正弦波逆變器設計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　正弦波逆變器設計</b></p><p>　　作 者： </p><p>　　系（院）： 物理與電氣工程學院 </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 </p><p>

2、;　　年 級： </p><p>　　學 號： 111154021 </p><p>　　指導老師： 　 　 </p><p>　　日 期： <

3、/p><p><b>　　正弦波逆變器設計</b></p><p>　　摘要：本論文基于IR2110控制芯片設計了一個全橋正弦波逆變器。文章首先簡要介紹了逆變器的基本工作原理、電壓控制芯片SPWM脈寬調制方式及芯片IR2110的內部結構、管腳功能和其特性，IRF540N通道增強型場效應功率開關管的特性。提出了基于IR2110芯片構成的單相電壓全橋控制正弦逆變器,并對電壓控

4、制全橋正弦電壓逆變器電路的主電路、控制電路、死區(qū)時間電路和輸出低通道濾波電路四個部分進行了詳細設計。</p><p>　　關鍵詞：逆變器；IR2110；開關管；正弦脈寬調制</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1 逆變器的用途和意義</p><p>　　逆變器出現(xiàn)于電力電子飛速發(fā)展的20

5、世紀60年代，隨著社會的飛速發(fā)展，逆變器越來越得到廣泛的應用。逆變器在發(fā)電廠發(fā)電系統(tǒng)、工廠企業(yè)中具有舉足輕重的作用，其性能的改進對于提高系統(tǒng)的效率、可靠性,降低成本至關重要。電力逆變電源有著廣泛的用途，它可用于各類交通工具，如汽車、各類艦船以及飛行器，在太陽能及風能發(fā)電領域，逆變器有著不可替代的作用。 在電力系統(tǒng)中為保證變電所的諸如后臺機、分站RTU、通訊設備等能在交流電源停電后不間斷工作，工程做法一般采用UPS電源作為主要解決方案，但

6、UPS電源存在容量小、價格貴、故障率高、維護量大等不足，因此綜合自動化變電所中可采用電力正弦波逆變電源來代替常規(guī)不間斷UPS電源。交流電動機的調速用變頻器、UPS不間斷電源，感應加熱電源等電力電子裝置，其電路的核心部分都是逆變電路。此外，逆變器還可將直流電能轉換為交流電供用戶直接使用或輸送到電網(wǎng)，對節(jié)約自然資源和環(huán)境保護有舉足輕重的意義。</p><p>　　1.2 逆變器發(fā)展歷程、現(xiàn)狀和趨勢</p>

7、<p>　　逆變技術的原理早在1931 年就有人研究過，從1948 年美國西屋電氣公司研制出第一臺3KHZ 感應加熱逆變器至今已有近60 年歷史了，而晶閘管SCR 的誕生為正弦波逆變器的發(fā)展創(chuàng)造了條件，到了20 世紀70 年代，可關斷晶閘管（GTO）、電力開關管（BJT）的問世使得逆變技術得到發(fā)展應用。到了20 世紀80 年代，功率場效應管（MOSFET）、絕緣柵極開關管（IGBT）、MOS 控制晶閘管（MCT）以及靜電感

8、應功率器件的誕生為逆變器向大容量方向發(fā)展奠定了基礎，因此電力電子器件的發(fā)展為逆變技術高頻化，大容量化創(chuàng)造了條件。進入80 年代后，逆變技術從應用低速器件、低開關頻率逐漸向采用高速器件，提高開關頻率方向發(fā)展。逆變器的體積進一步減小，逆變效率進一步提高，正弦波逆變器的品質指標也得到很大提高。</p><p>　　目前，逆變器技術多數(shù)采用了MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT 等多種先進且易于控制的功率器件

9、，控制電路也從模擬集成電路發(fā)展到單片機控制電路，甚至采用數(shù)字信號處理器（DSP）控制。各種現(xiàn)代控制理論，如自適應控制、自學習控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等先進控制理論和算法也大量應用于逆變領域。其應用領域也達到了前所未有的廣闊，從毫瓦級的液晶背光板逆變電路到百兆瓦級的高壓直流輸電換流站；從日常生活的變頻空調、變頻冰箱到航空領域的機載設備；從使用常規(guī)化石能源的火力發(fā)電設備到使用可再生能源發(fā)電的太陽能風力發(fā)電設備，都少不了逆變電源。毋須

