逆變電源設(shè)計(jì)報(bào)告.doc

1、題號(hào)： A 武漢理工大學(xué)第四屆電工電子創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽設(shè)計(jì)報(bào)告題目：逆變電源參賽者：王華學(xué)院班級(jí)：自動(dòng)化學(xué)院 自動(dòng)化0808聯(lián)系方式分標(biāo)準(zhǔn)：項(xiàng)目滿(mǎn)分得分基本要求論文結(jié)構(gòu)完整性10理論分析與計(jì)算20硬件電路設(shè)計(jì)與器件選擇45分析及結(jié)論20創(chuàng)新特色5總分逆變電源摘要本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于Cortex M3的高頻鏈逆變電源。系統(tǒng)由輸入欠壓保護(hù)、推挽升壓、全橋逆變、SPWM波產(chǎn)生、低通濾波、輸出過(guò)流保護(hù)、輔助電源等電路組成.12V的直流電通過(guò)推挽式變換逆變?yōu)楦哳l方波，經(jīng)高頻變壓器升壓，再整流濾波得到一個(gè)穩(wěn)定的約320V直流電壓。前級(jí)DCDC變換采用SG3525驅(qū)動(dòng)MOSFET得到高

2、壓直流電，然后通過(guò)M3產(chǎn)生的SPWM驅(qū)動(dòng)全橋電路，再經(jīng)低通濾波得到220V的工頻正弦交流電.采用反激式開(kāi)關(guān)電源升壓再經(jīng)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓供電很好的實(shí)現(xiàn)隔離，并且具有輸入欠壓保護(hù)和輸出過(guò)流保護(hù),輸出功率可達(dá)100W。該電源體積小、效率高、輸出電壓穩(wěn)定，非常適用于車(chē)載逆變器。關(guān)鍵詞:推挽升壓 全橋逆變 濾波 反激式 M3Abstract This design implements a Cortex M3 based on the high-frequency link inverter power supply。System consists of input undervoltage protect

3、ion， push-pull boost, full-bridge inverter， SPWM wave generator, low pass filtering, output overcurrent protection， auxiliary power and other circuit。12V direct current through the pushpull inverter is a high frequency square wave transform, the highfrequency step-up transformer, then rectified and

4、filtered to get a stable DC voltage of about 320V。Former level DC-DC conversion by using SG3525 drive MOSFET high voltage DC and then generate the SPWM drive M3 full bridge circuit, and then low-pass filter obtained by the frequency sinusoidal AC 220V。With a flyback switching power supply step-up re

5、gulator chip re-powering through the realization of good isolation, and with input voltage protection and output over-current protection, output power up to 100W.The power， small size, high efficiency, output voltage stability, ideal for automotive inverter。個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請(qǐng)勿用作商業(yè)用途 Key words：

6、pushpull boost full-bridge inverter flyback M31、 方案論證與比較 1、總體方案的比較方案一：如圖1所示，12V的直流電經(jīng)過(guò)DC-AC逆變成10V/50HZ交流電，再經(jīng)工頻變壓器升壓到220V。如圖1 方案一原理框圖方案二：系統(tǒng)框圖如圖2所示，本系統(tǒng)主要由推挽升壓電路、全橋逆變電路、SPWM波產(chǎn)生電路、保護(hù)電路和輔助電源等電路組成。12V直流電壓經(jīng)過(guò)推挽式高頻逆變和高頻整流得到高壓直流電，在經(jīng)全橋DCAC逆變和低通濾波輸出220V的工頻交流電。 圖2 方案二電路框圖 方案一比較簡(jiǎn)單，升壓斬波電路前后級(jí)電壓倍數(shù)低,可以采用非電氣隔離性直流變換器，但采

7、用工頻變壓器經(jīng)AC-AC升壓，存在體積大，效率低等缺陷.方案二實(shí)現(xiàn)了無(wú)工頻變壓器的逆變電路，可以很好的克服方案一存在的問(wèn)題，同時(shí)保證了電源輸出電壓更穩(wěn)定、更平滑。通過(guò)比較，本設(shè)計(jì)選擇方案二。 2、隔離型DC-DC電路方案方案一：采用半橋式變換電路，該電路對(duì)開(kāi)關(guān)管的耐壓值要求低，開(kāi)關(guān)管截止時(shí)承受電壓為電源電壓，所用功率變壓器的鐵芯沒(méi)有單向偏磁現(xiàn)象，但對(duì)電流要求大.方案二：采用推挽式變換電路，這種電路一般需要選擇高耐壓值的開(kāi)關(guān)管,電流要求低，截止時(shí)開(kāi)關(guān)管承受電壓為電源電壓兩倍以上。兩組開(kāi)關(guān)管的漏極連在一起，門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路無(wú)需彼此絕緣，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單.由于本系統(tǒng)輸入只有12V，但電流將近10A,采用方案

