單相正弦波逆變電源-全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽論文

2012 年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽 單相正弦波逆變電源單相正弦波逆變電源（C 題題） 【HJQ-C-003HJQ-C-003 組組】 學(xué)校名稱:哈爾濱劍橋?qū)W院 隊(duì)長姓名：王文鵬 隊(duì)員姓名：陳建新、杜詮成 指導(dǎo)教師姓名：馬文龍 2012 年 8 月 3 日 I 單相正弦波逆變電源單相正弦波逆變電源 摘要摘要 本單相正弦波逆變電源的設(shè)計(jì)是以 12VDC 為輸入,輸出電壓為 36VAC50hz 標(biāo) 準(zhǔn)的單相正弦波逆變電源， ，采用推挽升壓和半橋逆變兩級變換，在控制電路上， 前級推挽升壓電路采用 TL494 芯片控制，閉環(huán)反饋；逆變部分采用驅(qū)動(dòng)芯片 IRS2092 進(jìn)行半橋逆變，采用三角波正弦波配合完成 SPWM 的調(diào)制其輸出為正弦 波電壓，具有輸入過壓、欠壓保護(hù)功能，當(dāng)滿足過壓、欠壓條件時(shí)，關(guān)閉輸出； 具有輸出過流保護(hù)功能；同時(shí)具有輸出保護(hù)功能，可自恢復(fù)。輸出正弦波電壓 THD1%。輸出頻率 20100hz 可調(diào)。逆變效率可達(dá)到83%以上，通過一系列的 方法系統(tǒng)測試的結(jié)果及結(jié)果分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確穩(wěn)定且成本極低。因此，該電源 很好的完成了各項(xiàng)指標(biāo)。 關(guān)鍵字關(guān)鍵字: :單相正弦波逆變DC-ACSPWM II Abstract The design of the single phase sine wave inverter power supply is 12 VDC for input, output voltage of 36 VAC50hz standard single-phase sine wave inverter power supply, and by the push-pull booster and half-bridge converter two level transformation, in the control circuit, the former stage is used to boost the push-pull TL494 chip control, closed-loop feedback. Inverter part adopts IRS2092 drive chip for half-bridge converter, the triangle with complete SPWM sine wave wave modulation of the output voltage for the sine wave, with input pressure, voltage protection function, when meet over-voltage, owe pressure conditions, close output; With output over current protection function; At the same time a output protection function, can from recovery. Output voltage than 1% THD sine wave. Output frequency 20 100 hz is adjustable. Frequency inverter efficiency can reach more than 83%, through a series of methods of the system test results and results, the experimental results accurate and stable and very little cost. Therefore, the power supply good finish each index. KeyKey word:word: single phase inverter DC-AC SPWM sine wave III 目目錄錄 摘要摘要I AbstractII 1.1.設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)1 1.1 基本要求.1 1.2 發(fā)揮部分.1 2.2.