基于UC3524的逆变电源设计毕业设计论文.docx
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基于UC3524的逆变电源设计毕业设计论文
毕业设计论文
基于UC3524的逆变电源设计
摘要
逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变幻的装置，主要应用与银行、通信、医院、金融等重要机构。
设计内容包括逆变电路原理分析、微机控制电路设计、主电路设计、主要开关器件驱动电路设计，系统抗干扰设计，保护设计，主电路设计采用开关频率高导通压降低功耗低的绝缘栅双极晶体管IGBT。
逆变电源输入输出都经过变压器进行电气隔离，使整个电路系统与外接电网和负载完全电气隔离。
电源保护电路主要有过流保护、过压保护、短路保护，通过将主电路中的电压电流信号反馈到控制电路中，实现系统自我保护功能。
为保证输出稳定的交流电压，对交流输出电压进行取样，经过采样电路处理反馈到控制电路中进行分析，使输出电压幅值稳定在规定范围内。
关键词：
逆变电源，IGBT，微机控制，保护电路
UC3524INVERTERBASEDPOWERSUPPLYDESIGNED
ABSTRACT
Powerinverterisanelectricalenergyusingpowerelectronicstechnologychangingdevice,themainapplicationandbanking,telecommunications,hospitals,financialandotherimportantinstitutions.Designelementsincludeinvertercircuitanalysis,computercontrolcircuitdesign,themaincircuitdesign,themainswitchingdevicedrivecircuitdesign,systemanti-jammingdesign,protectiondesign,themaincircuitdesignusinghighswitchingfrequencytoreducepowerconsumptionlowconductionvoltageinsulatedgatebipolartransistorIGBT.Inverterinputandoutputareelectricallyisolatedthroughthetransformer,sothatthewholecircuitsystemwithexternalpowergridandloadcompleteelectricalisolation.Mainpowersupplyprotectioncircuitovercurrentprotection,overvoltageprotection,shortcircuitprotection,throughthemaincircuitvoltageandcurrentsignalisfedtothecontrolcircuit,toachieveself-protectionsystem.InordertoensurestableoutputACvoltage,theACoutputvoltageissampled,thesamplingcircuitafterprocessingthefeedbacktothecontrolcircuitforanalysis,theamplitudeoftheoutputvoltagewithinthespecifiedstability.
KERWORD：
Powerinverter，IGBT，protectcurrent，shortcircuitprotection,
前言
逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变幻的装置，它从交流或直流输入，经电能变换获得稳压恒频的交流输出。
随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备都不是直接从交流电网提供的交流电来获取电能，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。
逆变电源就是为满足这类行业的需求而开发的电气设备。
逆变电源技术是一门综合性的专业技术，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。
逆变电源广泛应用于航空、航海、、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域。
基于UC3524的后备式逆变电源要求输出220V/50Hz的稳压恒频的单相交流电，输出额定功率为1kW。
