15KVA逆变器设计.docx
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15KVA逆变器设计
学号：
0121111360718
课程设计
题目
1.5KVA逆变器设计
学院
自动化
专业
自动化
班级
自动化1103班
姓名
指导教师
年
月
日
摘要
本文设计了一个输入110V直流电，采用PWM斩波控制技术升压，逆变输出220V交流电的1.5KVA逆变器。
系统先将110V直流电通过升压斩波电路升高为300V，再根据无源逆变的实用原理，采用单相全桥逆变电路工作方式，实现把直流电（300V）转换成交流电（1KVA220V），最后通过低频滤波器滤波实现输出为220V的交流电。
关键字：
单相、斩波、升压、全桥、逆变、滤波
1.5KVA逆变器设计
1概述及设计要求
1.1概述
逆变器（inverter）是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220v50HZ正弦或方波）。
应急电源，一般是把直流电逆变成220V交流的。
通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。
它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。
逆变器的日常用途
1.汽车上的逆变器所获得的220V电，是220V50HZ，高档点的是正弦波的，便宜的一般是方波的。
正弦波的那种和接插座上用的电，是一样的，而方波的其实也可以用，只不过如果用风扇等有电机的设备，会有一些噪音，之所以用方波，就是因为这种调制方式成本比较低。
2.接笔记本，电视，碟机之类的东西，只要在他的额定功率下使用，都没问题。
但是需要注意他是接在汽车蓄电池上的，虽然他一般都是11V就自动保护断电，避免电压过低导致车无法启动，但是还是不适宜在引擎不运转的情况下用，所以如果用负载比较大，还是建议启动引擎。
如果是给手机充电道没什么问题。
3.电动车上，有一个叫DC-DC的模块，他也叫直流转换器，这个模块输入48V，输出12V，那么你只要购买一个12V输入的车载逆变器就可以使用。
当然若你能买到48V输入的逆变器更好，但估计很难买到而且，这个模块一般只能提供5A电流，最多不过10A，而且车灯什么的也要用，所以很容易过载，建议，如果可以，多买一个直流转换器，这个转换器专门给你那逆变器供电，然后如果直流转换器只能提供5A，那么逆变器输入就应当小于5A，否则可能会损坏那模块，当然有一些直流转换器电流是很大的，如果修车的地方没有，可以到一些电器店或叫他们修理的给你进一个大电流的，或者多个直流转换器并联也可以，总之，不要让他过载就可以。
1.2设计要求
要求设计一个输入为110V直流电压，输出容量为1.5KVA，输出电压为220V，频率50Hz单相交流电的逆变器。
2总体设计方案介绍及原理框图
2.1方案概述
本次课程设计的主要目标，是设计一个单相桥式逆变电路，且本设计采用电压型逆变器，同时要设计相应的触发电路和过电流过电压保护电路。
根据电力电子装置及系统的相关知识，单相桥式逆变电路是一种常见的逆变电路模型，在日常生活中有着广泛的应用。
它的电路结构主要是由四个桥臂组成，其中每个桥臂都有一个全控器件IGBT的导通控制需要触发电路，通过资料的查询，找到相关的触发电路，从中进行选择，最终确定方案。
可以用芯片SG3524及IR2110进行触发，使换流能够实行。
最后设置过电压过电流保护电路，通过查询资料，连出电路图，将触发电路接入，设置参数，根据设置的参数进行计算。
2.2系统原理框图
系统原理：
输入110V直流电，经PWM斩波升压电路升压为300V直流电，后经逆变电路变为220V交流电。
控制电路检测输出电压信息，并对驱动电路进行控制。
保护电路检测电路中电流，故障时封锁驱动信号。
系统原理框图如下图1所示：
图1系统原理框图
3升压斩波电路设计
3.1Boost升压电路原理
boost升压电路,开关直流升压电路（即所谓的boost或者step-up电路）原理
theboostconverter,或者叫step-upconverter，是一种开关直流升压电路，它可以是输出电压比输入电压高。
基本电路图见图2
图2boost电路图
假定那个开关（三极管或者MOS管）已经断开了很长时间，所有的元件都处于理想状态，电容电压等于输入电压。
下面要分充电和放电两个部分来说明这个电路
3.1.1充电过程
在充电过程中，开关闭合（三极管导通），等效电路如图3，开关（三极管）处用导线代替。
这时，输入电压流过电感。
二极管防止电容对地放电。
由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。
随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。
图3充电过程boost等效电路图
3.1.2放电过程
如图，这是当开关断开（三极管截止）时的等效电路。
当开关断开（三极管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。
而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。
升压完毕。
图4放电过程boost等效电路图
说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。
充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。
如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。
如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。
图5电流电压波形
AA电压低,反激升压电路制约功率和效率的瓶颈在开关管,整流管,及其他损耗（含电感上）.
