整理SG3525正弦波逆變電源設(shè)計(jì)

1、等級:湖南工程學(xué)院課程名稱電力電子技術(shù)課題名稱SG3525正弦波逆變電源設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師2013年12月16日課程設(shè)計(jì)任務(wù)課程名稱單片機(jī)原理及應(yīng)用智能密碼鎖設(shè)計(jì)專業(yè)班級 學(xué)生姓名指導(dǎo)老師任務(wù)書下達(dá)日期 2013年12月16日設(shè)計(jì)完成日期2013年12 月27 日設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)內(nèi)容:1.1)2)3)4)2.3.1)2)3)4.1)2)3)4)電路功能：逆變就是將直流變?yōu)榻涣鳌Ｓ刹ㄐ伟l(fā)生器產(chǎn)生50Hz、幅度可變的 正弦波，與鋸齒波比較后，再通過 PWM電路，輸出SPW波，經(jīng) 過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)逆變電路進(jìn)行逆變， 再經(jīng)過高頻變壓器與濾波電 路輸出-50Hz的正弦波。電路由主電路與控制電路組成，主電路

2、主要環(huán)節(jié)：高頻逆變電路、 濾波環(huán)節(jié)?？刂齐娐分饕h(huán)節(jié)：正弦信號發(fā)生電路、脈寬調(diào)制PWM 電壓電流檢測單元、驅(qū)動(dòng)電路。功率變換電路中的高頻開關(guān)器件采用IGBT或MOSFET 系統(tǒng)具有完善的保護(hù)系統(tǒng)總體方案確定 主電路設(shè)計(jì)與分析 確定主電路方案 主電路元器件的計(jì)算及選型 主電路保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì) 控制電路設(shè)計(jì)與分析 檢測電路設(shè)計(jì) 功能單元電路設(shè)計(jì) 觸發(fā)電路設(shè)計(jì) 控制電路參數(shù)確定設(shè)計(jì)要求:1.2.3.4.5.6.7.要求輸出正弦波的幅度可調(diào)。用SG352礦生脈沖。設(shè)計(jì)思路清晰，給出整體設(shè)計(jì)框圖；單元電路設(shè)計(jì)，給出具體設(shè)計(jì)思路和電路；分析所有單元電路與總電路的工作原理，并給出必要的波形分 析。繪制總電路圖

3、寫出設(shè)計(jì)報(bào)告；1.1)2)3)4)5)主要設(shè)計(jì)條件 設(shè)計(jì)依據(jù)主要參數(shù)輸入輸出電壓：輸入（DC +15V、10V （AC 輸出電流：1A電壓調(diào)整率：W 1% 負(fù)載調(diào)整率：W 1%效率：0.82.可提供實(shí)驗(yàn)與仿真條件1.2.3.4.5.6.7.8.9.11、說明書格式課程設(shè)計(jì)封面；任務(wù)書；說明書目錄；設(shè)計(jì)總體思路，基本原理和框圖（總電路圖）單元電路設(shè)計(jì)（各單元電路圖）；故障分析與電路改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)及仿真等?？偨Y(jié)與體會(huì)；附錄（完整的總電路圖）；參考文獻(xiàn)；課程設(shè)計(jì)成績評分表進(jìn)度安排第一周星期一：課題內(nèi)容介紹和查找資料；星期二:總體電路方案確定 星期三:主電路設(shè)計(jì)星期四:控制電路設(shè)計(jì) 星期五:控制電路設(shè)計(jì)；

4、 第二周星期一：控制電路設(shè)計(jì)星期二：電路原理及波形分析、實(shí)驗(yàn)調(diào)試及仿真等星期四五：寫設(shè)計(jì)報(bào)告，打印相關(guān)圖紙; 星期五下午：答辯及資料整理目錄第1章概述1.2解決方法1.3設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)第2章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路2.1系統(tǒng)基本工作原理2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖第3章系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2系統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計(jì) 第4章單元電路設(shè)計(jì)4.1正弦信號發(fā)生電路設(shè)計(jì)4.2 寬度調(diào)制PWM電路設(shè)計(jì)16 1112第6章總結(jié)與體會(huì)附錄1總電路圖附錄2參考文獻(xiàn)附錄3課程設(shè)計(jì)成績評分表4.3電壓電流檢測電路設(shè)計(jì)4.4光耦合驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)131415概述1.1 課題來源電力逆變電源有著廣泛的用途，它可用

