【正文】 載波比（或稱調(diào)制比）表示為一周期正弦基波與若干個三角載波數(shù)量之比，是一個人為設(shè)定的、能夠直接觀察到的數(shù)字量。又由于脈沖邊沿的對偶性， N也不能為分?jǐn)?shù)。 又當(dāng) N=6時，正負(fù)半周才各占有三個而且是自身對稱的等幅不等寬的脈沖序列。 由于 N數(shù)列中依次相鄰而又相互錯位間隔的低位（ NL）與高位（ NH）數(shù)列存在明顯的個性差異，從而形成了 6+4+4+?和 8+4+4+? 兩個系列的偶數(shù)數(shù)列。于是， NH數(shù)列調(diào)制得的周期脈沖總數(shù)為 N2（正負(fù)半周各一個），由此 得依次 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （論文） 報告用紙 第 16 頁 共 54 頁 相鄰的低、高位載波比（ NL和 NH）調(diào)制所得的半周期脈沖總數(shù)相同（表 22），而且必然是奇數(shù)。 ωt(x )i(y)o圖 210脈沖邊緣 表 22 N與半周期脈沖數(shù)的關(guān)系 N NL 6 10 14 18 22 ? NH 8 12 16 20 24 ? 半周期脈沖數(shù) 3 5 7 9 11 ? 表 23 1/4周期內(nèi)的交點分布情況 N=12 相位角 瞬時值 第一脈沖 前沿 ? 后沿 ? 第二脈沖 前沿 ? 后沿 ? 第三脈沖 前沿 ? 例如與 N=10（圖 28）和相鄰的 N=12（圖 210）的調(diào)制結(jié)果數(shù)據(jù)如（表 21）、（表23）所示，顯而易見，兩者的共性是周期脈沖數(shù)相同；兩者的差別即交點的布局或相位角與瞬時值均具有較大的不同；而兩者的脈沖總面積精度則按 N的遞增而遞增。 當(dāng) N有限提高時，其正弦量面積平均值的理論精度、諧波分量和輸出波形的失真程度將隨之減小。繼而正弦函數(shù)值逐漸遞增的負(fù)載電流抵達峰值時，則由大占空比脈沖提供大電流以滿足功率需求，這一規(guī)律也利于提高輸出功率、綜合效率和改善系統(tǒng)的整體性能，這也是 SPWM波所追求的目標(biāo)。當(dāng)然，小的關(guān)斷時間不利于功率器件的關(guān)斷特性，顧及功率器件關(guān)斷特性的控制策略仍需謹(jǐn)慎實施。為下文的單片機 SPWM編程提供原理性基礎(chǔ)。輸入的直流信號經(jīng)過直流升壓后濾波，得到高壓直 流，再經(jīng)過逆變電路輸出交流。后級采用單相全橋逆變電路，采用 SPWM控制，再通過濾波電路得到 220V/50H交流輸出。下面就一一介紹各個部分的設(shè)計過程， 包括 升壓電路 橋的設(shè)計、控制電路設(shè)計、 單片機外圍電路設(shè)計 和保護電路設(shè)計 。升壓環(huán)節(jié)實際上是 DC/DC開關(guān)電源， DC/DC變換器的拓?fù)浜芏啵捎玫?DC/DC變換器是作為逆變電源的直流升壓環(huán)節(jié)，需要有電氣隔離。 升壓環(huán)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較 (1)正激式。但是，這種拓?fù)浯嬖谠S多不足之處。其次，主功率管一般采用占空比小于 。 (2)推挽式。但電路必須有良好的對稱， 否則鐵心容易引起直流偏磁飽和，另外，由于變壓器原邊漏感的存在，使主功率管必須承受超過兩倍電源電壓，因此功率管電壓尖峰很大，承受較大電壓應(yīng)力。 (3)半橋式。 (4)全橋式。適合大功率場合。如圖 41(e)，它的電路形式與正激式 變換器相似，主功率管承受的電壓也相同，只是變壓器的接法不同。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （論文） 報告用紙 第 20 頁 共 54 頁 圖 41DC/DC隔離變換拓?fù)鋱D 升壓電路 選擇 根據(jù)本設(shè)計要求，選用全橋式升壓電路。整流電路為全橋整流電路，適用于輸出電壓較高的場合。當(dāng) Ql加上驅(qū)動信號時 Q1導(dǎo)通 Q2截止， 變壓器輸出端電壓上負(fù)下正；當(dāng) Q2加上驅(qū)動信號， Q2導(dǎo)通， Q1截止，變壓器輸出端電壓上正下負(fù)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （論文） 報告用紙 第 21 頁 共 54 頁 圖 4— 2為 全橋升壓 的主電路 Q Q2斷態(tài)時承受的電壓均為 2?。 本章小結(jié) 本章首先確定了前級直流升壓主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為 全橋 升壓方式； 然后 對 各種 變換器的原理 做了分析 比較得出選擇全橋 升壓電路 的原因 ； 最后 簡單 介紹了 全橋 升壓電路中的變壓器、功率開關(guān)管、整流器件、輸出濾波電感電容的參數(shù)選擇。其內(nèi)含 192字節(jié)的 RAM， 4K程序存儲器、 5路 A/D轉(zhuǎn)換及 2路 PWM波發(fā)生器，應(yīng)用時外圍電路極其簡單，是理想的單相逆變電源數(shù)字控制器。為了提高輸出電壓的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)中采用了電壓反饋閉環(huán)。軟件在運行過程中，會每隔一段時間進行一次A/D轉(zhuǎn)換，得到反饋電壓值，調(diào)整 SPWM信號的脈寬，保證輸出電壓的穩(wěn)定。功率元件的驅(qū)動電路必須具備兩個功能： 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （論文） 報告用紙 第 23 頁 共 54 頁 一是實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動的 IGBT柵極或者 MOSFET柵極間的電隔離；二是提供合適的柵極驅(qū)動脈沖電流。其柵極特 性 IGBT相同，因此 MOSFET驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)和供電方式均與功率 IGBT相同，許多驅(qū)動芯片既可用于 MOSFET，也可用于 IGBT。 在功率變換裝置中 ，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，其功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種方式。隔離驅(qū)動可分為電磁隔離和光電隔離兩種方式。快速光耦的速度也僅幾十 kHz。但信號的最大傳輸寬度受磁飽和特性的限制，因而信號的頂部不易傳輸。而且 信號的最小寬度又受磁化電流所限。凡是隔離驅(qū)動方式，每路驅(qū)動都要一組輔助電源，若是三相橋式變換器，則需要六組，而且還要互相懸浮，增加了電路的復(fù)雜性。 美國 IR公司生產(chǎn)的 IR2110驅(qū)動器。 IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點 如下圖所示。具有獨立的低端和高端 輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達 500V， dv/dt=177。 