1KVA单相逆变器设计

武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书1摘要电力电子装置是以满足用电要求为目标，以电力半导体器件为核心，通过合理的电路拓扑和控制方式，采用相关的应用技术对电能实现变换和控制的装置。本次课程设计为1KA单相逆变器，对主电路和电力电子器件电压和电流进行了定额计算，并用AltiumDesigner软件绘制了电气总设计图。关键词：逆变器AltiumDesigner电力电子器件武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书21KVA单相逆变器设计1.初始条件及任务要求输入直流电压：48V。设计容量为1KVA的逆变器，要求达到：输出单相220V交流电，完成总体系统设计，完成总电路和电力电子器件电压和电流定额计算。2.原理概述逆变器（inverter，又称变流器、反流器，或称反用换流器、电压转换器）是一个利用高频电桥电路将直流电变换成交流电的电子器件，其目的与整流器相反。根据逆变器的电路形式与输出的交流信号，可分为半桥逆变器、全桥逆变器和三相桥式逆变器。半桥逆变器由两个开关串联组成，输出端位于两个开关的中点，由上下两个开关的开通、关断来决定输出的电压。半桥逆变器配合两个分压电容，可以输出双端之间的高频交流电。开关旁一般需要并联续流二极管，以便在感性负载时起到续流作用。半桥逆变器配合正负双电压源，可以输出双端的完全交流、含有直流分量的交流以及完全直流信号。全桥逆变器由各含两个开关的两个桥臂连接成正方形组成，输出端的两端分别位于两组开关的中点，相当于取两个半桥的电压差，因此可以得到正负双向的交流输出。全桥逆变器可以不依赖外加器件，仅仅使用单电压源输出双端的完全交流、含有直流分量的交流以及完全直流信号。三相桥式逆变器类似于全桥逆变器，但它有三个桥臂，输出端的三端分别位于三组开关的中点，取两两之间的电压差就可以得到三相电所需的三个相电压。根据三组共六个开关的开通顺序，三相桥式逆变器可以得到一组幅值相等、频率相等的三相电信号。武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书33设计方案介绍与原理框图设计一个单相桥式逆变电路，且本设计采用电压型逆变器，同时设计相应的触发电路和过电流过电压保护电路。3.1电压型逆变器直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出电流波形和相位应为负载阻抗的情况不同而不同。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管，又称为续流二极管。3.2触发电路脉宽调制式逆变触发电路，它不但能控制逆变器的输出频率，而且能控制输出电压和改善输出电压的波形。在调制信号发生器的作用下，脉冲分配器在每个周期产生宽度可变的脉冲或脉冲列。脉冲输出器根据这些脉冲的宽度控制逆变器各功率开关的通断。调节这些脉冲的宽度，即可以调节逆变器的输出电压。在一个周期中，将脉冲列中各脉冲的宽度按正弦波规律调制，可以改善逆变器输出电压的波形。正弦波脉宽调制的逆变触发电路比较复杂。美国莫拉特公司1980年前后研制成功专门用作产生正弦脉宽调制信号的大规模集成电路HEF4752V。它将正弦脉宽调制触发器的主要功能(不包括脉冲输出器)集成在一块18平方毫米的硅片上，封装在双排28脚的外壳中。整个集成电路是全数字化的。大约包括1500个门电路。利用HEF4752V构成的脉宽调制式触发电路特别适用于交流电动机变频调速系统。3.3保护电路电力电子常用的保护有过流保护和过压保护。过电流保护在电力电子变换和控制系统运行不正常或发生故障时，可能发生过电流造成开关器件的永久性损坏，快速熔断器是电力电子变换器武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书4系统中常用的一种过电流保护措施。快速熔断器的过流保护原理是基于快速熔断器特性与器件特性的保护配合来完成的，即通过选择快速熔断器的短路容量约器件的热容量，使得当发生过流时快速熔断器先熔断，以保护器件不损坏。另一种方法是采用电流检测、比较、判断，在过流瞬间及时关断电路。过电压保护电力电子设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。过电压保护的基本原理是在瞬态过电压发生的时候（滋s或ns级），通过过电压检测电路进行检测。过电压检测电路中主要的元件是压敏电阻。压敏电阻相当于很多串并联在一起的双向抑制二极管，起到电压箝位的作用。电压超过箝位电压时，压敏电阻导通；电压低于箝位电压时，压敏电阻截止。3.4系统原理框图系统原理框图如下图1所示：图1系统原理框图4.各电路模块设计武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书54.1逆变电路的主电路设计在本次设计中，主要采用单相全桥式逆变电路作为设计的电路。电路结构图如下图2所示：图2单相全桥逆变电路主电路及升压结构图如上图2所示，单相全桥逆变电路主电路主要有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。其中桥臂1、4为一对，桥臂2、3为一对。每个桥臂有一个可控器件MOSFET以及一个反并联的二极管组成。在直流侧接有足够大的电容，负载接在桥臂之间。它的具体工作过程如下：舍最初时刻t1时，给MOSFETQ1、Q4触发信号，使其导通。则电流流过桥臂1，负载。桥臂4构成一个导通回路。当t2时刻时，给Q2、Q3触发信号，给Q1、Q4关断信号。但由于负载电感较大，通过它的电流不能突变，所以二极管D2，D3导通进行续流。当电流逐渐减小为0，桥臂1、4关断，桥臂2、3导通，构成一个回路，从而实现换流。4.2驱动电路设计MOSFET是一种电压控制的单极性器件，它是由金属氧化物和半导体组成的场效应晶体管，所以也叫绝缘栅型场效应管。应用VMOSFET工艺，生产出了大功率的产效应管，并在逆变电路中得到广泛应用。功率场效应管简称VMOSFET,或VMOS，作为开关器件，其常态是阻断状态，即VMOS都是武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书6增强型MOSFET。