方案論證方案論證1 2.1 DC/AC 變換器方案的論證與選擇.1 2.2 濾波器的論證與選擇.2 2.3 正弦波發(fā)生器的論證與選擇.3 2.4 過流保護(hù)功能模塊的論證與選擇.4 2.5 過壓欠壓保護(hù)模塊的論證與選擇.4 2.6 自動(dòng)恢復(fù)模塊的論證.5 2.7 SPWM 的實(shí)現(xiàn)的論證.6 3.3.分析與計(jì)算分析與計(jì)算6 3.1 系統(tǒng)的整體方案.6 3.2 DC/AC 轉(zhuǎn)換器的分析.7 3.2.1 升壓模塊理論分析7 3.2.2 正弦波發(fā)生器模塊分析7 3.2.3 自動(dòng)恢復(fù)部分模塊分析7 3.3 升壓電路參數(shù)的計(jì)算.7 3.3.1 升壓電路的占空比計(jì)算.8 3.3.2 升壓電路電容磁環(huán)及線徑計(jì)算.8 3.3.3 升壓電路的電感計(jì)算.8 3.4 單相正弦波逆變電源各模塊的計(jì)算.8 3.4.1 函數(shù)發(fā)生器參數(shù)的計(jì)算.8 4.4.測試測試9 4.1 測試條件與儀器9 4.2 測試結(jié)果及分析9 5 5結(jié)論、心得體會(huì)結(jié)論、心得體會(huì)10 5.1 結(jié)論.10 5.2 心得體會(huì).10 附錄：11 附 1：元器件表.11 附 2：電路原理圖.12 1 單相正弦波逆變電源單相正弦波逆變電源 1.1.設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù) 1.1 基本要求 （1）在額定輸入電壓 Ui=1014.5V 下，輸出電壓 UORMS=360.5V，頻率 0.5Hz50 O f ， 額定滿載輸出功率 50W； （2）輸出正弦波電壓，THD3%； （3）滿載情況下，逆變效率83%； （4）具有輸入過壓、欠壓保護(hù)功能，欠壓保護(hù)點(diǎn) 90.5V，過壓保護(hù)點(diǎn) 160.5V。當(dāng)滿足 過壓、欠壓條件時(shí)，關(guān)閉輸出； （5）輸出過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流 Io=1.60.1A。 1.2 發(fā)揮部分 （1）進(jìn)一步提高逆變器效率，95%； （2）輸出正弦波電壓 THD1%； （3）輸出頻率可調(diào) 20100Hz； （4）具有輸出短路保護(hù)功能，可自恢復(fù)，具有工作及保護(hù)指示； （5）其他。 本系統(tǒng)主要由正弦波發(fā)生模塊、DC/AC 變換器模塊、濾波器模塊、閉環(huán)反饋、過壓、過 流保護(hù)模塊、恢復(fù)模塊、組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。 2.方案論證方案論證 2.1 DC/AC 變換器方案的論證與選擇 方案一：全橋 DC-AC 變換器。全橋電路中互為對角的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，而同一側(cè)半橋 上下兩開關(guān)交替導(dǎo)通， 將直流電壓成幅值為 in V的交流電壓， 加在變壓器一次側(cè)開關(guān)的占空比， 也就改變了輸出電壓 out V。全橋式電路如圖 2-1 所示。 Cin SW 1 SW 2 1 2 3 4 D N2 N1 T Lo 控制 SW 3 SW 4 C Cout + - + - Vin Vout 圖圖2-12-1 全橋式電路全橋式電路 2 方案二：半橋式 DC-AC 變換器。在驅(qū)動(dòng)電壓的輪流開關(guān)作用下,半橋電路兩只晶體管交 替導(dǎo)通和截止,它們在變壓器 T 原邊產(chǎn)生高壓開關(guān)脈沖,從而在副邊感應(yīng)出交變的方波脈沖, 實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換。半橋電路輸入電壓只有一半加在變壓器一次側(cè)，這導(dǎo)致電流峰值增加，因此 半橋電路只在 500W 或更低輸出功率場合下使用，同時(shí)它具有抗不平衡能力，從而得到廣泛 應(yīng)用。半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖如圖 2-2. 圖圖 2-22-2 半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖圖 綜合以上兩種方案，選擇方案二。 2.2 濾波器的論證與選擇 方案一：數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)，將含噪信號(hào)進(jìn)行采樣獲得離散信號(hào)，利用一定的濾波算法， 對含噪信號(hào)進(jìn)行濾波運(yùn)算，噪聲成分在濾波計(jì)算中被濾除或得到部分抑制，從而得到有用信 號(hào)成分的離散信號(hào)，若需要，還可以進(jìn)一步將濾除噪聲后的離散信號(hào)恢復(fù)成為模擬信號(hào)，但 電路復(fù)雜，效率低。 