單相正弦脈寬調(diào)制逆變器的設(shè)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(chǎn)生SPWM波的方法，對逆變器的控制及保護(hù)電路作了詳細(xì)的介紹，給出了輸出電壓波形的實驗結(jié)果。

引言

當(dāng)鐵路、冶金等行業(yè)的一些大功率非線性用電設(shè)備運行時，將給電網(wǎng)注入大量的諧波，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變。根據(jù)我們的實驗觀察，在發(fā)生嚴(yán)重畸變時，電壓會出現(xiàn)正負(fù)半波不對稱，頻率也會發(fā)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(wěn)壓電源也難以達(dá)到滿意的穩(wěn)壓效果。為此，我們設(shè)計了該逆變電源。其控制電路采用了2片集成脈寬調(diào)制電路芯片SG3524，一片用來產(chǎn)生PWM波，另一片與正弦函數(shù)發(fā)生芯片ICL8038做適當(dāng)?shù)倪B接來產(chǎn)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(diào)試的優(yōu)點。

圖1 系統(tǒng)主電路和控制電路框圖

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及框圖

圖1示出了系統(tǒng)主電路和控制電路框圖。交流輸入電壓經(jīng)過共模抑制環(huán)節(jié)后，再經(jīng)工頻變壓器降壓，然后整流得到一個直流電壓，此電壓經(jīng)過Boost電路進(jìn)行升壓，在直流環(huán)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(tǒng)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(qū)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(hù)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(yīng)速度，能夠在MOS管允許的過流時間內(nèi)將其關(guān)斷。

2 控制及保護(hù)電路

為了降低成本，使用兩塊集成PWM脈沖產(chǎn)生芯片SG3524和一塊函數(shù)芯片ICL8038，使得控制電路簡潔，易于調(diào)試。

2.1 SG3524的功能及引腳

圖2所示為SG3524的結(jié)構(gòu)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(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的＋5V基準(zhǔn)電壓。＋5V再送到內(nèi)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(shè)計將Boost電路的開關(guān)頻率定為10kHz，取CT=0.22μF，RT=5kΩ；逆變橋開關(guān)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(wěn)態(tài)觸發(fā)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(zhǔn)電壓的分壓電阻上（應(yīng)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(tǒng)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(zhǔn)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(jìn)行比較，從而在比較器的輸出端出現(xiàn)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(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出端互補(bǔ)，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(qū)時間，保證V1及V2兩個三極管不可能同時導(dǎo)通。最后，晶體管V1及V2分別輸出脈沖寬度調(diào)制波，兩者相位相差180°。當(dāng)V1及V2并聯(lián)應(yīng)用時，其輸出脈沖的占空比為0％～90％；當(dāng)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(tǒng)電路圖（圖1）中，兩塊SG3524都為并聯(lián)使用。當(dāng)腳10加高電平時，可實現(xiàn)對輸出脈沖的封鎖，進(jìn)行過流保護(hù)。

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(guī)律變化的饅頭波，將它加到SG3524?2內(nèi)部，并與鋸齒波比較，就可得到正弦脈寬調(diào)制波。我們設(shè)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(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)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(diào)試方便，我們將R1及R2都用可調(diào)電阻，R2和R是用來調(diào)整正弦波失真度用的。在實驗中我們測得當(dāng)f=50Hz時，R1＋R2=9.7kΩ，其中C=0.22μF。正弦波信號產(chǎn)生后，一路經(jīng)過精密全波整流，得到饅頭波uc，另一路經(jīng)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(zhǔn)經(jīng)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(nèi)部的比較器進(jìn)行比較產(chǎn)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(qū)動信號uf和ug，再將uf和ug加到MOS管

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