毕业设计论文单相正弦波逆变电源.docx

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毕业设计论文单相正弦波逆变电源

单相正弦波逆变电源

摘要：

本单相正弦波逆变电源的设计，以12V蓄电池作为输入，输出为36V、50Hz的标准正弦波交流电。

该电源采用推挽升压和全桥逆变两级变换，在控制电路上，前级推挽升压电路采用SG3525芯片控制，闭环反馈；逆变部分采用驱动芯片IR2110进行全桥逆变，采用U3990F6完成SPWM的调制，后级输出采用电流互感器进行采样反馈，形成双重反馈环节，增加了电源的稳定性；在保护上，具有输出过载、短路保护、过流保护、空载保护等多重保护功能电路，增强了该电源的可靠性和安全性；输出交流电压通过AD637的真有效值转换后，再由STC89C52单片机的控制进行模数转换，最终将电压值显示到液晶12864上，形成了良好的人机界面。

该电源很好的完成了各项指标，输入功率为46.9W，输出功率为43.6W，效率达到了93%，输出标准的50Hz正弦波。

关键词：

单相正弦波逆变DC-DCDC-ACSPWM

Abstract:

Thesingle-phasesinewaveinverterpowersupplydesign,batteryasa12Vinputandoutputforthe36V,50HzstandardACsinewave.Theuseofpush-pullpowerboosterandtwofull-bridgeinvertertransform，inthecontrolcircuit,thepre-boostpush-pullcircuitusingSG3525chipcontrol,closed-loopfeedback;inverterdriverICIR2110inparttotheuseoffull-bridgeinverterusingSPWMmodulationU3990F6completed,levelaftertheuseofcurrenttransformeroutputsamplingfeedback.Thefeedbacklinkintheformationofadoubleandincreasethestabilityofpower.Inprotection,withoutputoverload,shortcircuitprotection,overcurrentprotection,theprotectionofmultipleno-loadprotectioncircuit,whichenhancingthereliabilityofthepowersupplyandsafety.ACvoltageoutputoftheAD637TrueRMSthroughconversion,andthenfromthecontrolofsingle-chipSTC89C52analog-digitalconversion,thefinalvalueofthevoltagetotheliquidcrystaldisplay12864ontheformationofagoodman-machineinterface.Thecompletionofthepowergoodindicators,inputpowerto46.9W,outputpowerof43.6W,theefficiencyreached93%,50Hzsinewaveoutputstandards.

Keywords:

Single-phasesinewaveinverterDC-DCDC-ACSPWM

1.系统设计

1.1设计要求

制作车载通信设备用单相正弦波逆变电源，输入单路12V直流，输出220V/50Hz。

满载时输出功率大于100W，效率不小于80%，具备过流保护和负载短路保护等功能。

1.2总体设计方案

1.2.1设计思路

题目要求设计一个车载通信设备用单相正弦波逆变电源，输出电压波形为正弦波。

设计中主电路采用电气隔离、DC-DC-AC的技术，控制部分采用SPWM（正弦脉宽调制）技术，利用对逆变原件电力MOSFET的驱动脉冲控制，使输出获得交流正弦波的稳压电源。

1.2.2方案论证与比较

⑴DC-DC变换器的方案论证与选择

方案一：

推挽式DC-DC变换器。

推挽电路是两不同极性晶体管输出电路无输出变压器（有OTL、OCL等）。

是两个参数相同的功率BJT管或MOSFET管，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务。

电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。

推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。

推挽式拓扑结构原理图如图1.2.1所示。

图1.2.1推挽式拓扑结构图

方案二：

Boost升压式DC-DC变换器。

拓扑结构如图1.2.2所示。

开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量，电感储能后使电压泵升，而电容可将输出电压保持平稳，通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。

该电路采取直接直流升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。

图1.2.2Boost电路

方案比较：

方案一和方案二都适用于升压电路，推挽式DC-DC变换器可由高频变压器将电压升至任何值。

Boost升压式DC-DC变换器不使用高频变压器，由12V升压至312V，PWM信号的占空比较低，会使得Boost升压式DC-DC变化器的损耗比较大。

所以采用方案一。

（2）DC-AC变换器的方案论证与选择

方案一：

半桥式DC-AC变换器。

在驱动电压的轮流开关作用下,半桥电路两只晶体管交替导通和截止,它们在变压器T原边产生高压开关脉冲,从而在副边感应出交变的方波脉冲,实现功率转换。

半桥电路输入电压只有一半加在变压器一次侧，这导致电流峰值增加，因此半桥电路只在500W或更低输出功率场合下使用，同时它具有抗不平衡能力，从而得到广泛应用。

半桥式拓扑结构原理图如图1.2.3所示。

图1.2.3半桥式拓扑结构图

方案二：

全桥DC-AC变换器。

全桥电路中互为对角的两个开关同时导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压成幅值为的交流电压，加在变压器一次侧。

