單相正弦脈寬調(diào)制逆變器的設(shè)計(jì)

摘要：論述了單相正弦波逆變器的工作原理，介紹了SG3524的功能及產(chǎn)生SPWM波的方法，對(duì)逆變器的控制及保護(hù)電路作了詳細(xì)的介紹，給出了輸出電壓波形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：逆變器；正弦波脈寬調(diào)制；場效應(yīng)管

0    引言

    當(dāng)鐵路、冶金等行業(yè)的一些大功率非線性用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，將給電網(wǎng)注入大量的諧波，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變。根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)觀察，在發(fā)生嚴(yán)重畸變時(shí)，電壓會(huì)出現(xiàn)正負(fù)半波不對(duì)稱，頻率也會(huì)發(fā)生變化。這樣的供電電壓波形，即使是一般的電力用戶，也難以接受，更無法用其作為檢修、測(cè)試的電源。同時(shí)，在這種情況下，一般的穩(wěn)壓電源也難以達(dá)到滿意的穩(wěn)壓效果。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了該逆變電源。其控制電路采用了2片集成脈寬調(diào)制電路芯片SG3524，一片用來產(chǎn)生PWM波，另一片與正弦函數(shù)發(fā)生芯片ICL8038做適當(dāng)?shù)倪B接來產(chǎn)生SPWM波。集成芯片比分立元器件控制電路具有更簡單、更可靠的特點(diǎn)和易于調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)。

1    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及框圖

    圖1示出了系統(tǒng)主電路和控制電路框圖。交流輸入電壓經(jīng)過共模抑制環(huán)節(jié)后，再經(jīng)工頻變壓器降壓，然后整流得到一個(gè)直流電壓，此電壓經(jīng)過Boost電路進(jìn)行升壓，在直流環(huán)上得到一個(gè)符合要求的直流電壓350V（50Hz/220V交流輸出時(shí)）。DC/AC變換采用全橋變換電路。為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行,防止主電路對(duì)控制電路的干擾，采用主、控電路完全隔離的方法，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)用光耦隔離，反饋信號(hào)用變壓器隔離，輔助電源用變壓器隔離。過流保護(hù)電路采用電流互感器作為電流檢測(cè)元件，其具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠在MOS管允許的過流時(shí)間內(nèi)將其關(guān)斷。

圖1    系統(tǒng)主電路和控制電路框圖

2    控制及保護(hù)電路

    為了降低成本，使用兩塊集成PWM脈沖產(chǎn)生芯片SG3524和一塊函數(shù)芯片ICL8038，使得控制電路簡潔，易于調(diào)試。

2.1    SG3524的功能及引腳

    圖2所示為SG3524的結(jié)構(gòu)框圖和引腳圖。

(a)    SG3524引腳說明

(b)    SG3524內(nèi)部框圖

圖2    SG3524引腳及內(nèi)部框圖

    SG3524工作過程是這樣的：

    直流電源V_s從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的＋5V基準(zhǔn)電壓。＋5V再送到內(nèi)部（或外部）電路的其他元器件作為電源。

    振蕩器腳7須外接電容C_T，腳6須外接電阻R_T。振蕩器頻率f由外接電阻R_T和電容C_T決定，f=1.18/R_TC_T。本設(shè)計(jì)將Boost電路的開關(guān)頻率定為10kHz，取C_T=0.22μF，R_T=5kΩ；逆變橋開關(guān)頻率定為5kHz，取C_T=0.22μF，R_T=10kΩ。振蕩器的輸出分為兩路，一路以時(shí)鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相端，比較器的反向端接誤差放大器的輸出。