5、于各類交通工具，在太陽能及風(fēng) 能發(fā)電領(lǐng)域，逆變器有著不可替代的作用。電力控制系統(tǒng)的可靠程度是電 力系統(tǒng)和設(shè)備可靠、高效運(yùn)行的保證，而電力控制系統(tǒng)必須具備安全可靠 的控制電源。電力系統(tǒng)中為保證變電所的諸如后臺(tái)機(jī)、通訊設(shè)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UPS電源存在容量小、價(jià)格貴、故障率高等不足，因此綜合自動(dòng)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。1.2 解決方法逆變電源是一種采用電力電子技術(shù)進(jìn)行電能變換的裝置，它從交流或直UPS電源存在的流輸入獲得穩(wěn)壓恒頻的交流輸出。利用逆變電源可以解決 各種缺點(diǎn)，可以很好的運(yùn)用在一些不能

6、斷電的場合。本相正弦波SPWI逆變電源的設(shè)計(jì)以SG3252為核心，采用了運(yùn)算放大器、二極管、功率場效應(yīng)管、 電容和電阻等器件來組成電路。1.3設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)1. 降低了電力逆變器系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用：現(xiàn)運(yùn)行的綜合自動(dòng)化變電所 中，一般設(shè)后臺(tái)監(jiān)控微機(jī)，通訊設(shè)備大多為微波及光纖機(jī)等，此類監(jiān)控和 通訊設(shè)備工作電源為交流電源，要做到不間斷供電，以滿足四遙要求，不 同的設(shè)備須單獨(dú)裝設(shè)不間斷電源（UPS）和蓄電池組。而變電所中裝設(shè)逆變電 源可直接利用所用直流電源系統(tǒng)的大容量蓄電池提供交流電源，比UPS供電方案節(jié)約了投資費(fèi)用，避免了蓄電池組的重復(fù)投資，減少了維護(hù)工作量， 降低了運(yùn)行成本。2. 提高了電力逆變器供電可

7、靠性：中裝設(shè)的直流電源系統(tǒng)，可靠性高、 壽命長，因此采用直流動(dòng)力+逆變器方案，利用所用直流電源系統(tǒng)的監(jiān)控功 能和逆變器的通訊功能可遠(yuǎn)方實(shí)時(shí)監(jiān)視逆變電源的運(yùn)行狀態(tài)，解決了常規(guī) UPS電源的蓄電池容量小、無監(jiān)控，容易出現(xiàn)蓄電池?fù)p壞又不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的 問題。由于變電所直流電源系統(tǒng)蓄電池的大容量，電網(wǎng)斷電后不間斷供電 時(shí)間大大延長，真正起到了保安電源的作用，提高了其供電可靠性。3. 提高了電力逆變器供電的安全性：力逆變器是新一代的DC/AC電源產(chǎn) 品，輸入為220V直流電，輸出為220V 50Hz正弦波交流電，輸入輸出端 完全與市電隔離，避免了市電波動(dòng)對負(fù)載的影響，完全滿足變電所分站RTU 通訊設(shè)備和微

8、機(jī)等設(shè)備對工作電源的要求，而完全與市電隔離，還可避免 雷電等過電壓造成的電源板燒毀事故，提高了負(fù)載的安全性。第2章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路本課題采用單相橋式逆變電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 逆變器主電路開關(guān)管采用功率MOSFET具有開關(guān)頻率高，驅(qū)動(dòng)電路簡單等特點(diǎn)。當(dāng)開關(guān)期間，VT1,VT2輪流導(dǎo)通，即可在負(fù)載端得到所需幅值與頻率的電源。脈寬調(diào)制信號由專 用的集成芯片SG3252產(chǎn)生。由正弦波發(fā)生器產(chǎn)生一幅度可變的正弦波，送 人SG3525輸出經(jīng)調(diào)制的SPW波形，經(jīng)過反相器反相后，得到兩路互為反 相的PWM驅(qū)動(dòng)信號，分別驅(qū)動(dòng)功率場效應(yīng)管交替導(dǎo)通，從而在高頻變壓器 的副邊得到一 SPW波形，經(jīng)過LC

