逆变电路设计.docx

1、逆变电路设计逆变电路设计500W 50HZ逆变电路摘要现代逆变技术是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门科学。单相 逆变电源是将直流电逆变成波形为方波或正弦波的电源，可将蓄电池逆变成为正 弦或交流电，供用电器使用。该单相逆变电源通过将直流电输入半桥逆变电路， 从而逆变成方波电源，输出电压为220V,频率为50HZ。逆变电路的控制电路即门 极触发电路采用专用集成芯片UC3524。通过确定UC3524的外部电路参数RT、CT 的值，可设定芯片输出脉冲的频率。脉冲通过驱动放大电路进行放大，控制晶闸 管导通进而控制逆变电源的输出频率。晶闸管导通频率为脉冲输出频率的l/2o本 电路设计简单，由UC

2、3524集成芯片模块、驱动放大模块、逆变主电路模块、变压 器模块、过电压过电流保护模块等部分组成。关键词：逆变，蓄电池，晶闸管，驱动，UC3524,方波洛阳理工学院毕业设计（论文）500W50HZ Inverter CircuitABSTRACTModern inverter technology is the study of modern inverter circuit design theory and application of a scientific method. Single-phase inverter power supply is DC reverse into a

3、square wave or sine wave power; the battery can be sinusoidal or AC inverter for use with electrical appliances. The single-phase inverter power supply via the DC input half-bridge inverter circuit to a square wave Inverter power supply, the output voltage is 220V, frequency 50HZ. Inverter circuit,

4、control circuit that gate trigger circuit using specific integrated chip UC3524. By determining parameters of an external circuit UC3524 Rt, Ct values of the output pulse can be set to the frequency of the chip. Pulse is amplified by the drive amplifier circuit, and then control thyristor controlled

5、 inverter output frequency. Thyristor frequency of the pulse output frequency of 1/2. The circuit design is simple integrated by the UC3524 chip module，driver amplifier module, inverter main circuit module, transformer module overvoltage and overcurrent protection modules and other components.KEYWOR

6、DS： inverter, battery, thyristor, drive, UC3524, square-wave前言 1第1章逆变功率器件的选择 311逆变器用功率开关器件 312器件的选择 4121 IGBT的结构和特点 4222 IGBT的基本特性 5123 IGBT的擎住效应和安全工作区 81.2.4 IGBT驱动电路的要求 9第2章 控制及驱动电路分析 1021逆变电路组成介绍 102.2 UC3524具体分析 1123驱动放大电路 13第3章主电路设计 1731 推挽式电路32变压器的选择 321变压器的结构对变压器性能的影响 19第四章保护电路设计41限压保护电路 2342

7、限流保护电路 2442取样电路 27第5章 电路主要参数计算 29总结 3032参考文献 31致谢前言电源设备广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施及人民生活等各 个方面，是电子设备和机电设备的基础，它与国民经济各个部门相关，在 工农业生产中应用得最为广泛。在电能传输过程中，在供电电源和负载之 间对电能进行变换或稳定处理，一般称这种电源为二次电源（即对己有的电 源进行控制）。二次电源在电力应用领域起着很重要的作用。二次电源，就 是把输入电源（由电网、蓄电池或燃油发电机供电等）变换成在电压、电流、 频率、波形及在稳定性、可靠性（含电磁兼容、绝缘散热、不间断供电）等方 面符合要求的电能供给负载，这

8、是目前应用最广泛的电源技术领域，主要 研究如何利用电子技术对电功率进行变换及控制，它广泛运用电磁技术、 电子技术、计算机技术和材料技术等学科理论，具有较强的综合性。在二 次电源中，逆变电路是主要、核心的组成部分。现代逆变技术是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门科 学。这门科学是建立在工业电子技术、半导体器件技术、电力电子技术、 现代控制技术、半导体变流技术、脉宽调制技术、磁性材料等学科基础上 的一门科学技术。现代逆变技术主要包括三个部分：半导体功率集成器件 及其应用、功率变换电路、逆变控制技术。逆变的目的就是为了获得不同 的稳定的或变化的电能。随着电力电子技术的发展和各行各业对电气设备