    誤差放大器實(shí)際上是個(gè)差分放大器，腳1為其反向輸入端；腳2為其同相輸入端。通常，一個(gè)輸入端連到腳16的基準(zhǔn)電壓的分壓電阻上（應(yīng)取得2.5V的電壓），另一個(gè)輸入端接控制反饋信號(hào)電壓。本系統(tǒng)電路圖中，在DC/DC變換部分，SG3524-1芯片的腳1接控制反饋信號(hào)電壓，腳2接在基準(zhǔn)電壓的分壓電阻上。誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進(jìn)行比較，從而在比較器的輸出端出現(xiàn)一個(gè)隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個(gè)輸入端?；蚍情T的另兩個(gè)輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端互補(bǔ)，交替輸出高低電平，其作用是將PWM脈沖交替送至兩個(gè)三極管V₁及V₂的基極，鋸齒波的作用是加入了死區(qū)時(shí)間，保證V₁及V₂兩個(gè)三極管不可能同時(shí)導(dǎo)通。最后，晶體管V₁及V₂分別輸出脈沖寬度調(diào)制波，兩者相位相差180°。當(dāng)V₁及V₂并聯(lián)應(yīng)用時(shí)，其輸出脈沖的占空比為0％～90％；當(dāng)V₁及V₂分開使用時(shí)，輸出脈沖的占空比為0％～45％，脈沖頻率為振蕩器頻率的1/2，在本系統(tǒng)電路圖（圖1）中，兩塊SG3524都為并聯(lián)使用。當(dāng)腳10加高電平時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖的封鎖，進(jìn)行過流保護(hù)。

2.2    利用SG3524生成SPWM信號(hào)

    按照上述SG3524的工作原理，要得到SPWM波，必須得有一個(gè)幅值在1～3.5V，按正弦規(guī)律變化的饅頭波，將它加到SG3524-2內(nèi)部，并與鋸齒波比較，就可得到正弦脈寬調(diào)制波。我們?cè)O(shè)計(jì)的控制電路框圖，以及實(shí)際電路各點(diǎn)的波形，如圖3所示。

(a)    控制電路框圖

(b)    各點(diǎn)波形 [!--empirenews.page--]圖3    控制電路框圖及各點(diǎn)波形

    正弦波電壓u_a由函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生。ICL8038引腳和具體的接法如圖4所示。正弦波的頻率由R₁，R₂和C來決定，f=，為了調(diào)試方便，我們將R₁及R₂都用可調(diào)電阻，R₂和R是用來調(diào)整正弦波失真度用的。在實(shí)驗(yàn)中我們測(cè)得當(dāng)f=50Hz時(shí)，R₁＋R₂=9.7kΩ，其中C=0.22μF。正弦波信號(hào)產(chǎn)生后，一路經(jīng)過精密全波整流，得到饅頭波u_c，另一路經(jīng)過比較器得到與正弦波同頻率，同相位的方波u_b。u_c與1V基準(zhǔn)經(jīng)過加法器后得到u_d，u_d輸入到SG3524-2的腳1，腳2與腳9相連，這樣u_d和鋸齒波將在SG3524-2內(nèi)部的比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生SPWM波u_e。分相電路用一塊二輸入與門74LS08和一塊單輸入非門74LS05所組成。u_b和u_e加到分相電路后就可以得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)u_f和u_g，再將u_f和u_g加到MOS管驅(qū)動(dòng)電路的光耦原邊，就可以實(shí)現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制。

圖4    ICL8038用于正弦波信號(hào)發(fā)生

2.3    驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

    設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，它由驅(qū)動(dòng)脈沖放大和5V基準(zhǔn)兩部分組成。脈沖放大包括光耦V_o1，R₁和R₂，中間級(jí)的V_T1，推挽輸出電路V_T2和V_T3，對(duì)高頻干擾信號(hào)進(jìn)行濾波的C₁；5V基準(zhǔn)部分包括R₄，V_Z1和C₂，它既為MOS管提供－5V的偏置電壓，又為輸入光耦提供副邊電源。其工作原理是：

    1）當(dāng)光耦原邊有控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過時(shí)，光耦導(dǎo)通，使V_T1基極電位迅速下降，V_T1截止，導(dǎo)致V_T2導(dǎo)通，V_T3截止，電源通過V_T2，柵極電阻R₅，使MOS管導(dǎo)通；

