pwm控制的单相逆变电源系统设计LC滤波电路.docx

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pwm控制的单相逆变电源系统设计LC滤波电路

毕业设计

PWM控制的单相逆变电源系统设计

摘要

随着国民经济的高速发展和国内外能源供应的紧张，电能的开发和利用显得更为重要。

尤其是面对经济和科学技术发展的今天，一款稳定，易携带的交流电源正是我们现在方便生活重要的一种途径。

目前，国内外都在致力于发展新能源，太阳能发电，风力发电，潮汐发电等。

但是这些电能最终输出的都是不稳定的交流电，要想得到一款稳定的交流电源，逆变技术就要发挥极大的用处了。

本文设计的单相PWM逆变电源属于交流电源，采用电压反馈控制，通过调节占空比的方法来改变驱动电压脉冲宽度来调整和稳定输出电压。

其主电路构成采用的是Boost电路和全桥电路的组合。

控制电路采用的是IR2110控制，产生PWM波触发桥式电路，升压电路，输出稳定电压，本文还设计了过流保护电路，提高了系统的稳定性。

本文详细的分析了逆变电源的工作过程，并推到了重要的公式，最后对设计进行了仿真设计，验证了系统的可行性。

关键词：

逆变技术，脉冲宽度调制，场效应管，升压电路

DesignofSinglePhaseInventerPowerSystemControlledofPwm

Abstract

Withthehigh-speeddevelopingofnationaleconomyandtheshortagesupplyofworldelectricalenergysupplies,thedevelopmentandutilizationofelectricpowerismoreimportant.Especiallyinthefaceofeconomicandscientificandtechnologicaldevelopmenttoday,astable,easytocarryACpowerisimportantthatwearenowawayoflifeconvenient.Atpresent,domesticandforeignarecommittedtothedevelopmentofnewenergysources,solarpower,windpower,tidalpowergeneration.ButtheseareunstablefinaloutputpowerAC,inordertogetastableACpowerinvertertechnologywillplayasignificantuseful.

Thisdesignofsingle-phasePWMinverterpowerbelongstoACpower,voltage-feedbackcontrolmethodbyadjustingthedutycycleofthepulsewidthofthedrivevoltageischangedtoadjustandstabilizetheoutputvoltage.ThemaincircuitBoostcircuitisusedincombinationandafull-bridgecircuit.ControlcircuitusesaIR2110control,PWMwavetriggerbridgecircuit,theboostcircuit,stableoutputvoltage,thepaperalsodesignedtheovercurrentprotectioncircuittoimprovesystemstability.

Thisdetailedanalysisoftheinverter'sworkprocess,andpushedtotheimportantformula,thefinaldesignofthedesignofthesimulationtoverifythefeasibilityofthesystem.

Keywords:

invertertechnology,pulsewidthmodulation,FET,boostcircuit

第1章绪论

1.1背景

电力电子技术的发展一次经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，一些电源也就应运而生。

大功率的工业用电由工频（50Hz）交流发电机提供，但是大约20%的电能是以直流形式消费的，其中最典型的是电解（有色金属和化工原料需要直流电解）、牵引（电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等）和直流传动（轧钢、造纸等）三大领域。

大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。

当时国内曾经掀起了一股各地大办硅整流器厂的热潮，目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。

七十年代出现了世界范围的能源危机，交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。

变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。

在七十年代到八十年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管（GTR）和门极可关断晶闸管（GTO）成为当时电力电子器件的主角。

类似的应用还包括高压直流输出，静止式无功功率动态补偿等。

这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低频范围内。

进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。

将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率MOSFET的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管（IGBT）的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。

MOSFET和IGBT的相继问世，是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。

据统计，到1995年底，功率MOSFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在电力电子领域已成定论。

新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量化，机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