开关管导通时，电源经由电感-开关管形成回路，电流在电感中转化为磁能贮存；开关管关断时，电感中的磁能转化为电能在电感端左负右正，此电压叠加在电源正端，经由二极管-负载形成回路，完成升压功能。
既然如此，提高转换效率就要从三个方面着手：
1.尽可能降低开关管导通时回路的阻抗，使电能尽可能多的转化为磁能；2.尽可能降低负载回路的阻抗，使磁能尽可能多的转化为电能，同时回路的损耗最低；3.尽可能降低控制电路的消耗，因为对于转换来说，控制电路的消耗某种意义上是浪费掉的，不能转化为负载上的能量。
3.2参数计算
参数：
输入电压：
110V---Vi
输出电压：
300V---Vo
因为
（3-1）
所以
（3-2）
此处设工作频率为f=100Hz,即T=0.01s,因此
ton=0.01-0.011/2.727=6.33
10-3s（3-3）
升压斩波电路部分如下图所示
图6升压斩波电路
4逆变电路设计
4.1逆变电路工作原理
无源逆变逆变电路的应用于蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路。
交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。
4.1.1换流方式
（1）逆变电路的基本工作原理
单相桥式逆变电路为例：
S1～S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。
S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电。
改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。
图7逆变电路及其波形举例
电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。
阻感负载时，io滞后于uo，波形也不同。
t1前：
S1、S4通，uo和io均为正。
t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向。
io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大
（2）换流方式分类
换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。
开通：
适当的门极驱动信号就可使其开通。
关断：
全控型器件可通过门极关断。
半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断，一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。
研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
本章换流及换流方式问题最为全面集中，因此在本章讲述
1、器件换流
利用全控型器件的自关断能力进行换流。
2、电网换流
由电网提供换流电压称为电网换流。
可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路，不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。
3、负载换流
由负载提供换流电压称为负载换流。
负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。
负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流。
图8负载换流电路及其工作波形
基本的负载换流逆变电路：
采用晶闸管，负载：
电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性。
电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入，直流侧串入大电感Ld，id基本没有脉动。
工作过程：
4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波。
负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦。
t1前：
VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uo
t1时：
触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2。
t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。
4、强迫换流
设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。
通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流。
直接耦合式强迫换流——由换流电路内电容提供换流电压。
VT通态时，先给电容C充电。
合上S就可使晶闸管被施加反压而关断。
图9直接耦合式强迫换流原理图
电感耦合式强迫换流——通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流。
两种电感耦合式强迫换流：
图10电感耦合式强迫换流原理图
器件换流——适用于全控型器件。
其余三种方式——针对晶闸管。
器件换流和强迫换流——属于自换流。
电网换流和负载换流——属于外部换流。
当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。
4.2电压型逆变电路
逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：
电压型逆变电路或电压源型逆变电路，
电流型逆变电路或电流源型逆变电路。
电路的具体实现。
图11电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）
电压型逆变电路的特点
（1）直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动
（2）输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同
（3）阻感负载时需提供无功。
为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管