10、懷疑，隨著計算機技術和各種新型功率器件的發(fā)展，逆變裝置也將向著體積更小、效率更高、性能指標更優(yōu)越的方向發(fā)展。</p><p><b>　　2 設計要求</b></p><p><b>　　2.1 設計要求</b></p><p>　　(1)制作正弦波逆變器，輸入端用12V蓄電池產生的直流電供給電路，輸出端輸出12V的交流電

11、壓。</p><p>　　(2)設計電路最后輸出電壓波形為正弦波。</p><p>　　(3)設計電路最后輸出交流電壓頻率為50HZ。</p><p><b>　　2.2 設計思路</b></p><p>　　題目要求設計一個單相電壓正弦波逆變電源，輸出電壓波形為50HZ，電路輸出電壓波形為正弦波。設計中主電路采用DC-

12、AC的逆變技術，控制部分采用SPWM（正弦脈寬調制）技術，利用芯片IR2110對逆變器件電力開關管MOSFET進行驅動控制，同時電路中死區(qū)時間控制和低通道濾波的功能，增強了電源的安全性和穩(wěn)定性，使輸出獲得交流正弦波的穩(wěn)壓電源。</p><p><b>　　3 方案論證</b></p><p><b>　　3.1 方案1</b></p>

13、<p>　　半橋式DC-AC逆變電路。在驅動電壓的開關輪流作用下,半橋電路兩只開關管SW1和SW2交替導通和截止,從而產生交變的方波脈沖,實現(xiàn)功率轉換。半橋式結構原理圖如圖1所示，它有兩個橋臂，每個橋臂由一個可控器件和電容組成。在直流側接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的連接點便為直流電源的中點。</p><p>　　圖1 半橋式結構電路圖</p><p><b&

14、gt;　　3.2 方案2 </b></p><p>　　全橋DC-AC逆變電路。全橋式電路如圖2所示，他有四個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。全橋電路中橋臂SW1與SW3互為一對，橋臂SW2與SW4互為一對，互為對角的兩個開關同時關斷導通，而同一側半橋上下兩開關交替導通，將直流電能變成幅值與輸入電壓幅值相等的交流電壓，改變開關的占空比，可以改變輸出電壓。成對橋臂的兩個開關管在脈沖觸發(fā)下同時導通，

15、每對橋臂輪流導通，負載兩端就得到交流電能。每對橋臂分別工作半個周期，其輸出電壓波形為180度的方波。 </p><p>　　圖2 全橋式結構電路圖</p><p><b>　　3.3 方案比較</b></p><p>　　方案一和方案二都可以作為DC-AC逆變電路，由兩者的工作原理可知，半橋需要兩個開關管，電路簡單且使用器件少。全橋需要四個開關

16、管。半橋和全橋的開關管的耐壓都為VDC,而半橋輸出的電壓峰值是1/2DC，且直流側需要兩個電容器串聯(lián)，工作時還需要控制兩個電容器的電壓的均衡。全橋輸出電壓的峰值是VDC，所以在獲得同樣的輸出電壓的時候，全橋的供電電壓可以比半橋的供電電壓低一半，且直流側不需要兩個電容器串聯(lián)，工作時也不需要控制兩個電容器的電壓的均衡問題。出于這兩點的考慮，決定采用方案二。</p><p><b>　　4 主要元器件介紹&l

17、t;/b></p><p>　　4.1 IR2110芯片的介紹</p><p>　　IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，DIP14 腳封裝。具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路；輸出的電源端（腳3,即功率器件的柵極驅動電壓）電壓范圍10～20V；邏輯電源電壓范圍（腳9）5～15V，可方便地與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有&

18、#177;5V的偏移量；工作頻率高，開通、關斷延遲小。</p><p>　　IR2110的內部功能框圖如圖3所示。由三個部分組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護。如上所述IR2110的特點，電路中采用該芯片可以為裝置的設計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的成功設計，可以大大減少實際應用電路中的驅動問題。</p><p>　　圖3 （a）IR2110內部功能框圖</p>&l

