng)端，外接電容CSS。軟啟動(dòng)時(shí)間 (32)電路的10腳為關(guān)斷腳。 SG3525A外圍電路參數(shù)計(jì)算在對(duì)外部輸入的直流電源進(jìn)行簡(jiǎn)單穩(wěn)壓濾波后，提供12V給SG3525A脈沖控制電路作為其工作電壓(其最大工作電壓為40V)。即：CT=，RT=22K，RD=470。177。脈沖控制電路SG3525A的脈沖輸出占空為0~50%可調(diào)。圖32 SG3525外圍接線圖如圖32可以看到，CT、RT、RD決定了電路的工作頻率60KHz。SG3525A電路便停止工作，停止輸出脈沖。一種是當(dāng)輸入電壓超過預(yù)先設(shè)定的安全電壓時(shí)，電路內(nèi)部保護(hù)啟動(dòng)，安全電壓的設(shè)定可以通過調(diào)整電阻來改變。在保護(hù)電路動(dòng)作后有一路輸出到報(bào)警電路，同時(shí)有一路輸出高電平經(jīng)過電阻分壓后送到10腳，切斷整個(gè)主電路的工作。 DC/AC逆變控制電路 U3988是數(shù)字化的、功能完善的正弦波單相逆變電源或UPS主控芯片，它不僅可以輸出高精度的SPWM正弦波脈沖序列，還可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、保護(hù)、市電/逆變自動(dòng)切換、充電控制等功能，并且具備LED指示燈驅(qū)動(dòng)、蜂鳴器控制、逆變橋控制引腳，從而可以利用該芯片組成一個(gè)完整的逆變電源/UPS系統(tǒng)，用該芯片控制的逆變橋輸出，既可以是傳統(tǒng)的工頻變壓器結(jié)構(gòu)，也可以是高頻升壓后的直接逆變結(jié)構(gòu)。 U3988芯片簡(jiǎn)介[10]在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。把正弦波一個(gè)周期分成脈寬相等的2N等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸包圍的面積分別用與此面積相等的等幅不等寬的矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波相應(yīng)等分的中點(diǎn)重合。單極性和雙極性正弦脈寬調(diào)制是正弦脈寬調(diào)制的兩種基本形式。整個(gè)電路封裝成一個(gè)18引腳IC（DIP18），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖33所示。圖34 U3988引腳圖VDD是芯片的電源引腳，接單一+5V；GND是地；OSCOSC2是時(shí)鐘引腳，接20MHz晶振；OUTA、OUTB是正弦波SPWM脈沖序列的輸出引腳，這兩個(gè)引腳輸出的信號(hào)一般要通過死區(qū)控制電路才能送到逆變橋；OUTG是逆變橋使能控制輸出，該引腳輸出低電平時(shí)允許逆變橋工作，輸出高電平時(shí)則禁止逆變橋工作；AV_CK是逆變輸出電壓反饋引腳，該引腳接受的是模擬量輸入，逆變橋最終輸出的正弦波交流電壓通過反饋電路送到該引腳，由芯片對(duì)逆變輸出電壓實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、調(diào)壓和短路檢測(cè)；BT_CK是電池電壓測(cè)量引腳，是模擬量輸入引腳，電池電壓經(jīng)過電阻降壓送到該引腳，由芯片對(duì)電池實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)、充電檢測(cè)，若不需要使用該引腳，可以直接接+5V；AC_CK是市電電壓測(cè)量引腳，這也是模擬量輸入引腳，市電電壓經(jīng)過降壓、整流、濾波、電阻分壓后，送到該引腳，芯片會(huì)根據(jù)該引腳電壓的變化，判斷市電是否異常，并決定是否進(jìn)行市電/逆變切換；若不需要使用該引腳，也可以直接接+5V；ACPLUS引腳是市電檢測(cè)輸入，芯片由此引腳的高低電平判斷市電的有無；有市電時(shí)要將該引腳拉成低電平，對(duì)于檢測(cè)市電的電路如果為了提高響應(yīng)速度而不采用濾波電容，也是允許的，雖然在該引腳的低電平信號(hào)中含有過零脈沖，但并不會(huì)使U3988頻繁地進(jìn)入逆變狀態(tài)，因?yàn)樵谛酒膬?nèi)部有過零脈過濾邏輯；AC/DC引腳是市電/逆變控制輸出，輸出高電平時(shí)為市電，輸出低電平時(shí)為逆變；CHARG引腳是充電控制輸出，高電平有效；LED_L引腳是逆變/欠壓指示輸出，低電平時(shí)表示逆變狀態(tài)，閃爍時(shí)表示欠壓；LED_P引腳是保護(hù)指示輸出，當(dāng)檢測(cè)到短路或者外部的擴(kuò)展保護(hù)時(shí)，芯片停止逆變，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，此時(shí)指示燈閃爍；PROT引腳是擴(kuò)展保護(hù)輸入引腳，高電平有效，用戶可以通過外部的或門邏輯實(shí)現(xiàn)過流、過溫等保護(hù)輸入 ，該引腳在逆變和市電狀態(tài)都可以響應(yīng)外部的保護(hù)請(qǐng)求；BEEP/TEST是雙向引腳，正常工作時(shí)是蜂鳴器控制輸出引腳，通過三極管驅(qū)動(dòng)電磁式蜂鳴器，當(dāng)在芯片加電的瞬間，該引腳是輸入引腳，用來檢測(cè)外部TEST跳線的狀態(tài)；關(guān)于該引腳的詳細(xì)用法，將在后面介紹；NC引腳是空余的引腳，一定要接到高電平。 