8、一獲得同樣的輸出功率要求開(kāi)關(guān)管流過(guò)方案二兩倍的電流，管子發(fā)熱嚴(yán)重。而方案二即使要求開(kāi)關(guān)管承受電壓為電源的兩倍，也不過(guò)24V，一般MOSFET完全勝任.通過(guò)比較,本設(shè)計(jì)選擇方案二.3、高頻變壓器后級(jí)整流方案方案一：采用全波整流電路，電流回路中只有一個(gè)二極管壓降,損耗小，整流過(guò)程中只需兩個(gè)二極管。但是，二極管關(guān)斷時(shí)承受反壓是二倍的交流電壓幅值，對(duì)器件耐壓值要求比較高，而且變壓器二次繞組有中心抽頭,制作復(fù)雜.方案二:利用全橋整流,二極管斷態(tài)時(shí)承受反壓僅為交流電壓幅值，而且變壓器繞組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.缺點(diǎn)是任意時(shí)刻電感的電流總要相繼流過(guò)兩個(gè)二極管，損耗大。通過(guò)比較，由于逆變后電壓較大有300400V，對(duì)管子耐

9、壓要求較高。為了使變壓器繞制簡(jiǎn)單,管子耐壓較低,選擇方案二。4、SPWM波產(chǎn)生方案 方案一:采用模擬電路實(shí)現(xiàn)SPWM。由模擬元件構(gòu)成的三角波和正弦波產(chǎn)生電路分別產(chǎn)生三角載波信號(hào)ut和正弦調(diào)制波信號(hào)ur送入電壓比較器，從而產(chǎn)生SPWM波，這種利用模擬電路調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)是完成Ut與ur信號(hào)的比較和確定脈沖所用的時(shí)間很短，幾乎是瞬問(wèn)完成而且ut和ur的交點(diǎn)是非常精確的,未做任何近似處理。方案二：采樣法軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)SPWM，利用Cortex M3通過(guò)編程直接生成SPWM波。充分利用M3內(nèi)部帶死區(qū)可調(diào)的PWM模塊和豐富的定時(shí)器,輕松實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠SPWM波。方案一電路復(fù)雜，而且正弦波不太穩(wěn)定,方案二電路極

10、其簡(jiǎn)單且程序也不復(fù)雜，輸出SPWM非常漂亮。故本次設(shè)計(jì)選擇方案二.二、理論分析與計(jì)算1。高頻變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)1.1 磁芯選擇與參數(shù)計(jì)算 選擇鐵氧體磁芯,先求出磁芯窗口面積AW與磁芯有效截面積Ae的乘積AP， 根據(jù)AP值, 查表找出所需磁芯材料之編號(hào)。由于輸出要求100W，當(dāng)效率為0.8時(shí)，逆變器輸入端應(yīng)有120W,考慮到溫升問(wèn)題高頻變壓器功率預(yù)留6 的裕度， 則設(shè)計(jì)輸出功率為Po= 1.06120= 127W 。由于變壓器用于推挽變換電路當(dāng)中， 由 其中J=400A/cm4, K =0。4，=0。8,=0.8，f=60KHZ，Bm =0.2.求得AP=0.7395cm4，查磁芯參數(shù)表知EC42符

11、合設(shè)計(jì)要求,再根據(jù)型號(hào)查找對(duì)應(yīng)的有效截面積Ae=2。04cm2。1.2 變壓器匝數(shù)計(jì)算 初級(jí)繞組匝數(shù)為：1.43取初級(jí)匝數(shù)N1=2。 次級(jí)繞組匝數(shù)為:取次級(jí)匝數(shù)為50匝。1.3 繞組導(dǎo)線線徑及股數(shù)計(jì)算采用銅線考慮集膚效應(yīng),由于開(kāi)關(guān)頻率為60KHZ,故穿透深度為:可知線徑不得超過(guò)0.54mm，取線徑為0。38mm。根據(jù)工程實(shí)際情況和繞組損耗， 取J= 4A/mm2,導(dǎo)線直徑為=0.38mm，由設(shè)計(jì)要求知Iimax=12A,IOMAX=0.45A，由公式:可知初級(jí)線圈采用26股并繞，同理可求出次級(jí)線圈股數(shù)為1股.2。 LC低通濾波參數(shù)設(shè)計(jì) 為了將SPWM波的諧波分量濾除，在逆變器的輸出端加了LC濾

