太阳能光伏逆变器设计本科毕业设计论文.pdf

光伏电源逆变器的设计摘要随着传统的三大化石能源日渐枯竭，绿色能源的开发和利用将 会得到空前的发展，太阳能作为世界上最清洁的绿色能源之一，起 并网发电备受世界各国普遍关注。而光伏并网发电系统的核心部 件，如何可靠的高质量地向电网输送功率尤为重要，因此在可再生 能源并网发电系统中起点能变换作用的逆变器成为了研究的一个 热点。为此本文仍然采用“全桥逆变+LC滤波+工频升压”的逆变 电源设计方案。整个系统设计分为SP W M波形产生电路、H桥驱动 及逆变电路、欠压过流保护电路。在SP W M波形产生环节，本文采用脉宽调制芯片SG3525的为核 心。由文氏桥振荡电路产生50 Hz的正弦波基准信号。然后经过精 密整流、放大等处理输入到SG3525的补偿信号端，从而输出SP W M 波。最后进行死区延时 输入到驱动电路中。在驱动电路设计环节中，本文采用两片IR2110半桥驱动芯片 构成全桥驱动电路。输出侧逆变电路中开关管选用耐压值高的 MOSFETo然后经过工频变压器进行升压到市电，供家用电器使用。对输入、输出进行采样，实时监控是否欠压、过流，进行保护动作。最后，给出额定功率为50 0 W（输入电压12V输出交流220 V）的单相逆变器样机的试验波形。关键词：光伏电源，逆变器，SP W M,SG3525,IR2110D ESIGN OF P V P OW ER INVERTERA BSTRA C TIn recent years,photovoltaic technology has broad application.A s our country，s new energy law enacted,the photovoltaic power system in our country will have a broader space for development.Inverter is an important component in P V system.Its performance has great influence on the application of photovoltaic system.C urrently,the domestic pure sine wave output inverter mainly uses 50 Hz transformer for raising the output voltage,this paper is still developed an inverter by using the“Full-bridge circuit+LC filter+Isolator transformerv design proposal.The whole system is divided into SP W M waveform generator circuit,H bridge driver circuit and the inverter circuit,low voltage and over-current protection circuit.In SP W M waveform generation part,this paper uses SG3525 P W M chip core.The W ien bridge oscillation circuit generates 50 Hz sine reference signal.A fter this signal precision rectification,amplification and other processing of the compensation signal input to the SG3525-side,so this part output the SP W M wave.Finally,the SP W M signals enter into the driving circuit after dead-time delay.In the design of drive circuit part,using two IR2110 half-bridge driver chips constitute a full-bridge driver circuit.The output side of inverter switch circuit selects high voltage value MOSFET.Then through 50 Hz transformer,boost to the mains for household appliances.Testing the samples of the input and output voltage,real-time monitoring is under-voltage,over current,protection action.Finally,rated power for 50 0 W(Input voltage 12V,Output communication 220 V)single-phase ac inverter prototype test waveforms have been given.KEY WORDS：P V power,Inverter,SP W M,SG3525,IR2110目录刖 B.1第1章系统设计概述.3 1.1光伏电源逆变器的基本结构和设计要求.3 1.1.1系统的基本结构.3 1.1.2系统的基本设计要求.31.2系统电源设计.4 1.3逆变电路.4 1.3.1逆变电路的基本工作原理.4 1.3.2电压型逆变电路.5 1.4 SP W M调制技术.6 1.4.1理论基础.6 1.4.2单极SP W M调制方式.71.4.3双极性SP W M调制方式.8第2章SP W M调制电路.9 2.1 SG3525芯片介绍.92.1.1功能结构.9 2.1.2 SG3525 特性.10 2.2单极性SP W M调制电路.12 2.2.1 SP W M调制电路结构.122.2.2正弦波发生器.122.2.3精密整流电路.14 2.2.4误差放大及加法电路.16 2.2.5 SP W M 调制.162.2.6时序控制电路.18第3章逆变电路.21 3.1 IR2110 芯片介绍.213.1.1功能结构.21 3.1.2 IR2110 特性.223.2 驱动电路设计.243.3 输出滤波器设计.253.4 保护电路设计.27第4章系统调试.304.1信号板电路的调试.304.2 信号板与H桥联调.324.3 保护电路调试.34结论.36参考文献.37附 录.40、P 4 刖 B逆变器(INVERTER)就是一种直流电转化为交流电的装置，一 般是把直流电逆变成220 V交流电。它由逆变桥、控制逻辑和滤波 电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝 纫机、D VD、VC D、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等，应用十分广泛。我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准 煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。