9、性能的要求的提高， 逆变技术在很多领域得到广泛的应用，其中主要包括交流电动机的调速， 电动机制动再生能量回馈，不间断电源系统，感应加热，弧焊电源，通信 开关电源，变频电源，新能源发电，直流输电，磁悬浮列车通用型直流电 源变频器等多个方面。单相逆变电源是将直流电逆变成波形为方波或正弦波的电源，可将蓄 电池逆变成为正弦或交流电，供用电器使用，也可作为计算机的UPS电源。该单相逆变电源通过将直流电输入半桥逆变电路，从而逆变成方波电 源，输出电压为220V,频率为50HZ。逆变电路的控制电路即门极触发电路 采用专用集成芯片UC3524o本电路通过对输出电路进行采样，将采样信号 反馈给触发电路芯片UC3

10、524,通过改变UC3524的输出脉冲宽度及占空比，洛阳理工学院毕业设计（论文）从而达到稳定输出电压的目的。本文所介绍的逆变电源电路主要采用集成化芯片，使得电路结构简单、 性能稳定、成本较低。因此,这种电路是一种控制简单、可靠性较高、性能 较好的电路。通过把12V的蓄电池电源转换为工频使用电源，用于内部的 电器，是一种简单，廉价的方式。主电路设计中采用了简单的逆变电路， 过压过流保护电路，以及专用的集成芯片，经济性能良好，使用方便。就 本系统的性能稳定性而言，由于电路设计简单，可防止外界对输出的干扰, 输出稳定，价格优良，是一款性价比很高的系统。第1章逆变功率器件的选择1.1逆变器用功率开关器

11、件下面介绍当前主要功率开关器件的特性及其应用情况。（1） 晶闸管：这是最早应用的一种功率开关器件，其特点是功率最大， 应用最广。普通型SCR的电压高达6000V,电流达数千安培，自身正向压 降约为15V,开通仅需要在控制级上加一个小触发脉冲即可，但关断时必 须用电感、电容和辅助开关器件组成的强迫换向电路。其工作频率不大于 400HZo由于其工作频率低，关断电路复杂，效率低，功耗大，因此在PWM 调制中产生的正弦波不够完善，并且噪声大。目前，逆变器中已经基本不 再用SCR作为功率开关器件，SCR主要用做UPS的静态开关。（2） 功率场效应管（MOSFET）：功率MOSFET是一种全控型三端开 关

12、器件。其特点是开关速度快，安全工作区宽，热稳定性好，线性控制能 力强，采用电压控制，易于实现数控，因此常常作为开关器件实现电量的 逆转换。MOSFET的缺点是输入阻抗高，抗静电干扰能力差，承载能力和 工作电压比较低，多用于电压为500V以下的低功率高频开关逆变器。由于 受功率的限制，因此它只适用于小功率逆变器。（3） BJT （功率GTR）晶体管：BJT直到1985年实现达林顿模块后 才达到300A. 1000V和增益100的水平。大功率晶体管开关时间为15 p S, 自身电压降为15V。若采用多重达林顿晶体管提高增益，则开关时间增长, 自身电压降会增大。由于其开通状态必须饱和，因此电流增益很

13、低，往往 要求驱动电路输出很大的电流，是功率消耗增大，在20世纪80年代中期， 它曾用于中小功率逆变器中，现在已经基本不使用了。（4） 绝缘栅双极晶体管（IGBT） : IGBT是一种新发展起来的复合型 功率开关器件，它既有单极型电压驱动的MOSOFT的优点，又结合了双极 型开关器件BJT耐高压，电流大的优点。其开关速度显然比功率MOSFET 低，但远高于BJT,又因为它是电压控制器件，故控制电路简单、稳定性 好。IGBT的最高电压为1200V,最大电流为1000A,工作频率高达 lOOOVTHZo它具有电压控制和开关时间（约为300ns）极短的优点，其正 向压降约为3V。洛阳理工学院毕业设计