设有市电断电、过载、短路等故障应急处理功能。
在市电断电时，触发内部供电自动切换电路，完成内部供电从市电供电到电池供电的切换，同时逆变电源自动检测断电，并将信息反馈到内部微机控制，微机对反馈的断电信息进行处理，将电源输出切换到逆变输出，并在显示器、LED指示灯显示这一变换结果。
当市电恢复正常时，逆变电源将自动完成上述相反过程。
在输出短路或过载时，逆变电源将立刻停止交流输出，并将故障反馈到微机，对故障信息进行处理，保护电源，发出报警信号。
近年来，现代逆变技术主要朝着高频化、模块化、数字化、绿色化以及并机技术的趋势发展。
而目前我国国内的逆变电源按变换方式主要采用工频变换。
工频变换逆变电源是先产生50Hz交流信号，然后利用工频升压器产生220V交流电。
这种逆变器结构简单，工作可靠，但这种逆变器体积大、笨重、噪音大、价格高、效率方面也有待进一步提高。
高频变换逆变电源是通过高频DC-DC变换技术，先将低压直流变为高频低压直流，经过高频变压器升压后再整流成高压直流，对其再进行正弦变换，即可得到220V/50Hz正弦波交流电。
这种逆变器控制环节较多，电路复杂，但是因为采用了高频变换，因而体积小、重量轻、噪音小、效率高。
基于上述两种逆变方式的特性，本课题吸收了这两种逆变电源变换方式的优点，即通过UC3524产生50Hz的直流方波，控制由IGBT组成的桥式逆变电路工作，产生24V/50Hz的方波交流电，然后利用工频变压器产生220V的交流电。
采用了IGBT桥式逆变，解决了一般工频逆变噪音大，开关损耗高，效率低的问题，此外这种逆变方式的电路结构简单，整个逆变电源的体积就会减小。
本设计的逆变电源还直接引入微机控制，无需对电源外接微机控制模块，提高了整个电源工作的可靠性和结构上的整体性。
第1章逆变电源设计方案论证
1.1设计背景
1.1.1基于UC3524逆变电源的设计思路
基于UC3524的后备式逆变电源主要用于当市电突然断电时，能继续向用电设备供电设计。
其主要设计思路有以下三点：
1、市电正常供电时，逆变电源通过旁路接通市电，给负载供电，逆变器自身供电也来自市电。
此时，逆变电源工作在市电监测状态，对市电工作正常与否进行实时监测。
2、市电断电时，首先逆变电源会立刻将自身供电电源切换到蓄电池，以维持逆变电源的持续正常工作，然后启动逆变电路，输出220V/50Hz交流电，将负载供电由旁路输出切换到逆变输出，给负载持续供电。
3、电能质量保证。
为使逆变电源输出稳压恒频的交流电，逆变电源对输出电压实时进行采样，将采样值反馈给逆变驱动器，即整个逆变过程是闭环控制，保证电能质量达到设计标准。
逆变电源的工作流程如上图1-1所示。
1.1.2逆变电源的工作原理
逆变电源有两种工作状态：
a、旁路状态，即市电正常时；b、逆变状态，即市电断电时。
当市电供电正常时，逆变电源工作在旁路状态，即通过旁路，接通市电给负载供电。
当市电断电时，逆变电源工作在逆变状态，即将蓄电池的直流电逆变成220V/50Hz的交流电，逆变输出给负载供电。
逆变电源整个工作过程为，逆变电源实时监测市电状况，当市电正常时，逆变电源通过旁路对负载供电，当检测到市电断电时，逆变电源工作在逆变状态，将直流电逆变成交流电给负载供电。
1.2逆变电源的逆变电路及控制方案
1.2.1逆变电路
1、半桥逆变电路
半桥逆变电路原理图如图1-2所示，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管并联组成。
在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点便成为直流电源的中点。
负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。
图1-2半桥逆变电路原理图
半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少。
其缺点是输出交流电压Um的幅值为仅为直流电压Ud的幅值的一半，且直流侧需要两个电容器串联，工作是还要控制两个电容器电压的均衡。
因此半桥逆变电路常用于几千瓦一下的小功率逆变电源。
2、全桥逆变电路
全桥逆变电路原理图如图1-3所示，它共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组而成。
把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对桥臂各导通180°。
与半桥逆变相比，全桥逆变输出电压Um的幅值高出一倍，即Um=Ud。
图1-3全桥逆变电路
3、推挽逆变电路
推挽逆变电路如图1-4所示，交替导通V1、V2，通过变压器的耦合给输出交流电压。