方案二：電容電感濾波電路。電容電感濾波電路. 電容器與負(fù)載電阻并聯(lián)，接在整流器 后面。利用電容器的充放電作用來進(jìn)行濾波。容量越大，濾波效果越好，輸出波形越趨于平 滑，輸出電壓也越高，并且制作容易，成本低廉，濾波效率高。結(jié)構(gòu)原理圖如圖 2-3 所示 。 3 圖圖 2-32-3 電容電感濾波電路電容電感濾波電路 綜合以上二種方案，選擇方案二 2.3 正弦波發(fā)生器的論證與選擇 方案一：由比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得 到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn) 定，輸出阻抗高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂 移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波，且輸出波形幅度及頻率均可通過改變元件參 數(shù)進(jìn)行調(diào)整。 方案二：采用文氏橋電路，輸出波形穩(wěn)定，可調(diào)結(jié)構(gòu)范圍大，而且電路簡單，比較經(jīng)典 ， 抗感染能力比較強(qiáng)，最主要的一點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)，采用 LM358 芯片，外圍電路很簡單，本電路自主 開發(fā)，經(jīng)過測量數(shù)據(jù)，非常使用簡單。參數(shù)可根據(jù)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)原理圖如圖 2-4 所 示。 圖圖 2-42-4 正弦波發(fā)生器正弦波發(fā)生器 4 綜合考慮采用方案二。 2.4 過流保護(hù)功能模塊的論證與選擇 方案一：采用采樣電阻進(jìn)行測量，電路用成本低廉的 LM358，但是采樣電阻一般用作采 集直流數(shù)值時(shí)候用，而且采樣電阻非常容易壞，結(jié)果不是很精確。 方案二：采用電流互感器采集電流，結(jié)果比較準(zhǔn)確，而且電路簡單，成本低廉，電流互 感器主要是取交流的常用原件。使用 LM358 電路，設(shè)計(jì)外圍電路，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析和多次試驗(yàn) 證實(shí)了可行性。過流保護(hù)模塊電路如圖 2-5 所示 圖圖 2-52-5 過流保護(hù)功能模塊過流保護(hù)功能模塊 綜合考慮采用方案二。 2.5 過壓欠壓保護(hù)模塊的論證與選擇 方案一：本保護(hù)電路由變壓器降壓電路，橋式整流電路，雙極性三極管放大電路，電磁 繼電器電路，電容濾波電路，穩(wěn)壓電路組成。該電路能夠?qū)崿F(xiàn)過壓和欠壓保護(hù)。但電路較復(fù) 雜。 方案二： ：系列保護(hù)器用于交流或直流電源供電電壓的監(jiān)測保護(hù)，應(yīng)用了 LM358 芯片， 當(dāng)供電電壓過高或過低時(shí)，均有燈光報(bào)警器及繼電器轉(zhuǎn)換接點(diǎn)（一常開，一長閉）輸出，將 觸點(diǎn)接至用電設(shè)備的控制線路，就可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的保護(hù)作用，當(dāng)供電電壓正常時(shí)，繼電器吸 合，供電電壓過高時(shí)，紅色指示燈亮，繼電器釋放，供電電壓過低時(shí)，綠色指示燈亮，繼電 器也釋放，該電路制作簡單，易于調(diào)試，成本低，采用過壓、欠壓保護(hù)可以提高電源的可靠 性和安全性。過壓欠壓保護(hù)模塊結(jié)構(gòu)原理圖如圖 2-6 所示。 5 圖圖 2-62-6 過壓欠壓保護(hù)模塊過壓欠壓保護(hù)模塊 綜合考慮采用方案二。 2.6 自動(dòng)恢復(fù)模塊的論證 采用簡單的 NE555 穩(wěn)態(tài)電路，Pin 2 (觸發(fā)點(diǎn)) -這個(gè)腳位是觸發(fā) NE555 使其啟動(dòng)它的時(shí)間 周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于 2/3 VCC，下緣須低于 1/3 VCC,通過比較，觸發(fā)工作。原理 是通過電壓的比較實(shí)現(xiàn)的，非常實(shí)用，成本極低。自動(dòng)恢復(fù)模塊如圖 2-7 所示。 