19、t;p>　　圖3 （b）IR2110管腳功能框圖</p><p>　　圖3 （c）IR2110半橋驅動電路 </p><p>　　實際設計電路中的IR2110的全橋驅動電路由IR2110的半橋驅動電路擴展而來。</p><p>　　4.2 IRF540 MOS管介紹</p><p>　　IRF540晶閘管是N溝道電壓控制型MOS

20、管，IRF540 MOS管具有低的導通內阻，快速開斷能力，而且驅動功率小、工作速度高、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬等優(yōu)點，已廣泛應用到DC-DC轉換器，開關電源，電視及電腦顯示器電源等。</p><p>　　圖4 IRF540 MOS管內部結構和參數(shù)</p><p><b>　　5 硬件設計</b></p><p><b>　　5.1

21、 框圖 </b></p><p>　　在電路設計中，12V蓄電池電源先經(jīng)過濾波后輸入電路中，保證輸出有效值為12V的正弦波，不出現(xiàn)截止失真和飽和失真。系統(tǒng)方框圖如圖5所示，電路采用調節(jié)SPWM信號脈寬調制方式。在該系統(tǒng)中采用了兩組相互隔離的輔助電源供電，一組供給SPWM信號控制器使用，另外一組供給輸出電壓電路使用，這樣避免了交流輸出的浮地和蓄電池的地不能共地問題。因為SPWM控制器輸出的SPWM信號不

22、含死區(qū)時間，所以增加了死區(qū)時間控制電路，電路還設計了低通道濾波電路濾去諧波。</p><p>　　圖5 正弦波逆變器框圖</p><p>　　5.2 逆變器的SPWM脈寬控制方式</p><p>　　脈沖寬度調制，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調制。在采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上

23、時，其效果基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。PWM控制技術就是以該結論為理論基礎，對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。在進行脈寬調制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電

24、壓脈沖系列可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調制。圖示6所示即為正弦脈寬調制方式的脈沖序列波形。</p><p>　　圖6 (a)單極性SPWM控制方式波形 圖6 (b)雙極性SPWM控制方式波形</p><p>　　5.3 電路原理介紹</p><p>　　5.3.1 正弦波逆變器的基本原理</p>

25、<p>　　逆變器出現(xiàn)于電力電子飛速發(fā)展的20世紀60年代，隨著社會的飛速發(fā)展，逆變器越來越得到廣泛的應用。逆變器是通過半導體功率開關的開通和關斷作用，把直流電能轉變成為交流電能的一種變換裝置，是整流變換的逆過程。電壓型逆變器是按照控制電壓的方式將直流電能轉變?yōu)榻涣麟娔?，是逆變技術中常見的一種。單相全橋逆變電路也稱“H橋”逆變電路，其電路結構如圖7所示，由兩個半橋電路組成。功率開關元件Q1與Q3互為一組，Q2與Q4互為一組

26、，當 Q1與Q3同時導通時，負載電壓U0=+Ud；當Q2與Q4同時導通時，負載兩端 U0=-Ud，Q1與Q3和Q2與Q4輪流導通，負載兩端就得到交流電能。單相全橋電路上述工作狀況下Q1與Q3和Q2與Q4分別工作半個周期，其輸出電壓波形為180度的方波。 </p><p>　　前面所述的方波逆變電路雖然結構簡單，但輸出的電能質量較差，諧波分量大，隨著功率器件的發(fā)展，正弦波脈寬調制（SPWM）技術得到了廣泛的應用，S

27、PWM控制是在逆變器輸出交流電能的一個周期內，將直流電能變成幅值相等而寬度根據(jù)正弦規(guī)律變化的脈沖序列，該脈沖序列的寬度是隨正弦波幅值變化的離散脈沖，經(jīng)過濾波后得到正弦波交流電能。</p><p>　　圖7（a）單相全橋電路拓樸結構 圖7（b）全橋輸出電壓電流波形</p><p>　　5.3.2 控制線路設計原理</p><p>　　在正弦

28、波逆變器裝置中，根據(jù)主電路的結構，其功率開關器件一般采用直接驅動和隔離驅動兩種方式。采用隔離驅動方式時需要將多路驅動電路、控制電路、主電路互相隔離，以免引起災難性的后果。隔離驅動可分為電磁隔離和光電隔離兩種方式。設計中采用IR2110芯片驅動器，它兼有光耦隔離（體積小）和電磁隔離（速度快）的優(yōu)點，避免了電路中線路的繁瑣鏈接。</p><p>　　在控制電路中二極管是一個重要的器件，它應能阻斷直流干線上的高壓，二極