14、(论文)在现代的UPS中IGBT普遍被用作逆变器或整流器开关器件。它是全 控型开关器件，通过数控技术控制IGBT的通断，能有效地将输入电压与 输入电流保持同步，是功率因数等于1,从而减小了 UPS整流器对市电电 源的干扰。1.2器件的选择通过对各种功率器件的分析，对于本次220V, 50HZ逆变电源设计将选 用IGBT场效应晶体管作为逆变器用功率开关器件。下面就对绝缘栅双极晶 体管(IGBT)做详细的介绍。绝缘栅极双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 是功率MOSFET和双极型功率晶体管组合在一起的符合功率器件。它既具有 MOSOFT管

15、的通/断速度快、输入阻抗高、驱动功率小和驱动电路简单等优点， 又具有大功率双极晶体管的容量大和阻断电压高的优点。从IGBT问世以来 得到了广泛的应用，发展很快。特别是在开关和逆变电路中，它是被广泛 应用的、理想的开关器件。1.2.1 IGBT的结构和特点1-1 IGBT 晶闸管洛阳理工学院毕业设计(论文)IGBT的内部结构、等效电路和电气符号如图1-1所示。图1-1 (a)为 IGBT的内部结构，与MOSFET比较，IGBT是在MOSFET的漏极下又增加了一 个P*区，多了一个PN结(了)。IGBT等效电路图如图1-1 (b)所示。它是 由MOSFET和双极型功率晶体管复合而成的。IGBT的电

16、气符号如图1-1 (c) 所示。IGBT具有正反向阻断电压高、通态电压大及通过电压来控制其导通或 关断等特点。同时，由于采用MOS栅，其控制电路的功耗小，导通和关断 时的静态功耗也很小，只是在状态转换过程中存在一定的动态损耗。这种 动态损耗也可以通过软开关即使其达到最小。由于IGBT具有这些特点， 才使其被广泛地作为功率开关期间用于开关和逆变电路中。2.2.2 IGBT的基本特性IGBT的基本特性分为静态特性、动态特性和高温特性三个部分。IGBT的静态特性主 要包括输出伏安特性、转 移特性和静态开关特性。(1)输出伏安特性IGBT的输出伏安特性曲 线如图12所示。它是表示 以栅极发射极间电压业

17、 为变量的集电极电流乙和 集电极发射极间电压UGE伏安特性曲线IBGT的输出伏安特性曲线分为四个区域：1)1区为截止区。在此区域内，由于UGE很小，随着“GE的增加7c很 小，且变化不大。此时，7c基本上是C、E间的漏电流/CEO。2)II区为线性放大区。在此区域内，随着Uge的增加，当Ug& Uge(IGBT的开启电压)时，比开始增加，并且随着Uge的变化成线性关洛阳理工学院毕业设计(论文)系:Ic= 8 mU GE(1-1)式中，g”,为IGBT的跨导。当IGBT用于逆变电路的开关状态时，要求尽快越过这个区域，以便减小 通态损耗。因此，帥这个参数在实际应用中显得不是很重要了。3)ID区为饱

18、和区。在此区域内，当Uge为某一定值时，随着Uge的增 加，/C基本保持不变，达到饱和。北达到饱和后的集电极发射极电压成为 IGBT饱和电压，记为Uce g, 一般情况下，Ucew=24V。4)IV区为击穿区。当Uge为某个确定值时，增加并达到u(BR)CEO 后，7c会突然增大，发生电压击穿。此时的u (BR) CEO称为IGBT的击穿电 压。IGBT绝对不能用在此区域内。(2)转移特性IGBT的转移特性曲线如图13所示。它表示在Uge不变的情况下，Ic 与Uge的关系曲线。在”GE很小时Zc=/cEOo随着UgE的增加，在UgE= GE “小且继续增加时，7c呈线性增加而进入放大区。我们把