圖圖 2-72-7 自動(dòng)恢復(fù)模塊電路自動(dòng)恢復(fù)模塊電路 6 2.7 SPWM 的實(shí)現(xiàn)的論證 本部分主要用的是 IRS2092，通過芯片內(nèi)部發(fā)生三角波，和芯片外部的外圍電路，把正 弦波發(fā)生器發(fā)生的正弦波放大，同時(shí)于芯片內(nèi)部的三角波互切，通過這種辦法，巧妙地完成 了 SPWM 的發(fā)生。主要的電路如圖 2-8 所示。 圖圖 2-82-8 SPWMSPWM 的實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn) 3.3.分析與計(jì)算分析與計(jì)算 3.1 系統(tǒng)的整體方案 7 3.2 DC/AC 轉(zhuǎn)換器的分析 3.2.1 升壓模塊理論分析 DC/AC 變換器由 D 類放大器，濾波電路，過流保護(hù)電路及變壓器組成。其中 D 類放大電路 由功率轉(zhuǎn)換輸出電路，脈寬調(diào)制器，自舉推動(dòng)電路，低通濾波器組成。D 類放大電路由 TL494 和 TRS2092 為兩個(gè)主芯片。其中 D 類功率放大器：是用音頻信號(hào)的幅度去線性調(diào)制高頻脈沖 的寬度，功率輸出管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，通過 LC 低通濾波器后輸出音頻信號(hào)。D 類功率放 大器，在外部輸入正弦信號(hào)控制下，TL494 組成的脈沖款調(diào)制器產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，經(jīng)過 IRS2092 組成的自舉推動(dòng)電路后，控制 V-MOS 管組成的半橋電路實(shí)現(xiàn)功率放大。該方案制作簡單，逆 變出波形穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)表明，這個(gè)電路能很好地實(shí)現(xiàn) 36V 升壓的功能，滿足本設(shè)計(jì)電路的需要。 3.2.2 正弦波發(fā)生器模塊分析 文氏橋振蕩器又叫 RC 橋式正弦波振蕩器。如右下圖所示，以 RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng) 絡(luò)、并引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成橋路，一對頂點(diǎn)作為輸出電壓，一對定點(diǎn)作為放大電路的凈輸 入電壓，就構(gòu)成文世橋震蕩電路。實(shí)驗(yàn)表明，這個(gè)電路能很好的實(shí)現(xiàn)正弦波的發(fā)生。 3.2.3 自動(dòng)恢復(fù)部分模塊分析 自動(dòng)恢復(fù)模塊應(yīng)用 LM358,其內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放 大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條 件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有 可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。 3.3 升壓電路參數(shù)的計(jì)算 8 3.3.1 升壓電路的占空比計(jì)算 (1) 占空比 穩(wěn)定工作時(shí),每個(gè)開關(guān)周期導(dǎo)通期間電感電流的增加等于關(guān)斷期間電感電流的減少,即 Vi*don/(f*L)=(Vo+Vd-Vi)*(1-don)/(f*L),整理后有 don=(Vo+Vd-Vi)/(Vo+Vd),參數(shù)帶入,可求出 don。 3.3.2 升壓電路電容磁環(huán)及線徑計(jì)算 (1) 輸出電容: 此例中輸出電容選擇位陶瓷電容,故 ESR 可以忽略。 C=Io*don/(f*Vpp)，參數(shù)帶入。 (2) 磁環(huán)及線徑:查找磁環(huán)手冊選擇對應(yīng)峰值電流為 I2 時(shí)磁環(huán)不飽和的適合磁環(huán)。 Irms2=(1/3)*(I12+I22-I1*I2),參數(shù)帶入,得irms。 按此電流有效值及工作頻率選擇線徑。 3.3.3 升壓電路的電感計(jì)算 電感量： 先求每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感初始電流等于輸出電流時(shí)的對應(yīng)電感的電感量，其值為 Vi*(1-don)/(f*2*Io)，參數(shù)帶入，得 Lx 。 deltaI=Vi*don/(L*f)，參數(shù)帶入，得 deltaI。 