9、濾波后，得到所需的正弦波，幅度可通 過電位器RP進(jìn)行改變。2.2 系統(tǒng)工作原理逆變器主電路開關(guān)管采用功率 MOSFE管，具有開關(guān)頻率高、驅(qū)動(dòng)電路 簡單、系統(tǒng)效率較高的特點(diǎn)。當(dāng)開關(guān)其間VT、VT2輪流導(dǎo)通即可在負(fù)載端得到所需頻率與幅值的交流電源。脈寬調(diào)制信號由專用集成芯片 SG352尹生。SG3525芯片不僅能產(chǎn)生頻 率靈活可變的方波，而且可輸出正弦 PWMSPWM信號，以提高后接變壓器 的工作頻率。為了使SG3525產(chǎn)生一個(gè)SPWI信號，可在芯片的9腳處加入 一個(gè)幅度可變的50Hz正弦波（我們這里僅需得到頻率固定的50Hz可變電源，若需獲得頻率也可變的交變電源，則只需在9腳處加入一個(gè)幅值與頻率

10、均可變的正弦波即可），與5腳處的鋸齒波信號進(jìn)行比較，從而獲得SPWM 控制信號，改變正弦波的幅值，即改變調(diào)制度M（調(diào)制度定義為正弦波調(diào)制 波峰Um與鋸齒波載波峰值Utm之比，即M = lU/Utm ）就可以改變輸出電壓的幅 值，正常 M 1?？紤]到5腳處的鋸齒波如圖2.1所示，鋸齒波的頂點(diǎn)UH約 為3.3V，谷點(diǎn)UL約為0.9V。U圖2.12.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖第3章 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 士丄C$單相橋式逆變電路女口圖所示的單相全橋逆變電路主要由逆變電路和控制電路組成。逆變 電路包括逆變?nèi)珮蚝蜑V波電路，其中逆變?nèi)珮蛲瓿芍绷鞯浇涣鞯淖儞Q.濾 波電路濾除諧波成分以獲得需要的交流

11、電；控制電路完成對逆變橋中開關(guān) 管的控制并實(shí)現(xiàn)部分保護(hù)功能。圖中的逆變?nèi)珮蛴?個(gè)開關(guān)管和4個(gè) 續(xù)流二極管組成，工作時(shí)開關(guān)管在高頻條件下通斷.開關(guān)瞬間開關(guān)管電壓 和電流變大，損耗大，結(jié)溫升高，加上功率回路寄生電感、振蕩及噪聲等.極 易導(dǎo)致開關(guān)管瞬間損壞，以往常用分立元件設(shè)計(jì)開關(guān)管的保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng) 電路，導(dǎo)致電路龐大且不可靠。3.2 系統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)5=+1%+ 15*3-10ri輸入電用丄欠壓保護(hù)入電汗G町過壓保護(hù)輸入過電壓和欠電壓保護(hù)電路圖如圖所示，直流電壓保護(hù)信號取自自主電路輸入電壓，經(jīng)電阻R84分壓和管夠隔離后送入控制電路。利用光電耦合器吧各種模擬負(fù)載和數(shù)字信號 隔離開來，也就是吧“模擬地

12、”與“數(shù)字地”斷開。進(jìn)過光耦的保護(hù)信號 通過比較器分別與設(shè)定的最大或最小電壓值進(jìn)行比較，如果電壓值超過限 定值，比較器就輸出低電平。比較器的輸出信號相與，所得的信號送入DSP 的PDPINT中斷口。當(dāng)器件引腳 PDPINT被拉低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)外部中斷， 這個(gè)中斷是為系統(tǒng)的安全操作提供的。如果PIPINT未被屏蔽，且被拉低后， 所有的PWM&出均為高阻態(tài)。這樣就可以在過流等故障的情況下，吧逆變 器的的PWMI制信號封死，從而實(shí)現(xiàn)對逆變器的保護(hù)。單元電路設(shè)計(jì)4.1正弦信號發(fā)生電路設(shè)計(jì)正弦波發(fā)生電路圖如圖可知，正弦波發(fā)生器由兩部分組成，前半部分為 RC串并聯(lián)型正弦 波振蕩器，振蕩頻率設(shè)定在5