5V的偏移量；工作頻率高，可達 500kHz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為 120ns 和 94ns；輸出峰值電流為 2A。由三個部分組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護。尤其是高端懸浮自舉電源的成功設(shè)計，可以大大減少驅(qū)動電源的數(shù)目，三相橋式變換器，僅用一組電源即可。 IR2110的 SD由單片機輸出控制， 單片機根據(jù)采樣反饋的情況判斷芯片的導(dǎo)通與關(guān)斷。 本章小結(jié) 本章 簡單介紹了本系統(tǒng)所用 PIC16F73單片機的性能和特點，重點介紹了該單片機所包含的脈寬調(diào)制器模塊，最終根據(jù)系統(tǒng)要求和該單片機 特性 設(shè)計了 單片機外圍 電路和 驅(qū)動 電路。 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。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(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。在直流側(cè)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(dāng) T T2都截止時，電容連接點電壓為直流輸入電壓的一半。當(dāng) T1閉合 (T2斷開 )時，中點電位將有所上升；當(dāng) T2閉合 (T1斷開 )時，中點電位將有所下降。本設(shè)計采用半橋逆變電路結(jié)構(gòu)。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。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)。逆變器的性能直接影響了整個系統(tǒng)的輸出特性。如圖 64所示為逆變環(huán)節(jié)主電路圖。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(shè)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(yīng)管 (NMOS)。并考慮一定的裕量 。 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)計的主電路。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （論文） 報告用紙 第 29 頁 共 54 頁 7 采樣 反饋 ／ 保護 電路設(shè)計 采樣 反饋 電路設(shè)計 評價開關(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。 再由控制電路來控制輸出，保持輸出的穩(wěn)定。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(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。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。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （論文） 報告用紙 第 30 頁 共 54 頁 設(shè)計短路保護電路要求 設(shè)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(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)足以適用于電路中的各種短路情況。 保護 電路設(shè)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(zhuǎn)換精度的 A/D口，電壓測量范圍 O～ 3． 3V。編寫程序來實現(xiàn)過流 保護。 整個裝置中， 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、過電流均會致其損壞。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。 所以，還必須在管子兩端并聯(lián)壓敏電阻。 如圖所示為保護電路圖。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。 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。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?qū)⒉蓸?值 與過載電流 限制設(shè)定值比較。一旦 采樣值大于設(shè)定值，如果采樣值 在 繼電器動作之前恢復(fù)正常，則單 片機不采取措施，仍認(rèn)為系統(tǒng)屬正常工作， 否則，單片機 RC3腳輸出故障信號到驅(qū)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)。 圖 72過流保護電路圖 本章小結(jié) 本章根據(jù)電路設(shè)計的要求，設(shè)計了反饋采樣 /保護電路。 其中反饋為電壓采集反饋，保護 電路 通過繼電器來實現(xiàn)。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(shè) N=500)。 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(dāng) TMR2*Rxl 時， PWM 單元的引腳開始輸出低電平；當(dāng)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。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 。 利用單片機自身提供的 PWM功能 ， 輸 出 SPWM驅(qū)動脈 沖 ，利用 A/D轉(zhuǎn)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。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。 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(shè)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。本系統(tǒng)中， SPWM周期為 20KHZ,設(shè)置每六個周期改變一次脈寬 。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。這64個點之間的時間間隔也轉(zhuǎn)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(shè)定值時 CCP1產(chǎn)生中斷，TIMER1重新計時。 表 81 正弦