29、管承受的電流是柵極電荷與開關頻率之積。為了減少電荷損失，設計電路選擇了反向漏電流小的快恢復二極管UF4007。</p><p>　　根據(jù)MOSFET 的門極特性，在電路開通時，需要在極短的時間內向門極提供足夠的柵電荷。根據(jù)電路設計電容選取10uF的電解電容。</p><p>　　由于電路設計為電壓逆變器，所以全橋器件選用IRF540，它是電壓控制型使用溝渠工藝封裝的N通道增強型場效應功率開

30、關管MOSFET器件，更主要的是它具有低的導通內阻和快速開斷能力。</p><p>　　集成功率驅動電路IR2110具有優(yōu)良的驅動性能,根據(jù)設計電路具體驅動要求設置，為芯片提供了一個+5V的輔助電壓和+12V的輔助電源來實現(xiàn)對同一橋臂上、下主開關器件功率MOSFET的驅動, 這樣就有效簡化了功率變換器主開關器件驅動電路設計, 提高系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　全橋電路采用兩個半橋驅動

31、芯片IR2110分別驅動全橋的兩邊場效應管IRF540按驅動信號SPWM波交替導通，輸出功率放大的SPWM波來控制晶閘管的導通和關斷，使輸出側產生交變的正弦電壓。圖8所示為全橋逆變電路控制電路。</p><p>　　圖8 DC-AC控制電路原理圖</p><p>　　5.3.3 死區(qū)時間控制電路的設計</p><p>　　兩組同頻率互補的脈沖信號SPWM1和SPWM

32、2，再分別進入單穩(wěn)態(tài)電路SPWM1和SPWM2.根據(jù)其原理，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出只有1和0兩種狀態(tài)閥，以此來設定兩組信號之間的死區(qū)時間，每組只能觸發(fā)一個單穩(wěn)態(tài)電路，而且單穩(wěn)態(tài)電路是利用下降沿觸發(fā)得到，因此將兩組信號分別觸發(fā)兩組單穩(wěn)態(tài)電路，然后將信號SPWM2和單穩(wěn)態(tài)型號SPWM1的輸出信號通過非門和與門電路SPWM1來輸出信號SPWM1，此死區(qū)時間產生于信號SPWM1的下降沿和信號SPWM2的上升沿之間，再將信號SPWM1和單穩(wěn)態(tài)信號SP

33、WM2的輸出信號通過信號SPWM2，此死區(qū)信號產生于信號SPWM1的上升沿和信號SPWM2的下降沿之間。那么，兩組信號共同輸出就能得到所需的兩組互補輸出信號，同時兩組信號之間又有死區(qū)時間控制。</p><p>　　圖9是死區(qū)時間設置電路，通過用數(shù)字電路延時實現(xiàn)死區(qū)時間設置，很顯明獲得死區(qū)時間的方法是驅動信號的下降延不延時，只延時驅動信號的上升延，電路中采用了74HC08與門邏輯電路集成芯片和74HC14非門邏輯電

34、路集成芯片來控制驅動電路的死區(qū)時間。</p><p>　　圖9 死區(qū)時間控制電路圖</p><p>　　5.3.4 低通濾波器的設計</p><p>　　工程信號不是同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成的不同型號頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分，濾波的作用是濾去諧波。只允許一定頻率范圍的信號正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路叫做濾波電路。當允許信號

35、中較低頻率的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做低通道濾波。低通濾波器原理圖如圖10所示,低通濾波器采用一階無源LC低通濾波器。 </p><p>　　為了避免磁環(huán)電感飽和，經(jīng)計算，C的值為1.13µF，實取1µF。L為3.04mH，實取2.3mH。</p><p>　　圖10 低通濾波器原理圖</p>&