13、0Hz,調(diào)節(jié)電位器RP (即實(shí)驗(yàn)掛箱面板上的幅 度調(diào)節(jié)電位器)，即可調(diào)節(jié)正弦波峰一峰值，從而調(diào)節(jié)SPWMI號的脈沖寬度以及逆變電源輸出基波電壓的大小。正弦波發(fā)生器的后半部分為移位電 路，將正負(fù)對稱的正弦波移位到第一象限，并使正弦波的谷點(diǎn)在0.9V之上。4.2 寬度調(diào)制PWM電路設(shè)計(jì)SPWM控制原理：逆變電路理想的輸出電壓是圖 2-1 (a)正弦波uO=Uo1sinCD t。而電壓型逆變電路的輸出電壓是方波，如果將一個(gè)正弦波半波電壓分稱為 SPWMSinusoidal Pulse Width Modulation成N等分，并把正弦曲線每一等分所包圍的面積都用一個(gè)與其面積相等的 等副矩形脈沖來代替

14、，且矩形脈沖的中點(diǎn)與相應(yīng)正弦等分的中重合，得到 如圖2-1 (b)所示的脈沖列這就是PWM波形。正弦波的另外一個(gè)半波可以 用相同的方法來等效?？梢钥闯觯?PWM波形的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化, )波形。X/I/，、MI住1h riII: iIji: i卜./i LX i.: ! !2 n+(a)正弦電壓UPWM-Ud/ ei/ e5=e2(b)SPWM等效電壓衣根據(jù)采樣控制理論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán) 節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。脈沖頻率越高， SPWM波形越接近正弦波。逆變 器的輸出電壓為SPW波形時(shí)，其低次諧波將得到很好的抑制和消除，高次 諧波又能很容易濾去，從而可獲得畸變

15、率極低的正弦波輸出電壓。SPWM控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通、斷進(jìn)行控制，使輸出端 得帶一系列幅值相等而狂度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或者其他所需要的波形。本設(shè)計(jì)是采用SG3525芯片來產(chǎn)生SPW波。PW控制芯片SG3525簡介:SG3525是電流控制性型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按 照反饋電流表調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線 圈的信號與誤差信號放大器輸出信號進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出電 感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán) 系統(tǒng)。因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都 有提高，是目前比較理

16、想的新型控制器。SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作特性反相輸入同相輸入同步端同步輸出CTRt軟電端軟啟動(dòng)116215314135121161089U RefU CC輸出BUC接地輸出A封鎖端補(bǔ)償端SG3525引腳圖1. 相輸入端（引腳1）：誤差放大器的反相輸入端，該誤差放大器的增益標(biāo) 稱值為80dB,其大小由反饋或輸出負(fù)載而定，輸出負(fù)載可以是純電阻，也 可以是電阻性元件和電容元件的組合。該誤差放大器的共模輸入電壓范圍 為1.55.2V。此端通常接到與電源輸出連接的電阻分壓器上。負(fù)反饋控制時(shí)，將電源輸出電壓分壓后與基準(zhǔn)電壓相比較。2. 相輸入端（引腳2）:此端通常接到基準(zhǔn)電壓引腳16的分壓電阻上，取 得