當(dāng)電感的電感量小于此值 Lx 時(shí),輸出紋波隨電感量的增加變化較明顯,當(dāng)電感的電感量大 于此值 Lx 時(shí)，輸出紋波隨電感量的增加幾乎不再變小，由于增加電感量可以減小磁滯損耗, 另外考慮輸入波動(dòng)等其他方面影響取 L=60uH， deltaI=Vi*don/(L*f),參數(shù)帶入，得 deltaI, I1=Io/(1-don)-(1/2)*deltaI, I2= Io/(1-don)+(1/2)*deltaI, 參數(shù)帶入得 I1，I2 3.4 單相正弦波逆變電源各模塊的計(jì)算 3.4.1 函數(shù)發(fā)生器參數(shù)的計(jì)算 由式(1)和式(2)可得：當(dāng) RA=RB 時(shí)，電容的充放電時(shí)間相等，占空比為 50的三角波，其比 為： 9 式中：RA 和 RB 的阻值宜在 U1I1U1I2 范圍內(nèi)，且 RB 應(yīng)小于 2RA。 當(dāng) RA=RB=R 時(shí)，電容兩端的電壓頻率為： 4.4.測試測試 4.1 測試條件與儀器 測試條件：檢查多次， 仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同， 并且檢查無誤， 硬件電路保證無虛焊。 測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用 表，直流電源 型號(hào)：SG173SB3，穩(wěn)壓穩(wěn)流型。 4.2 測試結(jié)果及分析 (1) 測試采用疊加法，將各個(gè)模塊分別依次加入到系統(tǒng)中，逐次檢查。一旦在測試中發(fā) 現(xiàn)錯(cuò)誤，終止測試，同時(shí)對模塊進(jìn)行修改。修改后重復(fù)被終止的測試，繼續(xù)進(jìn)行檢查。測試 中，出現(xiàn)錯(cuò)誤回溯情況時(shí)，回溯到該模塊，重新進(jìn)行系統(tǒng)測試，保證系統(tǒng)功能的完整和正確。 對系統(tǒng)按照其功能進(jìn)行測試，通過模擬用戶的各種操作來測試各個(gè)模塊的運(yùn)行情況。 (2) D 類音頻功率放大器的控制測試 接通電源，函數(shù)發(fā)生器給出信號(hào)，運(yùn)用示波器觀察輸出波形，通過計(jì)算，不斷改變電阻， 電容等元器件，進(jìn)而調(diào)出題目要求的正弦波輸出，任意選擇播放素材，在播放時(shí)隨機(jī)執(zhí)行增 大音量、減小音量、停止、繼續(xù)等操作，觀察播放情況。 測試結(jié)果：輸出正弦波電壓，輸出頻率可調(diào) 20100Hz，輸出正弦波電壓THD1%。 (3) 過流恢復(fù)保護(hù)測量 用與測通頻帶相同的方法給出給出輸入信號(hào)，用示波器觀察輸出信號(hào)幅值，將負(fù)載兩端 短路，可看到短路模塊警示燈亮，功率放大部分的電源被切斷，輸出變?yōu)榱?，具有輸出短?保護(hù)功能，并且可自動(dòng)恢復(fù)，具有工作及保護(hù)指示。 (4) 過壓欠壓保護(hù)電路測試 接通直流電源，通過調(diào)節(jié)電位器，觀察指示燈，從而達(dá)到欠壓保護(hù)點(diǎn)為 90.5V，過壓保 護(hù)點(diǎn)為 160.5V 根據(jù)上述得出測試數(shù)據(jù)如下： (1) 在額定輸入電壓 Ui=1014.5V 下，輸出電壓 UORMS=360.5V，頻率0.5Hz50 O f， 額定滿載輸出功率 50W； (2) 輸出正弦波電壓，THD3%； (3) 滿載情況下，逆變效率83%； (4) 具有輸入過壓、欠壓保護(hù)功能，欠壓保護(hù)點(diǎn) 90.5V，過壓保護(hù)點(diǎn) 160.5V。當(dāng)滿足 過壓、欠壓條件時(shí)，關(guān)閉輸出； (5) 輸出過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流 Io=1.60.1A。 (6) 進(jìn)一步提高逆變器效率，95%； (7) 輸出正弦波電壓 THD1%； (8) 輸出頻率可調(diào) 20100Hz； (9) 具有輸出短路保護(hù)功能，可自恢復(fù)，具有工作及保護(hù)指示； 綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 10 5結(jié)論、心得體會(huì)結(jié)論、心得體會(huì) 5.1 結(jié)論 經(jīng)過測試后， 題目的基本要求都已完成， 各項(xiàng)指標(biāo)都完成的比較好。 在輸出功率為 43.6W 的情況下，效率達(dá)到了 89%。同時(shí)該電源還具有短路保護(hù)，空載保護(hù)，過流保護(hù)的功能。而 電壓顯示部分，因?yàn)?AD637 的輸入信號(hào)較大（V 級） ，所以輸入輸出基本成線性比例關(guān)系。在 重載輸出的時(shí)候，輸出波形失真較嚴(yán)重，原因是前級 DC-DC 的輸出功率不足，又因?yàn)樵谛?測試的時(shí)候，