该电路的输出电压波形和幅值与全桥电路完全相同，优点在于比全桥电路少用了一半的开关器件，缺点是开关器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高出一倍，且必须有一个带中心抽头的变压器。
图1-4推挽逆变电路
根据以上各逆变电路的特点和该逆变电源的设计要求，选择目前在单相逆变电路中应用较多的全桥逆变电路作为该逆变电源的逆变电路。
1.2.1逆变电路的驱动控制
1、全桥逆变电路工作原理
如图1-3所示，设在t1时刻前VT1和VT4导通，输出负载电压为Ud，t1时刻VT3和VT4栅极信号反向，VT4截止，而因负载电感中的电流不能突变，VT3不能立刻导通，D3导通续流。
因为VT1和D3同时导通，所以输出电压为零。
到t2时刻VT1和VT2栅极信号反向，VT1截止而VT2不能立刻导通，D2导通续流，和D3构成电流通道输出电压为-Ud，到负载电流过零并开始反向时，D2和D3截止，VT2和VT3导通，输出电压仍为-Ud。
t3时刻VT3和VT4栅极信号再次反向，VT3截止而VT4不能立刻导通，D4导通续流。
输出电压再次为零。
以后的逆变过程为上述过程的不断循环。
2、全桥逆变开关器件的驱动
基于全桥逆变电路的工作原理，通过UC3524S双端输出驱动器产生特定频率的驱动信号，控制逆变电路中开关器件的导通和关断。
1.3逆变电源的特性分析
1.3.1逆变电源的功能特性
该逆变电源的主要功能是在市电断电的情况下，仍能给用电设备提供电能，使电器设备继续工作。
其工作状态之间的转换都是以市电的正常与否为依据，进行自动快速切换。
此外该逆变电源还具有以下几大功能：
1、过载和短路保护。
当负载出现超负荷过载运行或者发生短路时，电源系统会检测到这一故障，并及时做出保护处理，避免电源遭受损坏。
2、输出稳压。
为保证输出电压幅值的稳定，电源控制电路对逆变输出电压进行实时采样，将采样值反馈到控制电路进行分析处理，保证输出电压满足设计要求。
3、建立人机对话平台。
逆变电源设有液晶显示器、状态指示灯等显示设备，方便用户通过这些设备，及时了解逆变电源的当前工作状态。
在遇到特殊情况需要逆变电源停机是，还可以通过按钮控制逆变电源中断输出，情况解除后，又可以使其恢复正常工作。
4、蓄电池电量监测。
当蓄电池进行放电是，逆变电源对电池电量进行监测，当电量偏低时，发出报警警示，若此时没有及时得到人为处理，进一步放电使电量再次偏低时，逆变电源自动中断逆变输出，发出低电警报，随后自动关机。
1.3.2逆变电源技术特性
逆变电源工作的稳定性对逆变电源的性能提升至关重要。
1、逆变电路开关器件采用低损耗、高开关频率、高耐压值的绝缘栅双极型晶体管IGBT。
2、双端输出驱动器UC3524产生逆变电路的驱动信号。
UC3524外部电路设计简单，由它组成的逆变控制电路可靠性高，广泛应用于中、大功率逆变电源和开关电源。
3、逆变电源的微机芯片为ATM公司的AT89S52低功耗COMS8位控制器，8K系统可编程Flash，256KRAM，32位I/O口线，看门狗定时器，两个数据指针等，片上资源丰富。
此外，在掉电模式下，RAM内的数据被保护，振荡器冻结，控制器停在工作，有效保护数据以免丢失。
4、图形液晶显示特性，128×64图形液晶，液晶控制器ST7920，ST7920对控制器送来的信号进行锁存后，再将信号送入图形液晶显示，提高显示的稳定性可视性。
5、蓄电池电量检测使用了串行12位模数芯片MAX187。
可在单5V电源下工作，接受0－5V的模拟输入。
MAX187为逐次逼近式ADC，快速采样/保持（1.5uS），片内时钟，高速3线串行接口。
1.4设计方案总体规划
逆变电源总体分为三大部分：
1、逆变部分。
该部分完成直流电到交流电的逆变过程，核心控制芯片UC3524完成对全桥电路的控制及输出交流电压反馈控制。
2、保护及检测反馈部分。
该部分主要保障逆变电源正常可靠工作，当发生故障时，逆变电路能及时进行自我保护。
蓄电池电量监测使用了串行12位模数芯片MAX187。
同时对输出电压进行采样，以保证输出电压的质量达到设计标准。
3、微机部分。
该部分主要器件是AT89S52，逆变电源的监测、保护等信息都由AT89S52进行分析处理，并发出相应控制指令，协调逆变电源各部分正常工作。
逆变电源各部分间的关系如图1-5所示：
第2章逆变电源硬件结构设计
2.1逆变桥驱动器选择
随着集成电路技术的不断成熟，与分立元件组成的电路相比，其可靠性稳定性明显高于分立元件组成的功能电路，并且集成电路外围电路设计大多比较简单，十分利于电路的开发设计。
2.1.1逆变电路对驱动器的要求
逆变电路的工作是否稳定、正常直接关系到逆变输出电能的质量。
如果逆变桥中的开关器件开通和关断出现紊乱，这将直接降低输出电能的质量，甚至会导致逆变失败或短路严重的电路故障。
此外，为保证逆变输出电压波动在设计范围内，必须设有输出电压采样电路，而采样值最好能直接反馈给驱动器，及时的调整输出电压幅值，使其稳定在允许范围内。