19、从截止区转移到 线性放大区的转移点UGE g称为北77?的栅极开启电压。一般情况下，Uge ah) =3-5 Vo图1-3 IGBT的转移特性曲线 图1-4洛阳理工学院毕业设计（论文）IGBT的静态开关特性曲线如图14所示。IGBT的静态开关特性实际 上时表示IGBT瞬间从导通（关断）状态转换成关断（导通）的情况，即 瞬间越过线性放大区的特性曲线。前面讲述的静态特性，只表明了 IGBT从一个稳态变换到另一个稳态 的特性，从而没有涉及状态变换的过程。IGBT状态变换过程的特性为其动 态特性。IGBT的动态特性与其负载有关。因为IGBT用于逆变电路时的负载多 半时感性负载。IGBT的负载为感性时的

20、动态特性曲线如图15所示。（1）导通特性1-5 IGBT的负载为感性时的动态曲线一般情况下，IGBT的栅极加有一个负偏压以保证IGBT可靠地处于关洛阳理工学院毕业设计（论文）断状态。当栅极电压Uge由这个负偏压开始往正方向变化时，由于栅极电 容有个充电过程，在经过一段时间后，Uge达到栅极开启电压UGE（tll）, IGBT 的集电极电流N才有漏电流比。开始增加。这段时间称为导通延迟时间tdo 再经过一段时间站后，比达到比m二几（Il为流经感性负载的电流）。切称为 电流上升时间。此时，Uge开始下降，在切时间内下降到饱和电压Uge。 切称为电压下降时间。IGBT的导通时间如为匚、仁、匚之和，即

21、5也+匚+ G 仏2）（2）关断特性在IGBT处于导通状态时，栅极电容上充有正电压Uge,当Uge向负方 向变化时，由于栅极电容有个放电过程，在经过一段时间后，Uge减小到栅 极开启电压UgeU）,集电极电流开始下降。这段时间称为存储时间心心过 后7c开始从“仟/c下降，由于感性负载的山7力的作用，Uge在上升过程中 会产生电压过冲Ucp,这段时间称为电压上升时间切。在荷过后，7c继续 下降，最后达到Iceo,这段时间称为电流下降时间6/o IGBT的关断时间toff 为3如、切之和，即（M）IGBT具有优良的高温通态特性，在环境温度（散热片温度）达到200C 左右时，仍能正常工作。特别值得一

22、提的时，随着温度的增高，IGBT的整 个压降反而略有下降，并且还可以在某个特定的通态电流下，随着温度的 变化，其通态正向压降保持基本不变。当通态电流高于此值时，随着温度 的增高，其正向压降略有增加。但实际应用中，还是应该注意器件的散热 问题，以避免器件工作在高温环境中。1.2.3 IGBT的擎住效应和安全工作区IGBT在正常工作时，集电极电流7c基本上受Ucm控制，但当集电极 电流人超过某一缓大值人丁,之后，栅极电压Uce将失去控制作用。这是IGBT 的一种特殊现象，叫做擎住效应出现这种情况时人很大，导致器件损坏。 由于IGBT关断过程中还会出现所谓动态擎住效应，这时允许的7ce值比静 态擎住

23、时的值更小。因此器件给出的7cm通常按动态擎住效应来规定。IGBT经常用于开关工作状态，因此，它的安全工作区分为正向偏置安洛阳理工学院毕业设计(论文)全工作区和反向偏置安全工作区。正偏安全工作区FBSOA是指栅一射极间加正偏压时的安全工作区，对 应IGBT的导通状态。如图17所示，除比册和集一射极最大允许电压Ucem 边界外，另一边界对应于允许的功耗。因功耗与器件的导通时间密切相关， 从图中可以看出，IGBT的FBSOA也随导通时间增加而减小。反偏安全工作区RBSOA是指栅一射极间加反偏压时的安全工作区，对 应IGBT的关断状态.与FBSOA相比，三条边界中，bw和相同，但另 一条边界为器件关

