單相正弦脈寬調制逆變器的設計

單相正弦脈寬調制逆變器的設計

摘要：論述了單相正弦波逆變器的工作原理，介紹了SG3524的功能及產生SPWM波的方法，對逆變器的控制及保護電路作了詳細的介紹，給出了輸出電壓波形的實驗結果。

引言

當鐵路、冶金等行業的一些大功率非線性用電設備運行時，將給電網注入大量的諧波，導致電網電壓波形畸變。根據我們的實驗觀察，在發生嚴重畸變時，電壓會出現正負半波不對稱，頻率也會發生變化。這樣的供電電壓波形，即使是一般的電力用戶，也難以接受，更無法用其作為檢修、測試的電源。同時，在這種情況下，一般的穩壓電源也難以達到滿意的穩壓效果。為此，我們設計了該逆變電源。其控制電路采用了2片集成脈寬調制電路芯片SG3524，一片用來產生PWM波，另一片與正弦函數發生芯片ICL8038做適當的連接來產生SPWM波。集成芯片比分立元器件控制電路具有更簡單、更可靠的特點和易于調試的優點。

圖1 系統主電路和控制電路框圖

1 系統結構及框圖

圖1示出了系統主電路和控制電路框圖。交流輸入電壓經過共模抑制環節后，再經工頻變壓器降壓，然后整流得到一個直流電壓，此電壓經過Boost電路進行升壓，在直流環上得到一個符合要求的直流電壓350V（50Hz/220V交流輸出時）。DC/AC變換采用全橋變換電路。為保證系統可靠運行,防止主電路對控制電路的干擾，采用主、控電路完全隔離的方法，即驅動信號用光耦隔離，反饋信號用變壓器隔離，輔助電源用變壓器隔離。過流保護電路采用電流互感器作為電流檢測元件，其具有足夠快的響應速度，能夠在MOS管允許的過流時間內將其關斷。

2 控制及保護電路

為了降低成本，使用兩塊集成PWM脈沖產生芯片SG3524和一塊函數芯片ICL8038，使得控制電路簡潔，易于調試。

2.1 SG3524的功能及引腳

圖2所示為SG3524的結構框圖和引腳圖。

SG3524工作過程是這樣的：

直流電源Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準電壓穩壓器的輸入端，產生穩定的＋5V基準電壓。＋5V再送到內部（或外部）電路的其他元器件作為電源。

振蕩器腳7須外接電容CT，腳6須外接電阻RT。振蕩器頻率f由外接電阻RT和電容CT決定，f=1.18/RTCT。本設計將Boost電路的開關頻率定為10kHz，取CT=0.22μF，RT=5kΩ；逆變橋開關頻率定為5kHz，取CT=0.22μF，RT=10kΩ。振蕩器的輸出分為兩路，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩態觸發器及兩個或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相端，比較器的反向端接誤差放大器的輸出。

誤差放大器實際上是個差分放大器，腳1為其反向輸入端；腳2為其同相輸入端。通常，一個輸入端連到腳16的基準電壓的分壓電阻上（應取得2.5V的電壓），另一個輸入端接控制反饋信號電壓。本系統電路圖中，在DC/DC變換部分，SG3524?1芯片的腳1接控制反饋信號電壓，腳2接在基準電壓的分壓電阻上。誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進行比較，從而在比較器的輸出端出現一個隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個輸入端�；蚍情T的另兩個輸入端分別為雙穩態觸發器和振蕩器鋸齒波。雙穩態觸發器的兩個輸出端互補，交替輸出高低電平，其作用是將PWM脈沖交替送至兩個三極管V1及V2的基極，鋸齒波的作用是加入了死區時間，保證V1及V2兩個三極管不可能同時導通。最后，晶體管V1及V2分別輸出脈沖寬度調制波，兩者相位相差180°。當V1及V2并聯應用時，其輸出脈沖的占空比為0％～90％；當V1及V2分開使用時，輸出脈沖的占空比為0％～45％，脈沖頻率為振蕩器頻率的1/2，在本系統電路圖（圖1）中，兩塊SG3524都為并聯使用。當腳10加高電平時，可實現對輸出脈沖的封鎖，進行過流保護。

2.2 利用SG3524生成SPWM信號

按照上述SG3524的工作原理，要得到SPWM波，必須得有一個幅值在1～3.5V，按正弦規律變化的饅頭波，將它加到SG3524?2內部，并與鋸齒波比較，就可得到正弦脈寬調制波。我們設計的控制電路框圖，以及實際電路各點的波形，如圖3所示。正弦波電壓ua由函數發生器ICL8038產生。ICL8038引腳和具體的接法如圖4所示。正弦波的頻率由R1，R2和C來決定，f=，為了調試方便，我們將R1及R2都用可調電阻，R2和R是用來調整正弦波失真度用的。在實驗中我們測得當f=50Hz時，R1＋R2=9.7kΩ，其中C=0.22μF。正弦波信號產生后，一路經過精密全波整流，得到饅頭波uc，另一路經過比較器得到與正弦波同頻率，同相位的方波ub。uc與1V基準經過加法器后得到ud，ud輸入到SG3524?2的腳1，腳2與腳9相連，這樣ud和鋸齒波將在SG3524?2內部的比較器進行比較產生SPWM波ue。分相電路用一塊二輸入與門74LS08和一塊單輸入非門74LS05所組成。ub和ue加到分相電路后就可以得到驅動信號uf和ug，再將uf和ug加到MOS管

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