鉴于此，集成驱动器无疑是最优选择。
逆变电路对驱动器有一下几点要求：
1、输出脉冲频率可调。
脉冲的频率即为输出交流电压的频率，该逆变电源输出电压频率为50Hz。
2、有脉冲驱动功能，即可通过该控制端，使驱动器处于关闭状态，无驱动脉冲输出。
3、配有两路驱动脉冲输出，分别用于逆变桥个桥臂控制。
4、从开发、设计和应用角度出发，希望所选用的驱动器外围电路设计简单，便于开发。
同时要在性能价格上均衡考虑，使系统即能满足性能要求，又降低造价。
2.1.2逆变电路驱动器选择
UC3524是一种高级稳压集成脉宽调制器，工作环境温度0℃~+70℃，双列直插16脚封装，最高振荡频率为300kHz，振幅3.5V，电压稳定度1%，输出电压5V，线性稳定度10mV，负载稳定度20mV，占空比45%，输入电压12~28V，上升时间0.2us，下降时间0.1us。
UC3524内部振荡周期T=RTCT，电容CT的取值范围是1000pF~0.1uF，RT的取值范围是1.8~100kΩ，最高振荡频率300kHz。
死区时间与CT的容量有关，当CT为1000pF时死区时间为0.4us，当CT为0.01uF时，死区时间为2us，当CT为0.1uF时，死区时间为10us。
因此，当改变CTRT设定振荡频率是，首先设定CT值，保证有适当的死区时间，在选用RT值改变振动器的输出频率。
综上，UC3524为本设计中逆变电源逆变桥驱动器的最佳选择。
2.2逆变电源硬件设计
2.2.1全桥逆变电路设计
1、工作特性
该部分是整个逆变电路的核心，担负着将直流电变换成交流电的逆变任务。
主要工作器件为IGBT，整个逆变桥的运行功率决定着该逆变电源输出的最大功率。
2、设计原理
IGBT也称为绝缘栅双极晶体管,是复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件,它将功率场效应管和电力晶体管的优点集于一身,既具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱
动电路简单的优点,又具有通态电压低、耐压高和承受
电流大等优点,因此应用更加广泛。
1）IGBT的工作特性
IGBT由栅极正负电压来控制。
当加上正栅极电压时，管子导通；当加上负栅极电压时，管子关断。
IGBT具有和GTO类似的伏安特性，随着控制电压UGE的增加，特性曲线上移。
逆变桥中的IGBT通过UGE电平的变化，使其在饱和与截止两种状态交替工作。
IGBT的伏安特性和转移特性如图2-1所示：
图2-1IGBT的伏安特性和转移特性
IGBT的伏安特性分为饱和区、放大区、击穿区和反向截止区。
本设计中，IGBT作为开关器件使用，故其在饱和区和方向截止区交替工作。
2）IGBT对驱动电路设计的要求
根据IGBT的工作特性，对其驱动电路的要求如下：
①提供适当的正反向电压，使IGBT能可靠的开通和关断。
当正偏压增大时IGBT通态压降和开通损耗均下降，但UGE过大，负载短路时IC随UGE的增大而增大，对其安全不利，使用中12V本设计中UGE=15V。
负偏电压可防止由于关断时浪涌电流过大而导致IGBT误导通，一般选UGE=-5V为宜。
②IGBT的开关时间应综合实际考虑。
快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。
但在大电感负载条件下，IGBT的开关频率不宜过大，因为高速开断和关断会产生很高的尖峰电压，很可能造成IGBT自身或其他元件击穿。
③IGBT开通后，驱动电路应提供足够的电压、电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。
④驱动电路中的栅极电阻RG对IGBT工作性能有较大的影响。
RG较大，有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗；RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT误导通或损坏。
RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关，一般在几欧～几十欧（在具体应用中，应根据实际情况予以适当调整）。
本设计中RG选阻值为15Ω的电阻。
⑤当IGBT关断时，栅射电压很容易受IGBT和电路寄生参数的干扰，使栅射电压引起器件误导通，为防止这种现象发生，可以在栅射间并接一个电阻RGE，阻值在10kΩ左右。
此外，在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，最好在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管，其稳压值与正负栅压相同。
3）栅极布线要求
IGBT接线较长时易产生振荡，因此栅级电阻RG的接入尽量靠近IGBT。