12、波器，從而得到正弦交流信號(hào)，濾波器的截止頻率一般都是開(kāi)關(guān)頻率的1/101/2，設(shè)定SPWM波的頻率為20K，則f定為1.2kHZ，由公式 取電容C=3.3uF，電容選擇聚丙電容,得L=4.7mH. 三、電路與程序設(shè)計(jì)1.推挽式隔離型直流變換電路如圖3，電路由脈寬調(diào)制芯片SG3525產(chǎn)生帶死區(qū)互補(bǔ)PWM波驅(qū)動(dòng)IRF3205，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管經(jīng)變壓器初級(jí)繞組的中心端交替導(dǎo)通,每次導(dǎo)通時(shí)間小于半個(gè)周期.次級(jí)整流二極管也輪流導(dǎo)通,交替經(jīng)濾波電感向負(fù)載提供電流并向電容充電。圖3 推挽升壓電路2.逆變電路由于輸出功率較大，達(dá)100W所以采用全橋逆變，如圖4所示。利用Cortex M3產(chǎn)生的兩路帶死區(qū)互補(bǔ)的SPW

13、M經(jīng)IR2110驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管IRF840.IR2110驅(qū)動(dòng)功率器件，采用自舉驅(qū)動(dòng)方式，懸浮溝道設(shè)計(jì)使其能驅(qū)動(dòng)母線電壓小于600V的功率管。它可以?xún)H用一個(gè)供電電源來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)全橋電路4個(gè)管子的驅(qū)動(dòng)，避免了以往橋式驅(qū)動(dòng)中多獨(dú)立電源的麻煩,還可以和主電路共地. 由于MOS管通常導(dǎo)通時(shí)間要小于截止時(shí)間，這樣在交替導(dǎo)通的瞬間往往容易發(fā)生橋路短路現(xiàn)象，改進(jìn)的辦法是在驅(qū)動(dòng)臂上并聯(lián)二極管1N4148來(lái)加速電流回吸，以起到加速截止的作用，使MOS管的截止加快。為了防止MOS管在開(kāi)關(guān)的瞬間,尖鋒電壓導(dǎo)致MOS管被擊穿，在橋路中加入了起緩沖嵌位作用的二極管，電阻和電容. 圖4 逆變電路 3.保護(hù)電路如圖5所示，電流1在采

14、樣電阻上產(chǎn)生的電壓經(jīng)LM358放大10倍后于參考電壓比較，超過(guò)則輸出低電平，C31向二極管迅速放電使SID信號(hào)被拉低，浮柵型驅(qū)動(dòng)器輸出被關(guān)閉，向單片機(jī)報(bào)警.同時(shí)I變小，運(yùn)放1腳輸出高低平，5V經(jīng)過(guò)R23對(duì)C31充電,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間達(dá)到IR211O的高電平門(mén)限，再次打開(kāi)場(chǎng)效應(yīng)管.這樣可以保證過(guò)流時(shí)迅速關(guān)斷輸出，關(guān)閉一段時(shí)間后自行試探，在故障消除后自動(dòng)恢復(fù)。圖5 過(guò)流保護(hù)電路4. 輔助電源 由于輸入直流電壓只有12V，而給芯片供電需要15V,5V，3.3V，需要多路輸出.如圖6所示,采用反激式變換器再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓，可以很好地隔離并且使損耗較小。本設(shè)計(jì)中采用電流型脈寬調(diào)制芯片UC3845驅(qū)動(dòng)IRF

15、540控制占空比,經(jīng)高頻變壓器和半波整流得到多路直流輸出。圖6 輔助電源5。SPWM產(chǎn)生程序 如圖7所示為程序的流程圖,利用Cortex M3產(chǎn)生雙極性SPWM波,由于單片機(jī)沒(méi)有負(fù)壓故需要對(duì)脈寬進(jìn)行抬升到正軸以上。由于頻率較高,所以利用M3內(nèi)部鎖相環(huán)模塊將系統(tǒng)時(shí)鐘倍頻到50MHZ，利用定時(shí)中斷按時(shí)到按正弦規(guī)律變化的表中查詢(xún)改變輸出脈寬。 圖7 SPWM波產(chǎn)生程序流程圖 四、仿真結(jié)果及分析1。測(cè)試方法與測(cè)試條件1.1 測(cè)試儀器數(shù)字示波器 DS5062MAE;4位半數(shù)字萬(wàn)用表 MY65；15M數(shù)字信號(hào)源 RIGOL DG1011;雙路可跟蹤直流穩(wěn)定電源 EM1715；OrCAD 10。5.1.2