电力电子变换技术已渗透到生产、生活、建筑、科研、国防、交通、医疗卫生、环保、航空管理、办公自动化等各个领域。

虽然这些领域有相当一部分是直接利用市电，但更多领域却是间接使用市电，换句话说，各个领域都少不了使用电力电子变换技术。

随着电力电子技术的普及使用，由电力电子变换装置带来的电磁干扰、谐波污染及电网功率因数下降等“公害”越来越引起全社会各界普遍关注。

另外，从节约能源，走可持续发展道路考虑，太阳能、风能、潮汐、地热、燃料电池等新型能源的开发应用，也已成为高科技研究的热点。

出于环保的需要，电动车辆取代现有的燃油引擎车辆也成为工业发展的必然趋势。

随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域应用越来越广泛。

PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。

现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。

可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，从而确定了它在电力电子技术中的重要地位。

例如PWM技术在UPS技术上的应用。

UPS电源是一种具有稳压纯净化和无间断地向负载提供连续供电能力的优质交流电源，它担负着向计算机等重要设备的供电任务。

UPS电源一般采用PWM技术，这种技术在传统上采用平均值电压反馈，在线性负载条件下，显示出良好的性能。

但对非线性负载引起的冲击响应较慢，而且控制环节增多使稳定性设计产生困难。

虽然可用瞬时值电压反馈的PWM技术来解决，但此种技术仍属于周波内响应，非线性负载的冲击响应仍然很慢。

近几年利用电流模式的PWM控制技术，基本上能解决非线性负载的响应很慢的缺点，使得UPS电源性能不断提高。

为了彻底解决现有UPS电源存在的不足和适应各类用电设备的需求，数控交流稳压电源的研制将是今后的一个重要的方向。

1.2目前研究现状

现代电源技术是综合应用了电力电子、电子与电磁技术、自动控制及微处理器技术的一种多学科技术。

随着电子电源的集成化、模块化、智能化的发展，功率集成技术已模糊了整机与器件的界限。

单片电源和模块电源已取代了整机电源在一些技术中获得广泛应用，并且派生出新的供电体系，使单一的集中供电体系走向多元化。

进入80年代后，现代电源技术随着IGBT、功率MOSFET、IPM、MCT等新元器件出现，谐振变流、软开关、电路拓扑等新理论的支持，功率因数校正、并联均流、有源箝位、微机监控等技术的应用，使现代电源技术逐渐走向高频化。

高频化带来的直接好处是使电源装置空前小型化，并使电子电源进入更广泛的领域。

现代电源技术研究总趋势是交流电源以PWM为主流，不断提高网侧功率因数，实现功率因数近似为l的电源，并向大功率推进；直流电源以开关方式为主流，扩大输出电压范围和稳定的多路电压控制；进一步提高开关频率和进一步提高功率密度，提高可靠性，降低电磁干扰和增强抗干扰能力，并使电源模块朝着超薄型和微型化发展。

1.2.1UPS及交流净化电源

UPS电源是一种具有稳压纯净化和无间断地向负载提供连续供电能力的优质交流电源，它担负着向计算机等重要设备的供电任务。

随着计算机等设备的不断发展和日益推广普及，对UPS电源提出了越来越多的要求，不仅UPS要有很好的静态稳定性和很快的动态调节，还对UPS的体积和重量提出了更高的要求。

UPS电源一般采用PWM技术，这种技术在传统上采用平均值电压反馈，在线性负载条件下，显示出良好的性能。

但对非线性负载引起的冲击响应较慢，而且控制环节增多使稳定性设计产生困难。

虽然可用瞬时值电压反馈的PWM技术来解决，但此种技术仍属于周波内响应，非线性负载的冲击响应仍然很慢。

近几年利用电流模式的PWM控制技术，基本上能解决非线性负载的响应很慢的缺点，使得UPS电源性能不断提高。

为了彻底解决现有UPS电源存在的不足和适应各类用电设备的需求，数控交流稳压电源的研制将是今后的一个重要的方向。

1.2.2交流稳压电源

从交流电源的发展来看，我国到80年代前期，第一代交流电源主要是以稳压电源为主。

第一代稳压电源的功能是稳定交流输出电压和频率，这种电源主要用于市电不稳定地区。

从80年代后期，随着各种电器及电子产品中装备微处理器的品种逐渐增多，此类产品易于受到瞬间停电及电压波形变化等的影响，造成动作差错及数据丢失，从而对交流电源提出了更高的要求。

为此，在八十年代以来，一种具有可任意改变输出电压及抗瞬间断电功能，可以模拟电源线上发生的异常状态，采用线性放大器方式的第二代交流电源问世。

这种电源改用微处理器替代原来的简单的控制电路，可以在短时间内进行大量的数据处理作业。

进入九十年代以后，绝大部分的电气设备都装备了微处理器及变换电路，而且，为了在设备内部将交流输入变换为直流，都备有电容输入型整流电路，使得输入电流波形产生很大的失真。