24、断后集一射极间重加正向电压的上升率。1.2.4 IGBT驱动电路的要求(1)加在IGBT栅极G和射极E之间，用来开通和关断IGBT的栅极驱 动电压Uge的正、负脉冲，应以足够陡的上升沿和下降沿，使IGBT开关 时间短，开关损耗小。(2)由驱动电路提供的驱动电压Uge和驱动电流要有足够的幅值，使 IGBT总处于饱和导通状态。Uge的幅值要综合考虑减小IGBT通态损耗和 提高其短路电流耐受能力这两方面的要求来选取。本系统中为+15V。(3)在关断过程中，为尽快抽出IGBT内部PNP管中的存储电荷，应施 加负偏压Uge,其值受G, E极间最大反向耐压的限制，在本系统中为5V。(4)IGBT内部存在寄

25、生晶闸管，当集电极电流Ic过大或IGBT关断过 程中dUcE/dt太高时，都可能使寄生晶闸管误导通，形成静态和动态擎住效 应，使IGBT失控。故应注意限制IGBT集电极电流的最大值编，本系统 栅极外加串联电阻愍，以延长其关断时间，减小dUcE/dt的值。(5)由于IGBT在电力电子设备中多用于高电压，所以驱动电路应与控 制电路在电位上严格隔离本系统中，采用了 TLP521光耦进行隔离。(6)IGBT的栅极驱动电路应尽量简单实用和可靠，自身最好带有对 IGBT的保护功能，并有较强的抗干扰性。驱动电路与IGBT的连线要尽量 短，并釆用绞线或同轴电缆线。本次设计采用的是富士公司的EXB系列(EXB8

26、40)直接驱动 IGBT。洛阳理工学院毕业设计（论文）第2章控制及驱动电路分析2逆变电路组成介绍电路的原理图如下图2-1所示:图逆变电路系统原理图12V的直流电源经逆变电路你变成电压较小的频率为50HZ的电能，经 变压器变压后升为稍大于220V的电压，由于此时的电能中含有大量的谐波, 故需经LC滤波器滤波，此时电路的输出为220V, 50HZ的电能。由于电路 本身或外界的干扰：如温度、干扰信号的影响，输出可能会偏离规定值， 电路通过采样，将釆样电压信号反馈给脉冲输出电路即门极控制电路芯片 UC3524的相应引脚，引起脉冲输出占空比的变化，通过控制晶闸管的导通 时间，从而调节电压的输出。如果输出

27、电压变大，采样电压信号及输入 UC3524相关引脚的电流相应变大，UC3524输出的脉冲占空比就会减小，晶 闸管在一个周期内的开通时间就会减小，从而逆变电路输出电压减小，这 样，电路输出电压就会向220V回归。洛阳理工学院毕业设计（论文）为了电路工作的安全，本电路设计有过电压、过电流保护和欠电压保 护。当电路出现过电压或过电流时，采样信号相应增大，采样电路将信号 送给UC3524, UC3524可减小脉冲输出占空比的变化或直接将芯片关断，待 人工检査及修复后重新启动工作。当电源供电不足且经过反馈调节后输出 仍不能满足需要时，就会出现输出电压过低的情况，此时欠压保护电路工 作并发出报警，待人工检

