1KVA单相逆变器设计Word格式.docx
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三相桥式逆变器类似于全桥逆变器，但它有三个桥臂，输出端的三端分别位于三组开关的中点，取两两之间的电压差就可以得到三相电所需的三个相电压。
根据三组共六个开关的开通顺序，三相桥式逆变器可以得到一组幅值相等、频率相等的三相电信号。
3设计方案介绍与原理框图
设计一个单相桥式逆变电路，且本设计采用电压型逆变器，同时设计相应的触发电路和过电流过电压保护电路。
3.1电压型逆变器
直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。
直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。
由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出电流波形和相位应为负载阻抗的情况不同而不同。
当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。
为了给交流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管，又称为续流二极管。
3.2触发电路
脉宽调制式逆变触发电路
，它不但能控制逆变器的输出频率，而且能控制输出电压和改善输出电压的波形。
在调制信号发生器的作用下，脉冲分配器在每个周期产生宽度可变的脉冲或脉冲列。
脉冲输出器根据这些脉冲的宽度控制逆变器各功率开关的通断。
调节这些脉冲的宽度，即可以调节逆变器的输出电压。
在一个周期中，将脉冲列中各脉冲的宽度按正弦波规律调制，可以改善逆变器输出电压的波形。
正弦波脉宽调制的逆变触发电路比较复杂。
美国莫拉特公司1980年前后研制成功专门用作产生正弦脉宽调制信号的大规模集成电路HEF4752V。
它将正弦脉宽调制触发器的主要功能（不包括脉冲输出器）集成在一块18平方毫米的硅片上，封装在双排28脚的外壳中。
整个集成电路是全数字化的。
大约包括1500个门电路。
利用HEF4752V构成的脉宽调制式触发电路特别适用于交流电动机变频调速系统。
3.3
保护电路
电力电子常用的保护有过流保护和过压保护。
过电流保护在电力电子变换和控制系统运行不正常或发生故障时，可能发生过电流造成开关器件的永久性损坏，快速熔断器是电力电子变换器系统中常用的一种过电流保护措施。
快速熔断器的过流保护原理是基于快速熔断器特性与器件特性的保护配合来完成的，即通过选择快速熔断器的短路容量约器件的热容量，使得当发生过流时快速熔断器先熔断，以保护器件不损坏。
另一种方法是采用电流检测、比较、判断，在过流瞬间及时关断电路。
过电压保护电力电子设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。
同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。
过电压保护的基本原理是在瞬态过电压发生的时候（滋s或ns级），通过过电压检测电路进行检测。
过电压检测电路中主要的元件是压敏电阻。
压敏电阻相当于很多串并联在一起的双向抑制二极管，起到电压箝位的作用。
电压超过箝位电压时，压敏电阻导通；
电压低于箝位电压时，压敏电阻截止。
3.4系统原理框图
系统原理框图如下图1所示：
图1系统原理框图
4.各电路模块设计
4.1逆变电路的主电路设计
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。
电路结构图如下图2所示：
图2单相全桥逆变电路主电路及升压结构图
如上图2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MOSFET以及一个反并联的二极管组成。
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MOSFETQ1、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。
4.2驱动电路设计
MOSFET是一种电压控制的单极性器件，它是由金属氧化物和半导体组成的场效应晶体管，所以也叫绝缘栅型场效应管。
应用VMOSFET工艺，生产出了大功率的产效应管，并在逆变电路中得到广泛应用。
功率场效应管简称VMOSFET,或VMOS，作为开关器件，其常态是阻断状态，即VMOS都是增强型MOSFET。
MOSFET分为N沟道和P沟道两类。
N沟道VMOS的导通电流的方向是从漏极D到源极S；
P沟道MOS的导通方向是从源极S到漏极D。
VMOS管的工作原理是，源极S接零电位，漏极D接正电位，当栅极接正电压时，由于电荷感应，在P区感应出电子，电子的累积便形成N沟道。
源极S和漏极D之间便产生了电流。
因此，栅极G上的电压的大小，决定了源极S与漏极D之间的电流大小。
图3MOFET结构图和电气图
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4所示：
图4SG3524引脚图
SG3524内部结构图如图5所示：
图5SG3524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6所示：
图6IR2117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7IR2117内部结构
IR2117的内部结构及工作原理框图如图7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8所示：
图8驱动电路模块
4.3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9所示，它监测蓄电池的电压状况，如果蓄电池电压低于预设值，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9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，IR2117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IR2117的输出驱动信号。
此时没有逆变电压的输出。
图9欠压保护电路
过流保护电路如图10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IR2117的SD1端输出高电平，达到保护的目的。
图10过电流保护电路
4.4设计电路总图
逆变器设计总图如图11所示：
图11逆变器设计总图
5参数计算
在电路中输入为VD=48VDC，输出为220V,功率因数为1，则各电路元件选取如下。
5.1开关管和二级管的选择
开关管的选择，最大输出情况下，电流有效值为：
开关管额定电流
开关管额定电压
二级管的选择
额定电压
最大允许的均方根正向电流
二级管的额定电流为
5.2并联电容的选取
在功率因数为1的情况下，等效的滤波电路的负载电阻为
周期为
电容为
5.3LC滤波器的设计
最低次谐波为2P-1次，最低次谐波的频率为：
以选1/10为例，选滤波电感为1mH,则电容为
5.4开关管驱动信号的形成
载波比N和调制比M的选择
选取N=200则调制比M的选择
选取正弦波的幅值Vrm=5V,则三角波幅值为Vcm=0.77V。
选取死区时间为开关时间的2倍，可取2us。
总结
通过此次课程设计，熟悉了AltiumDesigner这款软件，被它功能之强大所震撼，惭愧的是自己对很多功能用得并不熟悉。
同时也意识到，用好专业软件对以后的工作一定会有很大的帮助。
同时也熟悉了电力电子器件的使用，对一些常用的主电路和保护电路有了深入的了解，掌握了单相桥式PWM逆变电路的工作原理，拓扑结构，控制方法。
对元器件的选择计算方法也有了一定的体会。
从中也感受到，通过网络快速收集资料的能力很重要。
在设计的过程中发现了自己很多的不足之处，对以前学过的知识理解得不够深刻，不能够灵活运用，需要加强复习。
参考文献
[1]王兆安.电力电子技术.机械工业出版社，2006
[2]段善旭.电力电子装置及系统.清华大学出版社，2009
[3]黄俊.电力电子变流技术.机械工业出版社，2006
[4]张伟.AltiumDesigner6.0易学通.人民邮电出版社，2005
[5]张义和.AltiumDesigner完全电路设计.人民邮电出版社，2008
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