电子设计大赛-单相正弦逆变并网电源设计

单相正弦逆变并网电源设计摘要：本单相正弦波逆变电源的设计，以25V±5v直流电源作为输入，输出为220V、50Hz的标准正弦波交流电。该电源采用激推挽逆变变换，采用电源芯片tl494进行激推挽逆变，采用TLP5615完成电源功率的调制，后级输出采用采样电阻进行采样反馈，形成双重反馈环节，增加了电源的稳定性；在保护上，具有输出过载、短路保护、过流保护、等多重保护功能电路，增强了该电源的可靠性和安全性；输出交流电压通过AD637的真有效值转换后，再由STC89C52单片机的控制进行模数转换，最终将电压值显示到液晶12864上，形成了良好的人机界面。该电源很好的完成了各项指标。关键字：DC-AC变换器工频隔离变器过流保护单相正弦波逆变Abstract:Thedesignofthesingle-phasesinewaveinverterto25V±5vDCpowersupplyasaninput,theoutputis220V,50HzstandardACsinewave.Excitedpush-pullinvertertotransformthepower,powerchiptl494excitedpush-pullinverter,TLP5615completedthemodulationofthepowersupplypowerlevelaftertheoutputsamplingresistorissampledfeedback,theformationofadoublefeedbackloops,increasingthestabilityofthepower;intheprotection,outputoverload,shortcircuitprotection,overcurrentprotection,andothermultipleprotectionfeaturescircuit,enhancedreliabilityandsecurityofthepowersupply;outputACvoltageAD637trueRMSconversion,thenbySTC89C52microcontrollercontrolanalogtodigitalconversion,willeventuallyshowavoltagetotheliquidcrystal12864,theformationofagoodman-machineinterface.Thepowersupplycompletedvariousindicators.Keywords:DC-ACconverterworkingfrequencyisolationvariabledeviceovercurrentprotectionsingle-phasesinewaveinverter1系统方案系统框图见图1-1-1tlc5615DC-AC工频变压器并网开关AC22024±5V直流电源PC图1-1-12方案设计与论证2.1芯片选择方案一：SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，电路如图2-1-1电路如图2-1-1方案二：采用TI电源芯片tl494，目前所有的双端输出驱动IC中，可以说美国德克萨斯仪器公司开发的TL494功能最完善、驱动能力最强，其两路时序不同的输出总电流为SG3525的两倍，达到400mA。仅此一点，使输出功率千瓦级及以上的开关电源、DC/DC变换器、逆变器，几乎无一例外地采用TL494。虽然TL494设计用于驱动双极型开关管，然而目前绝大部分采用MOSFET开关管的设备，利用外设灌流电路，也广泛采用TL494。电路如图2-1-2电路如图2-1-2综合比较，采用方案二作为本系统方案。2.2逆变电路选择方案一：方波50HZ逆变逆变器的最简单的实现方式是方波逆变器，这种电路的最大特点就是简单、容易实现。其最典型的应用如小功率（1kW以下的）后备式不间断供电电源和简易逆变器。对于整流器负载，如电脑、显示器以及其它带有开关电源的各种电子设备，对电源电压波形要求非常宽松，方波逆变器是可以胜任的。随着对逆变电源性能的要求的不断提高，方波逆变电源在大多数场合的应用中被淘汰，仅仅在非常低级的应用中才得以见到。方波逆变器的原理框图如图19-1。图19-1方波逆变器的原理框图方案二：采用50Hz正弦波逆变经过50Hz变压器升压与绝缘，得到所需要的220V/50Hz的正弦交流电。从图中可以看到，逆变器的主电路与方波逆变器完全一样，所不同的是开关管的驱动信号由50Hz方波变为50Hz的十倍甚至数十倍的正弦化脉冲宽度调制脉冲串，如果将这个脉冲串“平滑”后，可以获得“正弦波”连续变化的波形。这种方法的最大优点是整个功率变换过程中仅仅有一次逆变过程，因此，电路简单效率也可以很高。逆变器采用正弦化脉冲宽度调制（SPWM），500~2000Hz的调制频率不仅大大地增加了变压器的“铁耗”，而且由于开关频率明显高于50Hz的应开关的作用，使变压器的漏感中的储能以每秒500~2000次的交换而产生可观的开关损耗，致使开关管急剧发热，因此，这是一种不可取的解决方案。此方案不可取的第二个原因是50Hz变压器和滤波器过于笨重。图19-250Hz正弦波逆变原理框图电路如图19-2。方案三：多重50Hz矩形波逆变组合的解决方案改造50Hz方波逆变器输出波形的另一个方法是采用多重化技术，即将多个方波逆变器的输出电压错开一定的相位后叠加，可以得到近似正弦波电压，以满足要求，由于电路相对负载，目前这项技术在中低功率的逆变器中已不再应用，而仅仅在高功率的逆变其中还有应用。多重50Hz矩形波逆变组合的原理框图如图19-3。图19-3多重50Hz矩形波逆变组合的原理框图综上所述，最后决定选择方案三为逆变电路。