这种线路阻抗成为导致市场电源电压波形畸变的主要原因，对于连接在同一网侧的其它用电设备带来恶劣影响。

这种电源高次谐波的影响形成了社会公害。

为了解决高次谐波问题，所采取的对策是使其它设备不再产生高次谐波。

而交流电源设备，也相应增添快速傅立叶变换等功能，强化其测试能力，并增强其智能水平。

这是第三代、第四代交流电源的发展方向。

1.2.3工业电源的发展

工业电源包括变频电源和电子焊接电源两种。

其中我国在中、小功率变频电源的研制方面取得了一定的成就，但由于受到电子元器件的限制，在大功率变频电源的研制和生产上还无法和国外发达国家相比。

现国内80％的变频电源依赖进口。

而近年来我国在电子控制的焊接电源研究方面取得了一定的成就，使得电子焊接电源从效率、节能和可控性能上都取得了满意的效果，电子焊机的体积、重量不断减小。

1.2.4直流开关电源

随着现代科技的发展，各类设备对电源的要求越来越高，老式电源已不能满足技术要求，随之而来的开关电源已取代了老式电源。

开关电源较老式直流电源具有体积小，功率密度高（单位体积输出功率）等优点。

早期直流电源一般采用所谓降压型串联控制方式，这种方式的缺点是，输出电压下降幅度越大，则功率损耗越大，这些功率损耗变成热量散发出来，需要使用较大的散热片。

为了消除这一缺点，后来采用了预调节方式。

这种方式可以将施加到串联控制元件上的电压控制在其所需的最低限度以内，从而大幅度减少串联控制元件所消耗的功率。

这种电源对减小电源的体积和提高可靠性起了很大作用。

为了进一步减小电源体积和减轻重量，提高输出的功率密度，从六十年代开始对开关电源进行研制，电路形式历经分立元件、通用集成电路到专用控制器和单片开关集成稳压器，性能价格比不断提高。

开关电源的控制方式传统上分为脉冲宽度调制（PWM）式、脉冲频率调制（PFM）式和混合调制式。

其中PWM技术最为成熟。

PWM型开关电源所使用的变换器均是在高压大电流情况下强制关断，随着电子设备工作频率的不断提高，这种变换器在开关瞬间需耗大量功率，而且，电压、电流在开关时尖峰过大，还需要在开关器件以及高频变压器两端再加上尖峰吸收电路也消耗一定的功率，为此，现在PWM型电源最佳工作频率在300kHz以下。

如何提高开关电源的工作频率、降低谐波干扰和提高效率将成为以后开关电源研究的方向。

总之，随着电子电源的集成化、模块化、智能化的发展和电力电子器件的高性能化、拓扑电路理论的创新、现代控制技术的广泛应用及其实现的手段的先进性，现代电源的设计及分析工具得以进一步完善。

今后电源技术将朝着高效率、高功率因数和高可靠性方向发展，并不断实现低谐波污染、低环境污染、低电磁干扰和小型化、轻量化。

从而为今后的绿色电源产品和设备的发展提供强有力的技术保证，这也将是现代电源发展的必然结果。

1.3论文主要研究内容

综上所述，自从80年代以来，电力电子技术取得到了飞速的发展。

然而各种电力电子设备和装置在电力系统、工业、交通、家庭中的广泛应用，会产生大量谐波。

谐波所造成的危害已日益严重，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪音，严重时设备不能正常工作。

在铁路、冶金等行业尤为明显。

在这些行业，当大功率非线性用电设备运行时，会给电网注入大量的电力谐波，导致电网电压严重失真。

根据我们的实验观察，在严重失真时，电压会出现正负半波不对称、波形严重畸变，频率也会发生变化。

这样的供电电压，即使是一般的电力用户，也难以接受；更无法用其作为检修、测试的电源同时，在这种情况下，一般普通的稳压电源也难以达到满意的稳压效果。

本文所研制的逆变电源就是针对上述场合而设计的。

其主电路的构成采用Boost电路（DC-DC）和全桥式逆变电路（DC-AC）的组合。

控制电路由IR2110芯片产生PWM对主电路进行控制。

在文章中对主电路、控制电路的工作过程及相关参数的设计给出了详细分析，并推导、给出了重要公式。

通过实验及仿真证明了该逆变电源的可行性。

第2章系统方案及基本原理

2.1系统的基本要求

本毕业设计的课题为单相PWM逆变电源的设计，其具体的课题要求如下：

（1）电源功率1kW；

（2）直流电源电压48V；

（3）电流波形尽可能接近正弦波；频率50Hz；

（4）谐波分量幅值尽可能的小；

为了实现本课题，本系统设计大体上由直流升压电路和交流逆变电路组成。

其中，直流升压电路和交流逆变电路是研究的核心。

2.2系统实现的理论基础

2.2.1采样理论

在采样控制理论中有一个重要的结论[1]：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量即指窄脉冲的面积。