4.2.1单相电压型逆变电路
全桥逆变电路
电路结构及工作情况：
图12，两个半桥电路的组合。
1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通180°。
uo波形同下图。
半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。
io波形和下图中的io相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。
输出电压定量分析
uo成傅里叶级数
（4-1）
基波幅值
（4-2）
基波有效值
（4-3）
uo为正负各180º时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现。
移相调压方式。
可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。
各栅极信号为180º正偏，180º反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变。
V3的基极信号只比V1落后q（0图12单相全桥逆变电路的移相调压方式
在本次设计中，主要采用单相全桥式逆变电路作为设计的电路。
其主电路结构图如下图13所示：
图13逆变电路图
如上图13所示，单相全桥逆变电路主电路主要有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。
其中桥臂1、4为一对，桥臂2、3为一对。
每个桥臂有一个可控器件IGBT。
在直流侧接有足够大的电容，负载接在桥臂之间。
它的具体工作过程如下：
舍最初时刻t1时，给IGBTQ1、Q4触发信号，使其导通。
则电流流过桥臂1，负载。
桥臂4构成一个导通回路。
当t2时刻时，给Q2、Q3触发信号，给Q1、Q4关断信号。
但由于负载电感较大，通过它的电流不能突变，所以二极管D2，D3导通进行续流。
当电流逐渐减小为0，桥臂1、4关断，桥臂2、3导通，构成一个回路，从而实现换流。
4.3参数计算
4.3.1开关管和二极管的选择
（1）开关管选择
最大输出情况下，电流有效值为
（4-4）
开关管额定电流ICE
（4-5）
开关管额定电压VCER
（4-6）
（2）二极管的选择
额定电压VRR
最大允许的均方根正向电流
（4-7）
二极管的额定电流为
（4-8）
通过控制PWM升压斩波电路，使输入电压由110V升高到300V，后由逆变电路进行逆变，调节给定电压和控制电路，使得交流输出为220V电压。
4.3.2输出滤波器
输出滤波器的作用是减小输出电压中的谐波，并保证基波电压传输。
因滤波电容和负载并联，它可以补偿感性电流，但是，滤波电容过大，反而会增加变压器的负担。
因此，在设计滤波电路时，首先确定滤波电容的值。
设计基本原则就是在额定负载时，使容性电流补偿一半的感性电流。
（4-9）
（4-10）
取C=30uF，选择50Hz，500V的交流电容；50H的交流电容用于400Hz时，耐压降低，应降压使用，一般按50Hz额定电压的60%应用。
对单级倍频SPWM调制方式进行理论分析，逆变桥输出电压出除了基数外，还含有告辞谐波，其中最低次谐波借此为2P-1，P为半周期内单级性波头数，本装置开关频率fs,选用7.2kHz,，P=144，因此，最低此谐波频率
,考虑死区影响，一般去输出滤波的谐振频率为最低次谐波频率的0.5~0.2，取2kHz，可得
（4-11）
5驱动电路设计
5.1igbt工作原理
绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管,因此,可以把其看作是MOS输入的达林顿管。
它融和了这两种器件的优点,既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点,又具有双极型器件容量大的优点,因而,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。
在中大功率的开关电源装置中,IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点,已逐步取代晶闸管或GTO。
但是在开关电源装置中,由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下,使得它容易损坏,另外,电源作为系统的前级,由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大,故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。
因而,在选择IGBT时除了要作降额考虑外,对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节
IGBT的等效电路如图14所示。
图14IGBT等效电路图
由图14可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOSFET截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止
由此可知,IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：
——IGBT栅极与发射极之间的电压;
——IGBT集电极与发射极之间的电压;
——流过IGBT集电极－发射极的电流;
——IGBT的结温。
如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;同样,如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压,流过IGBT集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流,IGBT的结温超过其结温的允许值,IGBT都可能会永久性损坏。
5.2SG3524及IR2110芯片介绍
PWM控制电路芯片SG3524，是一种电压型开关电源集成控制器，具有输出限流，开关频率可调，误差放大，脉宽调制比较器和关断电路。
SG3524的工作原理如下所述：
直流电源VS从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的+5V基准电压。
+5V再送到内部（或外部）电路的其他元器件作为电源。
振荡器脚7须外接电容CT，脚6须外接电阻RT。
振荡器频率f由外接电阻RT和电容CT决定，f=1.18/RTCT。