16、仿真及測(cè)試方法1。2.1 隔離型直流變換的測(cè)量:用雙蹤示波器觀察輸入波形,并測(cè)出開(kāi)環(huán)時(shí)占空比變化，輸入輸出電壓,電流并計(jì)算出效率。1.2。2 SPWM波的測(cè)試：通過(guò)對(duì)M3編寫(xiě)程序,用示波器測(cè)出波形。1。2。3 逆變電路仿真 ：在OrCadPspice中輸入全橋電路，觀察仿真結(jié)果. 2. 主要測(cè)試結(jié)果2。1 隔離型直流變換器的測(cè)試2.1。1 高頻變壓器原級(jí)波形如圖8所示.圖8 變壓器原級(jí)波形2。1.2 效率測(cè)試占空比（%）輸入電壓Ui（V）輸入電流Ii(A）輸出電壓UO(V）輸出電流IO(A)效率(）1411.91.141030。1070。8133121.781940.0900.8245121。

17、962210.0850.7982.2 SPWM波的測(cè)試 將Cortex M3產(chǎn)生的兩路SPWM波形送入IR2110驅(qū)動(dòng)全橋，用示波器測(cè)IR2110輸出端波形，如圖9所示.圖9 SPWM波形2.3 逆變電路的仿真 利用OrCad/Pspice進(jìn)行逆變模塊仿真來(lái)驗(yàn)證參數(shù)的設(shè)定是否合理。如圖10為在Pspice軟件中的仿真原理圖。 圖10 SPWM逆變仿真主電路元件參數(shù)根據(jù)計(jì)算可知，L=4.7uH，C=2。2Uf.仿真波形如圖11所示.圖11 Pspice軟件仿真波形3.仿真及測(cè)試結(jié)果分析通過(guò)仿真及部分實(shí)物測(cè)試結(jié)果可知，基本要求以及發(fā)揮部分均達(dá)到要求。能將12V的電壓經(jīng)高頻變壓器得到270V的高壓直

18、流電，并經(jīng)過(guò)逆變得到220V的工頻交流電,前級(jí)高頻推挽升壓效率可達(dá)80。參考文獻(xiàn) 1楊蔭福等編著。電力電子裝置及系統(tǒng)。北京:清華大學(xué)出版社,2006。92王兆安 劉進(jìn)軍主編. 電力電子技術(shù)。 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.53忠炎平主編。電力電子電路設(shè)計(jì). 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010。44黃智偉編著.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2006.125黃爭(zhēng)編著.2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽優(yōu)秀作品選集。 上海:德州儀器半導(dǎo)體技術(shù)（上海）有限公司大學(xué)部,2009。12附件：實(shí)物圖:SPWM程序：#include "hw_types。h"

19、;#include ”hw_memmap。h”include ”hw_ints.h"include "hw_gpio。h”include ”hw_pwm。h”include ”sysctl.h”#include ”systick。h”#include ”debug。h"#include "gpio.h”include ”pwm.h"include ”interrupt.h" include "timer.h"const unsigned long ulTab360 = /* 一個(gè)周期的SIN函數(shù)表 / 1400，

20、1424， 1447, 1471, 1494， 1518， 1541， 1565, 1588， 1611， 1634， 1658， 1681, 1704, 1727， 1749, 1772, 1795， 1817, 1840, 1862, 1884， 1906, 1927， 1949， 1971， 1992, 2013， 2034, 2054, 2075， 2095, 2115， 2135, 2155, 2174, 2194， 2212， 2231, 2250, 2268， 2286， 2303, 2321， 2338, 2355， 2371， 2387， 2403， 2419, 2434，

21、2449, 2464, 2478, 2492， 2506, 2519， 2532， 2545, 2557， 2569, 2581， 2592， 2603， 2613, 2624， 2633， 2643， 2652, 2660, 2669， 2676， 2684, 2691, 2698， 2704， 2710, 2715， 2720, 2725, 2729， 2733, 2737， 2740, 2743, 2745， 2747, 2748， 2749， 2750， 2750， 2750, 2749, 2748, 2747, 2745， 2743， 2740， 2737, 2733, 2729,

22、2725， 2720， 2715, 2710， 2704, 2698， 2691， 2684, 2676, 2669, 2660， 2652, 2643, 2633， 2624， 2613， 2603， 2592, 2581， 2569， 2557， 2545, 2532, 2519， 2506, 2492, 2478， 2464, 2449， 2434， 2419, 2403， 2387, 2371, 2355, 2338， 2321， 2303, 2286, 2268， 2250, 2231， 2212， 2194， 2174， 2155， 2135, 2115， 2095, 2075，