这里所说的效果基本相同，指环节的输出响应波形基本相同。

如把各输出波形用傅式变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。

例如图2.1a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，图2.1a为矩形脉冲，图2.1b为三角形脉冲，图2.1c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。

脉冲越窄，其输出的差异越小。

当窄脉冲变为图2.1d的单位脉冲函数时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。

a）b）c）d）

图2.1形状不同而冲量相同的脉冲各种脉冲

上述结论是PWM控制的重要理论基础。

下面分析如何用一系列等幅而不等宽的脉冲代替一个正弦半波，把图2.2a所示的正弦半波波形分成N等份，就把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。

这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。

如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到图2.2b所示的脉冲序列。

这就是PWM波形。

可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。

根据冲量相等效果相同的原理PWM波形和正弦半波是等效的。

在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。

以上介绍的是PWM控制的基本原理，按照上述原理，在给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。

按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。

图2.2PWM控制的基本原理示意图

但是，这种计算是很繁琐的，正弦波的频率、幅值变化时，结果都要变化。

较为实用的方法是采用调制的方法，即把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。

通常采用等腰三角形作为载波，因为等腰三角形上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波形相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。

一般根据三角波载波在半个周期内方向的变化，又可以分为两种情况。

三角波载波在半个周期内的方向只在一个方向变化，所得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性PWM控制方式，如图2.3所示。

图2.3单极性PWM控制原理方式

如果三角波载波在半个周期内的方向是在正负两个方向变化的，所得到的PWM波形也是在方向变化的，这时称为双极性PWM控制方式，如图2.4所示。

图2.4双极性PWM控制原理方式

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量指窄脉冲的面积。

效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

2.2.2面积等效原理

分别将如图2.5所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2.6a所示。

其输出电流i（t）对不同窄脉冲时的响应波形如图2.6b所示[2]。

图2.5形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

从波形可以看出，在i（t）的上升段，i（t）的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。

脉冲越窄，各i（t）响应波形的差异也越小。

如果周期性地施加上述脉冲，则响应i（t）也是周期性的。

用傅里叶级数分解后将可看出，各i（t）在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

上述原理可以称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。

图2.6冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。

图2.7可以看到把半波分成N等份，就可以把正弦半波看成N个彼此相连的脉冲序列组成的波形，然后把脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使它们面积相等，就可以得到脉冲序列。

根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

图2.7用PWM波代替正弦半波

要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。

2.2.3PWM逆变电路及控制方法

目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。

逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。

PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型。

电压型逆变电路的特点[3]：

（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。

1、半桥逆变电路

电路结构如图2.8（a）所示。

V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。

uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，io波形随负载而异，感性负载时，图2.9b，V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量，VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管。

图2.8半桥逆变电路

单相半桥电压型逆变电路简单，使用器件少。

但是交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于几kW以下的小功率逆变电源。

单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。

2、全桥逆变电路

图2.9（a），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

（2.1）

基波幅值

（2.2）

基波有效值

（2.3）

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。

移相调压方式如图2.9（b）。

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2.9全桥逆变电路

3、电流型逆变电路

直流电源为电流源的逆变电路—电流型逆变电路。

一般在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似看成直流电流源。

单相电流型逆变电路：

（1）直流侧串大电感，相当于电流源。

（2）交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同。

（3）直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。

电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。

换流方式有负载换流、强迫换流[4]。

单相桥式（并联谐振式）电流型逆变电路如图2.10所示。

图2.10单相桥式（并联谐振式）电流型逆变电路

4桥臂，每桥臂晶闸管各串一个电抗器LT限制晶闸管开通时的di/dt。

1、4和2、3以1000～2500Hz的中频轮流导通，可得到中频交流电。

采用负载换相方式，要求负载电流超前于电压。

负载一般是电磁感应线圈，加热线圈内的钢料，RL串联为其等效电路。

因功率因数很低，故并联C。

C和L、R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振式逆变电路。

输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。

因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈高阻