本设计将Boost电路的开关频率定为10kHz，取CT=0.22滋F，RT=5k赘；逆变桥开关频率定为5kHz。
振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相端，比较器的反向端接误差放大器的输出。
误差放大器实际上是差分放大器，脚1为其反相输入端；脚2为其同相
输入端。
通常，一个输入端连到脚16的基准电压的分压电阻上（应取得2.5V的电压），另一个输入端接控制反馈信号电压。
本系统电路图中，在DC/DC变换部分，G3524的脚1接控制反馈信号电压，脚2接在基准电压的分压电阻上。
误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，从而在比较器的输出端出现一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。
或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。
双稳态触发器的两个输出端互补，交替输出高低电平，其作用是将PWM脉冲交替送至两个三极管V1及V2的基极，锯齿波的作用是加入了死区时间，保证V1及V2两个三极管不可能同时导通。
最后，晶体管V1及V2分别输出脉冲宽度调制波，两者相位相差180毅。
当V1及V2脉冲并联应用时，其输出脉冲的占空比为0%~90%；当V1及V2分开使用时，输出脉冲的占空比为0%~45%，脉冲频率为振荡器频率的1/2。
SG3524引脚及内部结构图如下。
SG3524引脚结构如图15所示：
图15SG3524引脚图
SG3524内部结构图如图16所示：
图16SG3524内部结构图
IR2117是美国IR公司专为驱动单个MOSFET或IGBT而设计的栅极驱动器,它采用高压集成电路技术和无闩锁CMOS技术,并采用双直插式封装,可用于工作母线电压高达600V的系统中。
其输入与标准的CMOS电平兼容,输出驱动特性可满足交叉导通时间最短的大电流驱动输出级的设计要求。
其悬浮通道与自举技术的应用使其可直接用来驱动一个工作于母线电压高达600V的、在高边或低端工作的N沟道MOSFET或IGBT。
IR2117采用标准的双列直插式DIR-8或小型双列扁平表面安装SOIC-8封装形式,这两种封装形式的引脚排列相同,其引脚排列如图17所示：
图17IR2117引脚图
IR21117引脚说明如表1所示：
表1IR2117引脚说明
引脚号
符号
名称
功能及用法
1
Vcc
输入级工作电源端
供电电源,抗干扰,该端应接一去耦网络到地
2
IN
控制脉冲输入端
直接按控制脉冲形成电路的输出
3
COM
输入级地端及Vcc参考地端
接供电电源Vcc地
4,5
NC
空脚
悬空
6
Vs
输出级参考地端
接被驱动的MOSFET源极或IGBT射极及负载端
7
HO
驱动脉冲输出端
通过一电阻接被驱动的MOSFET或IGBY的栅极
8
VB
输出级工作电源端（高边悬浮电源端）
当VB与Vcc使用独立电源时,接用户提供的电源,此时VB的参考地为VS而Vcc的参考地为COM。
在两电源之间,电位应隔离。
当VB与Vcc利用自举技术产生时,此端分别通过一电容及二极管接VS及Vcc
IR2117内部结构及原理说明:
图18IR2117内部结构
IR2117的内部结构及工作原理框图如图18所示。
它在内部集成有一个施密特触发器,一个脉冲增益电路,两个欠压检测及保护电路,一个电平移位网络,一个与非门,一个由两个MOSFET组成的互补功放输出级、一个RS
触发器以及一个脉冲滤波器共九个单元电路。
驱动电路总体设计如图19所示：
图19驱动电路模块
6保护电路设计
保护电路分为欠压保护和过流保护。
欠压保护电路如图20所示，它监测蓄电池的电压状况，如果蓄电池电压低于预设的10.8V，保护电路开始工作，使控制器SG3524的脚10关断端输出高电平，停止驱动信号输出。
图20中运算放大器的正向输入端的电压由R1和R3分压得到，而反向输入端的电压由稳压管箝位在＋7.5V，正常工作的时候，由三极管V导通，IR2110输出驱动信号，驱动晶闸管正常工作，实现逆变电源的设计。
当蓄电池的电压下降超过预定值后，运算放大器开始工作，输出跳转为负，LED灯亮，同时三级管V截止，向SG3524的SD端输出高电平，封锁IR2110的输出驱动信号。
此时没有逆变电压的输出。
图20欠压保护电路
过流保护电路如图21所示，它监测输出电流状况，预设为1.5A。
方波逆变器的输出电流经过采样进入运算放大器的反向输入端，当输出电流大于1.5A后，运算放大器的输出端跳转为负，经过CD4011组成的RS触发器后，使三级管V1基级的信号为低电平，三级管截止，向IR2011的SD1端输出高电平，达到保护的目的。
图21过电流保护电路
7逆变器总电路图
将升压斩波电路，逆变电路，控制电路，保护电路组合起来，得到逆变器总电路如下图所示。
图22逆变器总电路图
8心得体会
电力电子设计课程设计将要结束，过程是辛苦的，但收获巨大，从内心里感到了喜悦，设计期间的不断与同学的交流以及去图书馆查书籍，上网查资料，让我学到很多知识的同时，也培养了自己动手、一丝不苟的精神，增加了我独立思考问题、解决问题的能力，重要的是增加了我学习的兴趣，让我知道从哪方面去学习，让我感受到对获取知识的迫切心情。
在此次课程设计中，我使用了用MATLAB进行仿真，逆变电路部分有较好的效果。
但是升压斩波部分没能搭建模型，因为原件库不兼容，造成此问题的原因我使用的是2012a版本，使用不熟练，可以参考的资料也很少，最后放弃了仿真。
经过这次设计，让我深深体会到理论联系实际的重要行，平时就要扎扎实实的学好基本功，只有学好理论知识，在实际使用的时候，都会变的更方便，带给我收获的同时也让我意思到理论知识及动手操作的不足，所以在以后的学习生活中，我会更努力的加强理论知识与实践的学习，使自己的能力不断增长，不断提高自己。
参考文献
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[6]曲学基曲敬凯于明扬主编，逆变技术基础与应用，电子工业出版社，2006
[7]杨荫福段善旭朝泽云编，电力电子装置及系统，北京清华大学出版社，2006
本科生课程设计成绩评定表
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专业、班级
自动化1103班
课程设计题目：
1.5KVA逆变器设计
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