3理论分析与电路说明3.1逆变电路分析集成电路内部用于控制PWM比较器的同相输入端，当A1、A2任一输出电压升高时，控制PWM比较器的输出脉宽减小。同时，该输出端还引出端外，以便与第2、15脚间接入RC频率校正电路和直接负反馈电路，一则稳定误差放大器的增益，二则防止其高频自激。另外，第3脚电压反比于输出脉宽，也可利用该端功能实现高电平保护。第4脚为死区时间控制端。当外加1V以下的电压时，死区时间与外加电压成正比。如果电压超过1V，内部比较器将关断触发器的输出脉冲。第5脚为锯齿波振荡器外接定时电容端，第6脚为锯齿波振荡器外接定时电阻端，一般用于驱动双极性三极管时需限制振荡频率小于40kHz。第7脚为接地端。第8、11脚为两路驱动放大器NPN管的集电极开路输出端。当第8、11脚接Vcc，第9、10脚接入发射极负载电阻到地时，两路为正极***腾柱式输出，用以驱动各种推挽开关电路。当第8、11脚接地时，两路为同相位驱动脉冲输出。第8、11脚和9、10脚可直接并联，双端输出时最大驱动电流为2×200mA，并联运用时最大驱动电流为400mA。第14脚为内部基准电压精密稳压电路端。输出5V±0.25V的基准电压，最大负载电流为10mA。用于误差检出基准电压和控制模式的控制电压。TL494的极限参数：最高瞬间工作电压（12脚）42V，最大输出电流250mA，最高误差输入电压Vcc+0.3V，测试/环境温度≤45℃，最大允许功耗1W，最高结温150℃，使用温度范围0～70℃，保存温度-65～+150℃。电路见3-1-1Nin1+1Nin1-2PWM/in3DETime4CT5RT6GROUND7CI8E19E210C211VCC12OUTPUT13VREF14Nin2-15Nin2+16tl494U1tl494103C10.1uFC42700uFC5104C610KR1Res10KR3Res51KR5Res1KR8Res1KR9Res12312vHeader3GND10.01uFC3GND2Q1MOSFET-NQ2MOSFET-NQ3MOSFET-NQ4MOSFET-N100R11Res100R12Res100R13Res100R14ResVT18550VT28550D1dio4148D2Diode4148GND3GND322uHL1INDUCTOT12v12vS1SW-SPDTD55401GNDGND47uFC7CapPol110uFC8CapPol1GND2100K、2wR21Res5.1K/2wR22Res1KR23ResD3Diode0.1uF/25vC10GND41KR24GND412345PCHeader55v5v0V0V0.2R31ResGND0V1KR32GND15vGND3GND3GND3123456V~变压器Header61234AC/220VHeader4GND3GNDGND2GND1GND40GND----1Res0GND----2Res0GND----3ResGND4磁珠cizhuk电路3-1-13.2过流过压保护分析限流保护功能的实现.2-1-1图中基准电压通过R4和R6分压,使15脚的电位在(5V*R6)/R4=0.4v,但另一个误差放大器因为16脚接地了.这路误差放大器在核定的电流工作时不起作用.只有当上图的取样电阻R10电流到20A时,R10的左端电位相对地电位变成20A*0.02欧姆=-0.4V.这时TL494的15脚电位就升高到和16脚电位相同(同时变0伏)误差放大器开始工作,如果R10上的电流继续增加就通过PWM减少占空比直到完全关闭输出,正常工作的条件必须维持15脚的电位大于0伏.这样两个误差放大器分别完成了过流和稳压功能,保证了电路的安全稳定状态.3.3总电路图总电路图见附件24.软件设计4.1软件设计平台及开发工具本设计采用的时钟晶振为10MHZ。PIC16F877A采用哈佛结构设计，具有开发容易，周期短，高速，低功耗，且功能强等特点，给阅读和使用都带来了极大的方便。4.2实现方法软件部分的主要功能包括数码管的显示扫描、按键控制和产生按正弦规律变化的矩形脉冲，最大功率、频率跟踪，欠压、过流保护。将取样电压、电流送入单片机进行控制，以保护电路。系统采用面积等效法生成正弦脉宽调制波，设输入正弦波幅值为Ud，调制比为m，则第n个控制周期正弦波输出电压的平均值为：NnmUUd)5.0(2sinn=0,1,2,……,(N-1)根据等面积原则，控制信号周期也为TC，且脉冲幅值为Ud，则占空比为：NnmDn)5.0(2sinn=0,1,2,……,(N-1)4.3代码代码详见附录15.系统测试5.1测试使用的仪器测试仪器与使用设备如表4.1.1所示。表4.1.1测试仪器与设备序号名称、型号、规格数量备注1TDS2001c数字存储示波器1泰克科技（中国）有限公司2UT804A数字台式万用表a1？3SP1641B型函数/任意波信号发生器1？4.2指标测试和测试结果4.2.1输出正弦波的测试将示波器表笔接到输出端，可以观察到标准的50Hz的正弦波波形，无明显失真。其波形图如4.2.1所示。图4.2.150Hz正弦波波形图4.2.2输出功率及效率的测试（1）定义：即为电源把其输入有功功率转换为有效输出功率的能力。（2）测试方法：测试方框图如图4.2.2所示。供电电源A被测电源VA最大负载V图4.2.2效率测试方框图①先如图4.2.1布置好测试电路。②各路输出电压、电流的测量应同时进行。③开启所有设备，记录输入功率数值及各输出电压、电流值。④计算出输出功率值。''oooooIUIUP。⑤效率%100ioPP，iP为输入功率。（3）测试结果与分析：表4.2.1效率测试结果电压（V）电流(A)功率(W)输入24.143.1275.3168输出220.20.32872.3