OUTA輸出的SPWM脈沖序列，經(jīng)過逆變后對(duì)應(yīng)正弦波的正半周；OUTB輸出的SPWM脈沖序列，對(duì)應(yīng)正弦波的負(fù)半周。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，該引腳的電壓也隨之升高，芯片內(nèi)部的調(diào)壓電路會(huì)降低輸出電壓，反之，當(dāng)該引腳的電壓降低時(shí)，芯片會(huì)升高輸出電壓。在大多數(shù)情況下對(duì)于發(fā)生偏離的輸出電壓，芯片可以在15個(gè)交流電周期內(nèi)調(diào)整完畢，為了降低正弦波形的失真度、保證波形的完整性，這種調(diào)整是在下一個(gè)交流電周期起作用的。加在AV_CK引腳上的電壓必須是實(shí)時(shí)的，不能是靜態(tài)的電壓。芯片的調(diào)壓/穩(wěn)壓范圍大約是最高輸出電壓的50％~100％。AV_CK引腳同時(shí)還要檢測(cè)輸出電壓的短路情況，短路檢測(cè)的周期是100uS檢測(cè)一次，同時(shí)檢測(cè)的還有擴(kuò)展保護(hù)引腳，但是在輸出電壓過零點(diǎn)的前后10度范圍內(nèi)不進(jìn)行上述檢測(cè)，在這段時(shí)間內(nèi)，芯片要檢測(cè)電池電壓和市電電壓以及市電狀態(tài)。充電控制引腳CHARG的動(dòng)作帶有10秒鐘的延遲。AC_CK引腳對(duì)市電電壓檢測(cè)的動(dòng)作閥值：，芯片會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入逆變；該引腳 帶有施密特觸發(fā)特性，芯片才認(rèn)為市電正常。IR2110是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)器，與同類型的驅(qū)動(dòng)器相比具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，其外圍接線圖如圖36所示[12]：圖36 IR2110外圍接線圖【11】(1)具有自舉懸浮電源，只用一路電源即可驅(qū)動(dòng)同一橋臂的上、下兩個(gè)開關(guān)器件，大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)；(2)采用HVIC和閉鎖抗干擾CMOS工藝制作，具有獨(dú)立的高端和低端輸出通道，并設(shè)有低壓延時(shí)封鎖(50ns)；(3)具有電源欠壓保護(hù)關(guān)斷邏輯；(4)工作頻率高，可達(dá)500kHz，驅(qū)動(dòng)峰值電流為2A；(5)芯片還有一個(gè)封鎖兩路輸出的保護(hù)端SD，在該端輸入高電平時(shí)，兩路輸出均被封鎖，利用SD端可實(shí)現(xiàn)逆變橋的保護(hù)功能。OUTA和OUTB輸出的SPWM信號(hào)分別控制同一相的上、下橋臂。UA1和UA2又同時(shí)分為兩路，一路直接送入74HC08，另一路通過RC延遲電路后送人74HC08，兩路信號(hào)相與后送人IR2110的輸人引腳HIN和LIN。當(dāng)OUTA由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)UA1由低變高，由于RC的延遲作用，UC1不能立即躍升為高電平，而是以指數(shù)規(guī)律上升，其計(jì)算公式為： (33)由上述分析可得，當(dāng)U3988輸出的SPWM控制信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)，由于死區(qū)控制電路的作用，使功率開關(guān)器件達(dá)到了延時(shí)開通，并能及時(shí)關(guān)斷的效果，防止了逆變橋的上下橋臂直通。圖37 IR2110死區(qū)控制 SG3525/U3988反饋穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)本電源采用三端穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器PC817之間的配合來構(gòu)成反饋電路，進(jìn)行取樣、調(diào)節(jié)和隔離。圖38 電壓檢測(cè)電路PC817是一種線性光電耦合器，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號(hào)，這樣隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光信號(hào)，從而使光敏晶體管的導(dǎo)通程