17、2.5V的基準(zhǔn)比較電壓與引腳1的取樣電壓相比較。3. 步端（引腳3）:為外同步用。需要多個(gè)芯片同步工作時(shí)，每個(gè)芯片有各 自的振蕩可以分別與它們的引腳 4相副腳3相連，這時(shí)所有芯片的工作頻 率最快的芯片工作頻率同步；也可以使單個(gè)芯片以外部時(shí)鐘頻率工作。4. 步輸出端（引腳4）:同步脈沖輸出。作為多個(gè)芯片同步工作時(shí)使用。5. 振蕩電容端（引腳5）:振蕩電容一端接至引腳5,另一端直接接至地端。6. 振蕩電阻端（引腳6）:振蕩電阻一端接至引腳6,另一端直接接至地端。7. 放電端（引腳7）:Ct的放電由5、7兩端的死區(qū)電阻決定。8. 軟起動(dòng)（引腳8）:比較器的反相端，即軟起動(dòng)器控制端（引腳8），弓I腳

18、8可外接軟起動(dòng)電容。9. 補(bǔ)償端（引腳9）:在誤差放大器輸出端引腳 9與誤差放大器反相輸入 端引腳1間接電阻與電容，構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，補(bǔ)償系統(tǒng)的幅頻、相頻響應(yīng)特 性。10. 鎖端（引腳10）:引腳10為PWM鎖存器的一個(gè)輸入端，一般在該端接 入過流檢測信號。11. 沖輸出端（引腳11、引腳14）:輸出末級采用推挽輸出電路，驅(qū)動(dòng)場 效應(yīng)功率管時(shí)關(guān)斷速度更快。12. 地端（引腳12）:該芯片上的所有電壓都是相對于引腳 12而言，既是 功率地也是信號地。13. 挽輸出電路電壓輸入端嶼1腳13）:作為推挽輸出級的電壓源，提高 輸出級輸出功率。14. 片電源端（引腳15）:直流電源從引腳15引人分為兩路：

19、一路作為內(nèi) 部邏輯和模擬電路的工作電壓；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端， 產(chǎn)生 5.1V 土 1的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。15.準(zhǔn)電壓端（引腳16）:基準(zhǔn)電壓端引腳16的電壓由內(nèi)部控制在 5.1V 土 1?？梢苑謮汉笞鳛檎`差放大器的參考電壓4.3 電壓電流檢測電路設(shè)計(jì)場效應(yīng)晶體管與電阻相結(jié)合進(jìn)行電流檢測電路:如上圖所示，這種檢測技術(shù)是上一種的改進(jìn)形式，只不過它的檢測器件不是 FET而是小電阻。在這種檢測電路中檢測小電阻的阻值相對來說比檢測FET的RDS要精確很多，其檢測精度也相對來說要高些，而且無需專門電路來保 證功率FET和檢測FET漏端的電壓相等，降低了設(shè)計(jì)難度,但是其代價(jià)就是檢測小電阻所帶來的額

20、外功率損耗比第一種檢測技術(shù)的1/ N2還要?。∟為功率FET和檢測FET的寬度之比）。此技術(shù)的缺點(diǎn)在于,由于M1 ,M3的V DS不相等（考慮VDS對IDS的影響）,IM 與IS之比并不嚴(yán)格等于N，但這 個(gè)偏差相對來說是很小的,在工程中N應(yīng)盡可能的大，RSENSE應(yīng)盡可能的 小。在高效的、低壓輸出、大負(fù)載應(yīng)用環(huán)境中，就可以采用這種檢測技術(shù)。4.4 光耦合驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)%A31200R能5光耦合驅(qū)動(dòng)電路圖以上隔離驅(qū)動(dòng)電路采用A3120光耦合隔離驅(qū)動(dòng)電路，A3120具有欠壓鎖 定保護(hù)功能，當(dāng)輸入信號問高電平時(shí)，A3120輸出為高電平，由功放級的NPN晶體管放大后輸出，驅(qū)動(dòng)功率器件。當(dāng)輸入低電平時(shí)，A3120輸出為低電平，功放級的NPN晶體管導(dǎo)通，功率器件級間承受反壓關(guān)段。圖中R的大小你將影響開關(guān)損耗，并且影響功率開關(guān)的關(guān)斷尖峰大小及逆變器件輸 出波形的質(zhì)量。逆變橋選用的不同的功率開關(guān)，應(yīng)調(diào)整R57的大小，使逆變器獲得最佳的性能?？偨Y(jié)與體會(huì)通過這次課程設(shè)計(jì)，讓我對單相正弦波SPW逆變電源的工作原理