28、査电路或更换电池后电路重新启动工作路。本电路设计简单，由UC3524集成芯片模块、驱动放大模块、逆变主电 路模块、变压器模块、过电压过电流保护模块等部分组成。以下针对这些 模块做详细介绍。2.2 UC3524具体分析2.2.1 UC3524驱动控制集成电路UC3524是双端驱动集成电路，由于其性能优良，在逆变电路中得到广 泛的应用，无论是低压变换电路还是大功率开关电源，都可由其组成可靠 性较高的电路。该系列的双端输出驱动器的内部电路如图2-2所示。UC3524内部振荡器的周期T=RrCT,电容 的取值范围为lOOOpF0. 1 n F,电阻RT的取值为1.8100KQ ,其最高振荡频率为300

29、YTHZ。UC3524 内部设有驱动脉冲电路，通过控制PWM比较器的输出，使集成电路处于关 闭状态，无驱动脉冲输出，。UC3524的两组驱动输出级也采用集电极、发射 极开路输出的NPN型双极型三极管，以便用于单端或推挽电路的驱动，两 路输出脉冲，每路输出最大脉宽为45%。驱动推挽电路时，次级电路得到两 组正向脉冲分别使内部两组放大管轮流导通，其最大脉宽为90%。因为两组 驱动输出极性相同，只是在时间轴上出现的序列不同，所以可以将两驱动 输出脉宽并联，将输出最大脉宽90%的单端驱动脉冲，用于单端变换器。分 成两路输出，振荡频率为开关频率的两倍；单端并联运用时，开关频率等 于振荡频率。电源中UC3

30、524的各脚功能及外围元件作用如下：1脚：内部误差检测放大器A的差分放大器反相输入端。可通过外部取 样电压对其进行供电。2脚：误差放大器A的正相输入端，可将16脚输出的内部基准电压经洛阳理工学院毕业设计（论文）分压作为误差检测的基准电压。当1脚取样电压升高时，差分放大器输出 电压降低，送至脉宽调制器B,使输出脉冲占空比减小。差分放大器的输出 电压与输出脉冲占空比有近似的线性关系，输出电压为3.5V时，脉冲占图2-2 UC3524内部电路结构空比为45%；输出电压降为1.5V时，脉冲占空比降为10%；输出电压为IV 时，脉冲占空比为零，无驱动脉冲输出。1、2脚间的共模输入电压在1.8 3.4V范

31、围内。3脚：内部振荡器锯齿波输出端，如果不用显示内部波形，此引脚可以 悬置不用。4、5脚：分别为开关电流限制放大器的+、-取样输入端。开关电流可 通过外接电流取样电阻，变成与电流成正比的取样电压，输入4、5中的任 意引脚，当取样电压升到200mV时，输出脉冲占空比降低为最大占空比的 25%；取样电压升到210mV时，占空比变为零，驱动脉冲被关断。4、5引 脚共模输入电压在-0. 7+1V范围内。洛阳理工学院毕业设计(论文)6脚：外接定时电阻，设定Rt的充电电流也即控制心的充电时间。7脚：外接定时电容。G的值和Rt共同决定振荡周期：T=Rt (KQ) CT (PF)o8脚：接地端。9脚：误差放大

32、器的输出端，用以接入电容与电阻组成的相位校正电路， 以稳定误差放大电路的工作状态，防止高频自激。10脚：PWM脉冲输出控制端，当此输入IV以上的高电平时，将误差放 大器输出端(即PWM比较器B的输入端)电平钳位于0.3V,使输出脉冲占 空比为零，驱动脉冲被关断。此高平关断特点既可用于电源0FF/0N人为控 制，也可用于过电压保护等电路。11、 14脚：内部两路驱动级NPN双极型三极管的发射极引出端。可直 接给晶闸管门极供电，来触发晶闸管的导通；若晶闸管所需导通电流太大， 可接一级NPN型三极管构成达林顿结构，形成较大的触发电流，增强其触 发能力。12、 13脚：内部两路驱动级NPN双极型三极管的集电极引出端。通过 大电阻将其与外接电源相连，使其反偏，即可在射极输出脉