    2）當(dāng)光耦原邊無控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過時(shí)，光耦不導(dǎo)通，使V_T1基極電位上升，V_T1導(dǎo)通，導(dǎo)致V_T3導(dǎo)通，V_T2截止，MOS管柵極電荷通過V_T3，柵極電阻R₅迅速放電，－5V偏置電壓使之可靠地關(guān)斷；

    3）電阻R₅和穩(wěn)壓管V_Z2，V_Z3用以保護(hù)MOS管柵極不被過高的正、反向電壓所損壞；

    4）光耦V_o1采用組合光敏管型光耦6N136，具有光敏二極管響應(yīng)速度快，線性特性好，電流傳輸大的優(yōu)點(diǎn)，能滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

圖5    MOS管驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.4    過流保護(hù)電路

    過流保護(hù)是利用SG3524的腳10加高電平封鎖脈沖輸出的功能。當(dāng)腳10為高電平時(shí)，SG3524的腳11及腳14上輸出的脈寬調(diào)制脈沖就會(huì)立即消失而成為零。過流信號(hào)取自電流互感器（對(duì)SG3524-1芯片串接在工頻變壓器的副邊，對(duì)SG3524-2芯片串接在濾波電路前），經(jīng)整流后得到電流信號(hào)加至如圖6所示過流保護(hù)電路上。過流信號(hào)加至電壓比較器LM339的同相端。當(dāng)過流信號(hào)使同相端電平比反相端參考電平高時(shí)，比較器將輸出高電平，則二極管D₂將從原來的反向偏置狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎驅(qū)?，并把同相端電位提升為高電平，這一變化將使得電壓比較器一直穩(wěn)定輸出高電平封鎖脈沖，則Boost電路停止工作，在正常狀態(tài)下，比較器輸出零電平，不影響B(tài)oost電路工作。

圖6    過流保護(hù)電路

2.5    反饋調(diào)壓電路

    反饋調(diào)壓電路圖如圖7所示。當(dāng)逆變器正常工作時(shí)，逆變器的輸出信號(hào)接反饋?zhàn)儔浩?，其二次電壓?jīng)整流，濾波，分壓得到反饋電壓u_o，顯然，u_o的大小正比于逆變器的輸出電壓。調(diào)節(jié)W₁可調(diào)節(jié)負(fù)反饋電壓的大小，從而調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值。u_o控制信號(hào)被送到SG3524-1芯片的誤差放大器的反相端腳1。誤差放大器的同相端腳2接參考電平。這樣，SG3524的輸出脈沖的占空比就受到反饋信號(hào)的控制。調(diào)節(jié)過程是這樣的，當(dāng)逆變器輸出因突加負(fù)載而降低時(shí)，它會(huì)使加在SG3524-1的腳1的輸入反饋電壓下降，這會(huì)導(dǎo)致SG3524-1輸出脈沖占空比增加，從而使得Boost電路輸出電壓升高，逆變橋的直流電壓升高，逆變器輸出交流電壓升高。反之亦然。可見，正是通過SG3524-1的脈寬調(diào)制組件的控制作用，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)逆變器的輸出自動(dòng)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)功能。

圖7    反饋調(diào)壓電路

3    逆變器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    按本設(shè)計(jì)的SPWM逆變器方案試制了樣機(jī)，其額定輸出功率為300W，濾波器參數(shù)取L=0.7mH，C=5μF，濾波效果較好，樣機(jī)的輸出電壓如圖8所示。從直觀看，電壓波形正弦度較好（因條件所限，尚未測(cè)試THD）。用此樣機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行，效果較好。實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的系統(tǒng)方案是切實(shí)可行的，可以用在鐵路、冶金等大功率非線性用電設(shè)備附近，作為對(duì)電網(wǎng)輸入電壓要求較高的一類負(fù)載（如檢修、測(cè)試設(shè)備）的電源。另外，為了滿足客戶的要求，本電路還可以提供60Hz/110V的正弦電源。

圖8    輸出電壓波形