基于SG3525的單相橋式逆變器的設(shè)計(jì)與仿真

逆變器是指通過(guò)半導(dǎo)體功率器件(如GTR、MOSFET和IGBT等)的導(dǎo)通與關(guān)斷，將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，是整流器的反向變換裝置。

1.逆變電路的工作原理

逆變器通過(guò)開(kāi)關(guān)器件的有序?qū)ㄅc關(guān)斷將直流變換為交流方波。當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上時(shí)，即交流電接有電源，稱為有源逆變;當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載連接時(shí)，稱為無(wú)源逆變。逆變器在工作過(guò)程中電流不斷從一個(gè)支路流向另一個(gè)支路，這就是換流。換流方式在逆變電路中占有突出的地位。MOSFET屬于全控型器件，可利用其自關(guān)斷能力進(jìn)行換流單相(器件換流)。

圖l中Ql～Q4是典型的橋式電路。當(dāng)Ql、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3關(guān)斷時(shí)，電流從Ql流向Q4，負(fù)載電壓為正;同理，當(dāng)Ql、Q4關(guān)斷，Q2、Q3導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓為負(fù)，這樣就將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，改變兩個(gè)臂導(dǎo)通的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率，這就是逆變電路最基本的工作原理。當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，負(fù)載電流和電壓的波形相同，相位也相同;當(dāng)負(fù)載為電感時(shí)，電流相位滯后于電壓，兩者波形也不相同。

圖1 全橋逆變電路

2.逆變器的分類(lèi)

(1)單相全橋逆變器

全橋是指內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)形式，其中由各含2個(gè)功率晶體管的橋臂連接成正方形組成全橋，4個(gè)晶體管輪流工作于正弦波的各個(gè)波段，兩組開(kāi)關(guān)的中性點(diǎn)構(gòu)成輸出端，相當(dāng)于取兩個(gè)半橋的電壓差，因此可以得到正負(fù)雙向的交流輸出。全橋逆變器可以不依賴外加器件，僅使用單電壓源輸出雙端的完全交流信號(hào)。單相全橋逆變電路及其電壓電流波形如圖2所示。

圖2 單相全橋逆變電路及其電壓電流波形

(2)三相橋式逆變器

三相橋式逆變器由3個(gè)橋臂和6個(gè)功率晶體管組成，逆變器的輸出分別位于三組開(kāi)關(guān)的中性點(diǎn)，取兩兩之間的電壓差就可以得到三相電所需的3個(gè)相電壓?？刂迫M功率晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷順序，三相橋式逆變器即可以輸出幅值相等、頻率相等的三相電信號(hào)。三相橋式逆變電路如圖3所示。

圖3 電壓型三相橋式逆變電路

3.逆變器的輸出電壓計(jì)算

式中，Uolm，為基波的幅值;Uol為基波的有效值。主電路的選擇和設(shè)計(jì)

本樣機(jī)的設(shè)計(jì)采用單相全橋結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：輸入直流電壓為48V;輸出功率為1kW;輸出電壓為單相交流220V。

4.單相逆變器的系統(tǒng)原理圖

單相逆變器硬件回路由主電路、控制電路和驅(qū)動(dòng)電路3部分組成。其中主電路采用典型的交一直交變換電路;控制回路以集成PWM控制器SG3525為核心;驅(qū)動(dòng)電路由驅(qū)動(dòng)芯片1R2110及外圍構(gòu)成。單相逆變器的系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 單相逆變器的系統(tǒng)原理

(1)逆變主電路

逆變器的核心是逆變開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷完成逆變功能。本文設(shè)計(jì)的直流48V輸入、220V輸出的逆變電源由以下幾部分組成。

1)降壓電路。為了得到直流48V電源，需要在整流電路前加變壓器將交流220V變?yōu)榻涣麟娫?0V，由于降壓電路簡(jiǎn)單在此不作詳述。

2)整流電路。其電路如圖5所示。

圖5 整流電路

系統(tǒng)的工作原理如下：當(dāng)交流電壓處于正向電壓時(shí)，二極管VD，、VD4導(dǎo)通，電流從二極管VD.、VD4流過(guò)，通過(guò)負(fù)載電阻對(duì)電容Cl.C2充電;當(dāng)交流電壓處r負(fù)半周期時(shí)，二極管VD2、VD3導(dǎo)通，電源通過(guò)二極管VD2、VD3，負(fù)載對(duì)電容C1、C2充電。經(jīng)過(guò)周期性的工作后，最終輸出電壓經(jīng)電容C1、C2濾波后得到直流電壓。

3)全橋逆變電路。本文采用全橋逆變電路作為主電路，該電路適合大功率輸出電路。電路由大容量的電解電容C3和4個(gè)型號(hào)為IRF460的MOSFET管組成。直流電壓由整流橋的輸出經(jīng)整流濾波后提供。單相全橋逆變電路共由4個(gè)橋臂組合而成：其中橋臂1和4為一對(duì)，是正電壓形成通道;橋臂2和3為另一對(duì)，是負(fù)電壓形成通道。驅(qū)動(dòng)波形的同時(shí)控制同一橋臂的兩個(gè)MOSFET導(dǎo)通，上下橋臂交替導(dǎo)通各180。，從而在負(fù)載處得到交變的電壓。