MOSFET分为N沟道和P沟道两类。N沟道VMOS的导通电流的方向是从漏极D到源极S；P沟道MOS的导通方向是从源极S到漏极D。VMOS管的工作原理是，源极S接零电位，漏极D接正电位，当栅极接正电压时，由于电荷感应，在P区感应出电子，电子的累积便形成N沟道。源极S和漏极D之间便产生了电流。因此，栅极G上的电压的大小，决定了源极S与漏极D之间的电流大小。图3MOFET结构图和电气图PWM控制电路芯片SG3524，是一种电压型开关电源集成控制器，具有输出限流，开关频率可调，误差放大，脉宽调制比较器和关断电路。SG3524的工作原理如下所述：直流电源VS从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的+5V基准电压。+5V再送到内部（或外部）电路的其他元器件作为电源。振荡器脚7须外接电容CT，脚6须外接电阻RT。振荡器频率f由外接电阻RT和电容CT决定，f=1.18/RTCT。本设计将Boost电路的开关频率定为10kHz，取CT=0.22滋F，RT=5k赘；逆变桥开关频率定为5kHz。振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相端，比较器的反向端接误差放大器的输出。误差放大器实际上是差分放大器，脚1为其反相输入端；脚2为其同相武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书7输入端。通常，一个输入端连到脚16的基准电压的分压电阻上（应取得2.5V的电压），另一个输入端接控制反馈信号电压。本系统电路图中，在DC/DC变换部分，G3524的脚1接控制反馈信号电压，脚2接在基准电压的分压电阻上。误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，从而在比较器的输出端出现一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。双稳态触发器的两个输出端互补，交替输出高低电平，其作用是将PWM脉冲交替送至两个三极管V1及V2的基极，锯齿波的作用是加入了死区时间，保证V1及V2两个三极管不可能同时导通。最后，晶体管V1及V2分别输出脉冲宽度调制波，两者相位相差180毅。当V1及V2脉冲并联应用时，其输出脉冲的占空比为0%~90%；当V1及V2分开使用时，输出脉冲的占空比为0%~45%，脉冲频率为振荡器频率的1/2。SG3524引脚及内部结构图如下。SG3524引脚结构如图4所示：图4SG3524引脚图武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书8SG3524内部结构图如图5所示：图5SG3524内部结构图IR2117是美国IR公司专为驱动单个MOSFET或IGBT而设计的栅极驱动器,它采用高压集成电路技术和无闩锁CMOS技术,并采用双直插式封装,可用于工作母线电压高达600V的系统中。其输入与标准的CMOS电平兼容,输出驱动特性可满足交叉导通时间最短的大电流驱动输出级的设计要求。其悬浮通道与自举技术的应用使其可直接用来驱动一个工作于母线电压高达600V的、在高边或低端工作的N沟道MOSFET或IGBT。IR2117采用标准的双列直插式DIR-8或小型双列扁平表面安装SOIC-8封装形式,这两种封装形式的引脚排列相同,其引脚排列如图6所示：图6IR2117引脚图武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书9IR21117引脚说明如表1所示：表1IR2117引脚说明引脚号符号名称功能及用法1Vcc输入级工作电源端供电电源,抗干扰,该端应接一去耦网络到地2IN控制脉冲输入端直接按控制脉冲形成电路的输出3COM输入级地端及Vcc参考地端接供电电源Vcc地4,5NC空脚悬空6Vs输出级参考地端接被驱动的MOSFET源极或IGBT射极及负载端7HO驱动脉冲输出端通过一电阻接被驱动的MOSFET或IGBY的栅极8VB输出级工作电源端（高边悬浮电源端）当VB与Vcc使用独立电源时,接用户提供的电源,此时VB的参考地为VS而Vcc的参考地为COM。在两电源之间,电位应隔离。当VB与Vcc利用自举技术产生时,此端分别通过一电容及二极管接VS及VccIR2117内部结构及原理说明:图7IR2117内部结构武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书10IR2117的内部结构及工作原理框图如图7所示。它在内部集成有一个施密特触发器,一个脉冲增益电路,两个欠压检测及保护电路,一个电平移位网络,一个与非门,一个由两个MOSFET组成的互补功放输出级、一个RS触发器以及一个脉冲滤波器共九个单元电路。驱动电路总体设计如图8所示：图8驱动电路模块4.3保护电路设计保护电路分为欠压保护和过流保护。欠压保护电路如图9所示，它监测蓄电池的电压状况，如果蓄电池电压低于预设值，保护电路开始工作，使控制器SG3524的脚10关断端输出高电平，停止驱动信号输出。武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书11图9中运算放大器的正向输入端的电压由R1和R3分压得到，而反向输入端的电压由稳压管箝位在＋7.5V，正常工作的时候，由三极管V导通，IR2117输出驱动信号，驱动晶闸管正常工作，实现逆变电源的设计。当蓄电池的电压下降超过预定值后，运算放大器开始工作，输出跳转为负，LED灯亮，同时三级管V截止，向SG3524的SD端输出高电平，封锁IR2117的输出驱动信号。此时没有逆变电压的输出。图9欠压保护电路过流保护电路如图10所示，它监测输出电流状况，预设为1.5A。方波逆变器的输出电流经过采样进入运算放大器的反向输入端，当输出电流大于1.5A后，运算放大器的输出端跳转为负，经过CD4011组成的RS触发器后，使三级管V1基级的信号为低电平，三级管截止，向IR2117的SD1端输出高电平，达到保护的目的。武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书12图10过电流保护电路4.4设计电路总图逆变器设计总图如图11所示：图