23、2054， 2034， 2013， 1992， 1971, 1949, 1927, 1906， 1884, 1862, 1840， 1817， 1795, 1772, 1749， 1727, 1704, 1681, 1658， 1634, 1611, 1588， 1565, 1541， 1518， 1494, 1471， 1447， 1424， 1400, 1376， 1353, 1329， 1306, 1282， 1259， 1235， 1212, 1189， 1166， 1142， 1119， 1096， 1073， 1051， 1028, 1005, 983, 960, 938, 916

24、， 894, 873， 851, 829, 808, 787， 766， 746， 725, 705， 685， 665, 645， 626， 606， 588， 569, 550, 532， 514, 497， 479, 462, 445， 429， 413，397,381， 366，351, 336, 322, 308, 294， 281， 268, 255， 243， 231， 219, 208, 197, 187, 176， 167， 157， 148, 140, 131, 124, 116， 109, 102， 96， 90， 85， 80， 75, 71， 67， 63, 60，

25、57, 55, 53, 52, 51， 50, 50， 50, 51, 52， 53， 55, 57, 60, 63， 67, 71， 75, 80, 85, 90, 96, 102, 109, 116， 124, 131， 140, 148， 157， 167, 176, 187, 197， 208, 219, 231， 243， 255， 268, 281, 294, 308, 322， 336, 351, 366， 381， 397， 413， 429， 445, 462, 479， 497, 514， 532， 550， 569， 588, 606, 626， 645, 665， 68

26、5， 705, 725, 746, 766, 787， 808, 829, 851, 873, 894， 916, 938, 960, 983， 1005, 1028, 1051, 1073， 1096, 1119， 1142， 1166， 1189, 1212， 1235, 1259， 1282， 1306， 1329， 1353， 1376 ;個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請(qǐng)勿用作商業(yè)用途static unsigned long n = 0; /-/防JTAG失效程序/-void jtagWait（void) SysCtlPeripheralEnable（SYSCTL_PER

27、IPH_GPIOB）;GPIODirModeSet(GPIO_PORTB_BASE,GPIO_PIN_5，GPIO_DIR_MODE_IN)；if（GPIOPinRead(GPIO_PORTB_BASE，GPIO_PIN_5）=0x00） for(; ；)； SysCtlPeripheralDisable（SYSCTL_PERIPH_GPIOB)；/-/延時(shí)子程序/-void delay(int x） int i;for( ; x ； -x）for（i=0；i<10000;i+)；void PWMinit() SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GP

28、IOD）; / 使能PWM0和PWM1輸出所在GPIOD SysCtlPeripheralEnable（SYSCTL_PERIPH_PWM); / 使能PWM模塊 SysCtlPWMClockSet(SYSCTL_PWMDIV_1）； / PWM時(shí)鐘配置：不分頻 GPIOPinTypePWM（GPIO_PORTD_BASE， / PD0和PD1配置為PWM功能 GPIO_PIN_0 GPIO_PIN_1）； /*PWM發(fā)生器的配置與控制 /PWMGenConfigure(PWM_BASE, PWM_GEN_0， / 設(shè)置PWM發(fā)生器0為上下計(jì)數(shù)方式，兩路PWM不同步 PWM_GEN_MODE_

29、UP_DOWN | PWM_GEN_MODE_NO_SYNC)；PWMGenPeriodSet（PWM_BASE,PWM_GEN_0,2800）; / 設(shè)置兩路PWM的共同周期 PWMPulseWidthSet（PWM_BASE，PWM_OUT_0，1400）； / 分別設(shè)置PWM的匹配值/*PWM死區(qū)控制 /PWMDeadBandEnable（PWM_BASE, / 使能PWM發(fā)生器0死區(qū),并設(shè)置死區(qū)延時(shí),以PWM0為基準(zhǔn)產(chǎn)生兩路對(duì)稱(chēng)互補(bǔ)方波PWM_GEN_0, 6, /* 設(shè)置上升沿延時(shí)（7.5s) */ 6); / 設(shè)置下降沿延時(shí)（10s） / PWMOutputState（PWM_BASE， PWM_OUT_0_BIT | PWM_OUT_1_BIT, true)； / 使能PWM0和PWM1PWMGenEnable(PWM_BASE， PWM_GEN_0); / 使能PWM發(fā)生器0 /同步控制 / PWMSyncUpdate（PWM_BASE,PWM_GEN_0_BIT）; PWMSyncTimeBase（PWM_BASE， PWM_G