(2)PWM信號(hào)的產(chǎn)生

本電路利用集成PWM控制芯片SG3525產(chǎn)生的PWM信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制單相橋式逆變器的4個(gè)MOSFET管交替導(dǎo)通，從而在負(fù)載處逆變出交流電。

PWM信號(hào)產(chǎn)生的電路如圖6所示。其中，引腳l與引腳9短接;引腳2通過(guò)電阻R15(10k歐)和電位器R16(10k歐)的中性點(diǎn)相連;電位器R16的兩端分別接基準(zhǔn)電壓(5.1V)和接地;引腳3和引腳4懸空;引腳5通過(guò)濾波電容C13(0.01uF)接地，同時(shí)該引腳還通過(guò)電阻R14(10歐)與引腳7相連;引腳8通過(guò)C14(100uF)接地，起到軟起動(dòng)功能;引腳13和引腳15為該芯片的工作電壓輸入端，接15V電源;引腳11、引腳14為兩路PWM信號(hào)輸出端;PWM1和PWM2為SG3525輸出的兩路占空比相等、相位差為180。的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過(guò)R16調(diào)節(jié)占空比，調(diào)節(jié)尺.。即可改變輸入引腳2的電壓值Ur，當(dāng)參考電壓Ur減小時(shí)，PWM1的占空比增大。由SG3525輸出PWM1和PWM2兩路PWM信號(hào)，通過(guò)光耦隔離及驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)逆變器的L下橋臂兩路MOSFET管。

圖6 PWM信號(hào)產(chǎn)生的電路

(3)光耦隔離電路

SG3525發(fā)出兩路PWM信號(hào)：其中一路信號(hào)經(jīng)電阻R1送到光耦1的輸入端，同時(shí)該信號(hào)經(jīng)74HC14反向處理后，送給光耦2;另外一路PWM信號(hào)做同樣的處理。經(jīng)光耦隔離處理后的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)集成電路芯片IR2110的高、低端輸入信號(hào)。光耦隔離電路如圖7所示。

圖7 光耦隔離電路

(4)MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

為了提高單相逆變器的可靠性、簡(jiǎn)化電路以及提高系統(tǒng)的集成度，經(jīng)過(guò)調(diào)研決定采用美國(guó)IR公司出品的IR2110驅(qū)動(dòng)集成芯片。該芯片采用雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)，另外在芯片中還采用了高集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，并集成了多種保護(hù)功能，因此電路參數(shù)一致性好、穩(wěn)定可靠。IR2110上管采用外部自舉電容上電方式，因此減少了驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)量。對(duì)于常見(jiàn)的三相橋式逆變器，由于IR2110集成兩路驅(qū)動(dòng)電路，因此只需三片IR2110、一路15V電源。在硬件設(shè)計(jì)上大大減少了電源變壓器的體積和驅(qū)動(dòng)電源數(shù)量，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了成本。

本文設(shè)計(jì)的為單相橋式逆變器，由于一片IR2110可以驅(qū)動(dòng)同一個(gè)橋臂的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件，因此采用兩片IR2110可以滿足設(shè)計(jì)要求。以其中一路的IR2110為例說(shuō)明電路的組成，另一路工作：原理相同圖8中列出了IR2110的外圍電路，其中C9和C10為自舉電容，12V電源經(jīng)VD5給C10和C9充電，保證在QI導(dǎo)通、Q2關(guān)斷時(shí)，C9和C10有足夠的能力驅(qū)動(dòng)Ql的柵極。一般選用一個(gè)大容量和一個(gè)小容量的電容并聯(lián)作為自舉電容，在逆變器的工作頻率為20kHz時(shí)，選取C10為0.1uF，C9為1.0uF。并聯(lián)高頻小電容的作用是吸收逆變電路工作時(shí)產(chǎn)生的干擾電壓。

圖8 IR2110外圍電路

電路模型的建立與仿真

仿真結(jié)果如圖9所示。從圖中可知，電路仿真結(jié)果與實(shí)際情況相符，可以很好地描述全橋MOSFET逆變主電路的工作過(guò)程。輸出電壓經(jīng)電感濾波后，在負(fù)載R上可獲得比較理想的正弦波。

圖9 輸出電壓的仿真波形

5.結(jié)束語(yǔ)

本文在詳細(xì)分析逆變器工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以SG3525集成PWM控制器為控制核心的單相橋式逆變器，并在MatlabSimulink中建立了控制系統(tǒng)的仿真分析模型。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真可以實(shí)時(shí)地觀測(cè)仿真結(jié)果。仿真驗(yàn)證了采用該控制方案在單相橋式逆變器應(yīng)用中的可行性，因此該系統(tǒng)有較好的實(shí)用價(jià)值，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。