36、lt;p>　　5.4 DC-AC電路原理介紹</p><p>　　圖11所示，實際設計電路中用到一個12V和一個5V兩個輔助電源來驅動IR2110芯片工作，在該電路中，12V的輔助電源和輸入電壓公共一個電源，另外提供一個5V的電源接入電路。輸入端通過一些電容濾波后輸入電路，輸出端接在橋臂中間。通過芯片IR2110對SPWM波放大后接在晶閘管上，通過控制晶閘管的導通和關斷來控制輸出電壓及其波形。</p&

37、gt;<p>　　圖11 DC-AC電路原理圖 </p><p>　　備注：主要元器件明細表見附錄1，PCB原理圖，仿真圖見附錄2。</p><p><b>　　6 結論</b></p><p>　　系統(tǒng)調試過程中要檢查電路的各個元件的各個參數(shù)。若參數(shù)及模式設置無誤一般能保證仿真過程的順利進行。</p><

38、;p>　　該單相正弦波電壓逆變電源的輸入為12V直流電壓，輸出為12V交流電且頻率為50HZ。該設計基本完成了論文中各項設計要求。同時該死區(qū)時間控制和低通道濾波的功能，增強了電源的安全性和穩(wěn)定性。但是設計中還缺少很多的保護，比如：過壓保護，過電流和欠壓保護等功能，所以在今后還要繼續(xù)研究各種保護電路的實現(xiàn)方法。</p><p><b>　　7 致謝</b></p><

39、p>　　通過本次正弦波逆變器的設計，讓我對逆變器工作原理有了更進一步的認識，并對DC/AC逆變原理及其應用也有更深的了解。雖然進行的過程中也遇到很多困難和困惑，但是在老師的指導下和同學的幫助下一步一步的完成了此次設計，無論是在思想上還是在學習上，都使我受益匪淺。</p><p>　　值此論文完成之際，首先要感謝我的指導老師cc老師。cc老師從一開始的論文方向的選定，到最后的整篇文論的完成，都非常耐心的對我進

40、行指導，給我提供了很多數(shù)據(jù)資料和建議，告訴我應該注意的細節(jié)問題，細心的給我指出錯誤，修改論文。他在逆變器技術及光伏發(fā)電領域的專業(yè)研究和對該課題深刻的見解，使我受益匪淺。在此，謹向cc老師致以崇高的敬意和衷心的感謝。</p><p>　　同時，我還要感謝關心幫助過我的老師和同學，正是由于他們的關心和幫助，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本次畢業(yè)論文的順利完成。在此次畢業(yè)設計過程中我也學到了很多關于逆變器電源設計

41、方面的知識，電路設計技能也有了很大的提高。 最后，再次對關心、幫助我的老師和同學表示衷心地感謝。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 黃智偉.全國大學生電子設計競賽系統(tǒng)設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.</p><p>　　[2] 黃智偉.全國大學生電子設計競賽技能訓練[M].北

42、京:北京航空航天大學出版社,2006.</p><p>　　[3] 康華光.電子技術基礎模擬部分[M].北京:高等教育出版社,2006.</p><p>　　[4] 康華光.電子技術基礎數(shù)字部分[M].北京:高等教育出版社,2006.</p><p>　　[5] 徐德宏.開關電源設計指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.</p><p>

43、;　　[6] 劉勝利.現(xiàn)代高頻開關電源實用技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.</p><p>　　[7] 王兆安.黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.</p><p>　　Design of Single Phase Voltage Sinusoidal Inverter</p><p>　　Abstract: in this pap

44、er, based on the IR2110 control chip to design a full bridge single-phase voltage inverter. The article introduces the basic principle, the inverter voltage control chip SPWM pulse width modulation and IR2110 chip intern

45、al structure, pin function and its characteristics, the characteristics of field effect power switch tube IRF540N channel enhancement. The single-phase voltage IR2110 chip controlled full-bridge sinusoidal inverter based

46、 on, and the main circuit, voltage cont</p><p>　　Keywords: inverte ；IR2110 ；switch ；sinusoidal pulse width modulation</p><p>　　附錄1 元器件明細表</p><p>　　表 1 主要元器件清單</p><p>&

47、lt;b>　　附 錄2 PCB</b></p><p>　　圖12 DC-AC電路印制板圖底層圖</p><p>　　圖13 死區(qū)時間控制電路印制板圖底層圖</p><p><b>　　電路仿真圖</b></p><p>　　圖14 （a）仿真正弦波 三角波疊加</p><p>