驱动电路输出一般不和IGBT栅极直接相连，应使用绞合线连接（2转／cm）。
次外，IGBT为压控型器件，当集射极加高电压时，很容易受外界干扰使门级间电压超过一定值引起器件误导通，甚至导致直通现象发生。
为此，本设计中采用了如下两种措施加以改善：
a、在栅—射极间并接一个阻值为10kΩ的电阻，且将其并联在栅射极最近处；
b、在栅-射极间并联两只反串联的稳压二极管，把浪涌电压限制在30V以下。
全桥逆变电路如图2-2所示：
图2-2全桥逆变电路
V2和V3组成达林顿连接，对输入信号进行功率放大，使其满足IGBT驱动信号的功率要求。
再达林顿组合前，再加一级射极输出放大。
本设计的逆变电源输出额定功率为1kW，考虑10%的安全裕度，设计功率为1.1kW。
IGBT最高耐压值1300V，最大工作电流50A，则该逆变桥输出的实际最大功率为1.2kW，即逆变电源的实际最大输出功率为1.2kW。
2.2.2驱动脉冲发生电路设计
该部分为逆变桥提供驱动脉冲信号，控制逆变桥工作。
选择双端输出驱动器UC3524作为脉冲驱动信号发生器。
1、双端输出驱动器UC3524
UC3524以其优越的可靠性、外围电路设计简洁，在逆变电源、开关电源等领域得到了广泛应用。
UC3524内部电路结构如图2-3。
图2-3UC3524内部电路结构
UC3524各引脚功能见表2-1。
2、工作特性
该部分为整个逆变电路的核心，脉冲发生器UC3524根据设定的振荡周期，发出固定频率的PWM脉冲信号，控制逆变桥工作，同时逆变电源输出反馈信号经反馈电路处理后反馈给UC3524。
此外，UC3524还对逆变电源进行过载或短路保护。
表2-1UC3524引脚功能
引脚号
引脚功能
1
内部差分放大器EA的反相输入端。
2
内部差分放大器EA的同相输入端。
3
内部振动器锯齿波输出端
4、5
内部电流限制放大器CL的“+”“-”取样端
6
外接RT端
7
外接CT端
8
接地端
9
内部差分放大器输出端，接入R37、C22组成相位矫正电路
10
PWM脉冲输出控制端，输入高电平时，驱动脉冲被关断
11、14
内部两路驱动级NPN管发射极引出端
12、13
内部两路驱动级NPN管集电极引出端
15
直流电源输入端（12~28V）
16
5V基准电压输出端
3、电路设计
UC3524输出脉冲为两路输出，即开关频率为振荡频率的两倍。
逆变输出的交流电频率为50Hz，则振荡频率应该100Hz。
脉冲发生器死区时间与CT有关，死区时间设定在10μs，CT值为0.1μF，根据T=RTCT，可求得，RT=100kΩ。
为驱动后级信号放大管，内部驱动级NPN管集电极12、13脚上拉5K电阻到12V电源。
5V基准电压经电阻R38、R42进行1:
2分压后，作为误差检测电压接入内部差分放大器同相输入端。
逆变桥使用的是全控型器件IGBT，所以逆变换流利用器件的全关断能力进行换流，即器件换流。
设计中，必须保证换流过程中换流不可重叠，即一路导通的前提必须是另一路完全关断，否则就会造成短路，导致换流失败。
为此，脉冲发生器设定了10μs的死区时间，在时间上保证桥臂间换流的顺利完成，避免出现短路。
为确保逆变输出交流电压幅值稳定，对输出电压进行采样，并将采样值经采样电路处理后经电阻分压，送人UC3524的内部差分放大器反相输入端。
当输出电压幅值偏高时，采样电压升高差分放大器的输出电压降低，送至PWM比较器，是输出脉冲占空比减小，使逆变输出电压降低；当输出电压幅值偏高时，为上述相反过程。
内部差分放大器的输出电压与输出脉冲占空比近似为线性关系，当输出电压为3.5V时，脉冲占空比为45%；当输出电压降为1.5V时，脉冲占空比降为10%；当输出电压为1V时，占空比为0，无驱动脉冲输出。
电路原理图如图2-4所示。
图2-4脉冲发生电路原理图
2.2.3逆变输出采样电路
1、工作特性
为了对逆变输出的方波电压进行稳压控制，逆变输出采样电路对逆变输出电压进行取样，将取样交流24V电压进行整流、滤波处理后，经R47、R49、R51分压后，送人双端驱动器UC3524的1引脚取样输入端，如图2-4所示。
2、电路设计
逆变输出电压经变压器取样绕组降压后，首先进行整流。
整流方式选择正极性桥式整流，整流器件采用整流二极管。
经过整流后的直流电压是脉动的，必须经过滤波处理，直流电压更加平稳。
滤波电路采用
形LC滤波电路，LC滤波电路中，滤波电感L对主流压降很小，而对交流成分而言，电感L的感抗很大，对交流成分有很大的衰减作用，使整流输出中参杂的交流成分衰减掉。
采样电路原理图如图2-5所示。
图2-5逆变输出采样电路
2.2.4负载供电自动切换电路
1、工作特性
本设计的逆变电源为后备式，所以在市电正常情况下，负载由市电供电；当市电故障时，负载则有逆变电源供电。
负载供电电源在这两种电源间的切换由逆变电源控制自动完成。
负载供电自动切
升级会员 