改变开关的占空比，也就改变了输出电压。

全桥式电路如图1.2.4所示。

图1.2.4全桥式电路

方案比较：

方案一和方案二都可以作为DC-AC变换器的逆变桥，由两者的工作原理可知，半桥需要两个开关管，全桥需要四个开关管。

半桥和全桥的开关管的耐压都为,而半桥输出的电压峰值是，全桥输出电压的峰值是，所以在获得同样的输出电压的时候，全桥的供电电压可以比半桥的供电电压低一半。

出于这点的考虑，决定采用方案二。

（3）辅助电源的方案论证与选择

方案一：

采用线性稳压器7805。

方案二：

采用Buck降压式DC-DC变换器。

方案比较：

方案一的优点在于可以使用很少的元器件构成辅助电源一，但是效率较低。

方案二的优点在于效率高达90%，缺点是需要的元器件多，且成本较高。

由于辅助电源一会影响到整个系统的效率，所以采用方案二。

图1.2.5直接数据处理框图

方案二：

使用电流传感器加真有效值转化器以及ADC对电流进行采样读数。

利用电流传感器和电阻将电流转换成电压输出，经AD637进行真有效值转换后，由ADC0832进行读数，

1.2.3系统组成

系统方框图如图1.2.7所示，先采用DC-DC变换器把12V蓄电池的电压升至312V，保证输出真有效值为36V的正弦波不出现截止失真和饱和失真。

输出电压反馈采用调节SPWM信号脉宽的方式。

该系统采用两组相互隔离的辅助电源供电，一组供给SPWM信号控制器使用，另外一组供给输出电压、电流测量电路使用，这样避免了交流输出的浮地和蓄电池的地不能共地问题。

因为SPWM控制器输出的SPWM信号不含死区时间，所以增加了死区时间控制电路和逆变桥驱动电路。

空载检测电路使得当没有负载接入时，让系统进入待机模式，当有负载接入时，才进行逆变工作模式。

同时，空载检测电路也作为过流保护的采样点。

输出电流检测使用电流互感器和真有效值转换芯片AD637实现。

输出电压也使用AD637进行RMS-DC转换后，由ADC采样后分析，在液晶屏幕上显示。

图1.2.7系统组成图

2.单元硬件电路设计

2.1DC-DC变换器控制电路的设计

DC-DC变换器控制电路如图2.1.1所示。

SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。

可以补充一些SG3525芯片资料（内部结构、封装、引脚端功能）

在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。

由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。

和设定了PWM芯片的工作频率，计算公式为。

为死区时间编程电阻。

构成了电压反馈回路。

,构成了频率补偿网络。

为软启动时间设定电容。

图2.1.1DC-DC变换器控制电路图

2.2DC-AC电路的设计

全桥逆变电路图如2.2.1所示。

电路采用两个半桥驱动芯片IR2110分别驱动全桥的两边场效应管IRF540按驱动信号SPWM波交替导通，输出功率放大的SPWM波。

可以补充一些IR2110芯片和IRF540资料（内部结构、封装、引脚端功能）

图2.2.1DC-AC电路图

2.3SPWM波的实现

（1）SPWM波的原理

在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。

当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。

图2.3.1与正弦波等效的矩形脉冲序列波形

（2）实现方法

U3990是数字化的、专为车载、太阳能、风力、数码发电机而设计的纯正弦波单相逆变电源主控芯片，它不仅可以输出高精度的SPWM正弦波脉冲序列，还可以实现稳压、保护、空载时自动休眠等功能，并且具备LED指示灯驱动、蜂鸣器控制、逆变桥控制引脚，从而可以利用该芯片组成一个性能优良的逆变电源系统。

U3990的内部构成主要有：

正弦波发生器、双极性调制脉冲产生逻辑、50Hz（或60Hz）时基、电压反馈/短路检测、正弦波峰值调压稳压单元、外部扩展的保护响应逻辑、负载检测、过温检测、电池电压测量、逆变控制、指示灯控制、蜂鸣器控制、抗干扰自恢复单元构成。

整个电路封装成一个18引脚IC（DIP18），其引脚图如图2.3.2所示。

图2.3.2U3990引脚图

可以补充一些U3990芯片资料和电路（内部结构、封装、引脚端功能）

2.4真有效值转换电路的设计

真有效值转换电路采用高精度的AD637芯片，可测量的信号有效值高达7V，精度优于0.5%，3dB带宽为8MHz，可对输入信号的电平以dB形式表示。

可以补充一些AD637芯片资料和电路（内部结构、封装、引脚端功能）

其应用电路如图2.4.1所示。

逆变电源的输出电压及电流经AD637进行有效值变换后的模拟电压信号送A/D转换器AD0832，由STC89C52控制AD0832进行模/数转换，并对转换结果进行运算处理。

为输出电压经5倍分压后的输入。

为输出电压经5倍分压后的真有效值电压输出口。