太阳电池及组件产量逐 年稳步增加。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家 项目及世界光伏市场的有力拉动下，中国光伏发电产业迅猛发展。目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳能电池发出的电 能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用 较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为 直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的 不同(如12V、24V、48V等)，很难实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电力，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电 源很难作为商品进入市场。另外，光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用逆变器，今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的 主流。逆变系统是光伏系统的核心环节。常用的逆变系统有电压型、电流型、功率型等，我的设计是电压型逆变器。本设计具有很高的 理论价值和现实意义，世界各国都在努力发展太阳能的应用，预计 在本世纪20年代用太阳能电池构成发电系统或在家电设备上的应 用将成为主流。这就体现了光伏逆变器系统设计的理论意义和现实 价值。光伏阵列所发的电能为直流电能，然而许多负载需要交流电 能。直流供电系统有很大的局限性，不便于变换电压，负载应用范 围也有限。除特殊用电负荷外，均需要使用逆变器将直流电变换为 交流电。逆变器除能将直流电能变换为交流电能外，还具有自动稳 压的功能，可以改善风光互补发电系统的供电质量，在并网型光伏 发电系统也需要使用具有并网功能的交流逆变器。逆变器种类很 多，根据逆变器线路逆变原理的不同，有自激振荡型逆变器、阶梯 波叠加逆变器和脉宽调制(P W M)逆变器等。根据逆变器主回路拓 扑结构不同，可分为半桥结构、全桥结构、推挽结构等。在新世纪，太阳光发电系统逆变器，不仅要求其小型、重量轻、高品质、高效率，还需满足对交流电网的电压、电流波形畸变和电 压波动、瞬时停电的种种补偿和抑制功能。形成的综合系统，由于 技术含量高，将产生显著的附加值。诚然，达到多功能的目标就会 引起主回路的复杂化，不易实现价廉、体积小、重量轻。所以，应 尽可能使用简单的主回路来实现上述目标。SP W M逆变器是目前应 用最广泛和最普及的一种形式。因此，我国广大的电子工程人员 要尽早掌握这一先进技术，这不仅是提高设计效率的需要，更是我 国电子工业在世界市场上生存、竞争与发展的需要。本文以50 0 W光伏电源逆变器为研究设计对象。使用半桥驱动 芯IR2110简化了全桥驱动电路的设计，使用SG3525芯片利用SP W M 调制技术实现220 V/50 HZ正弦稳定输出。具体要求指标如下：(1)输入电压额定为D C 12V,220 V正弦交流输出。(2)输出功率额定为50 0 W。(3)欠压、过流保护动作。第一章介绍系统概述，阐述系统的基本结构以及系统设计的基 本要求，同时概述SP W M调制技术及H桥逆变电路。第二章详细叙 述基于SG3525的SP W M调制电路，并给出部分重要模块的Multisim 仿真结果。第三章论述IR2110驱动电路及输出滤波器设计。第四 章给出系统调试过程及测试波形。第1章系统设计概述1.1 光伏电源逆变器的基本结构和设计要求1.1.1 系统的基本结构控制电路SP W M调制产生SP W M波，经驱动电路加到H桥上实现 全桥正弦逆变。然后经LC滤波，工频升压输出220 V交流电。由于 是对光伏电源进行逆变，光伏电池电量不足时表现出欠压，这就要 求输入欠压保护；输出端带载能力有限，这就要求输出过流保护。对输入输出进行采样，以实现输入欠压保护，输出过流保护。系统 基本结构框图如图所示。图系统框图1.1.2 系统的基本设计要求根据设计要求，光伏电源逆变器的主要性能参数如表1T所ZjS O表1-1光伏逆变电源性能参数输入直流电压12V光伏电池指标12V/10 A hx4最大充电能力8.0 A输出电压（有效值）220V输出额定电流2.5A频率50 Hz1.2 系统电源设计整个系统使用到NE5532集成运放，C MOS 4000系列的逻辑门 电路，脉宽调制芯片SG3525以及半桥驱动芯片IR2110等。这些芯 片的供电电压全部为+12V、-12V所以利用7812和7912两稳压片 提供12V的电压。电源系统原理图如图1-2所示。图1-2电源系统1.3 逆变电路1.3.1 逆变电路的基本工作原理单相桥式逆变电路为例：SiS,是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4闭合，S2 S3断开时，负载电压u。为正Si；Si、S,断开，S2、S3 闭合时，u。为负，把直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率,可改变输出交流电频率。电阻负载时，负载电流i。和u。的波形相同，相位也相同。阻感 负载时，i。滞后于u。，波形也不同。如前:Si S4通,u。和i。均为正。匕时刻断开S1、S4,合上S2、S3,u。变负，但i。不能立刻反向。i。从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量 向电源反馈，i。逐渐减小，t2时刻降为零，之后i。才反向并增大。(波形图如图1-3所示)图1-3逆变电路及其波形举例1.3.2 电压型逆变电路逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：电压型逆变电路或 电压源 逆变电路，电流型逆变电路或电流源型逆变电路。图1-4电路的具体实现。0 图1-4电压型逆变电路举例(全桥逆变电路)电压型逆变电路的特点(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。（3）阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无 功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。1.4 SP W M调制技术1.4.1 理论基础冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效 果基本相同。冲量指窄脉冲的面积，效果基本相同是指环节的输 出响应波形基本相同，低频段非常接近，仅在高频段略有差异（如 图1-5所示）。图1-5形状不同而冲量相同的各种窄脉冲用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波N等分（如图 1-6）,可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等用 矩形脉冲代替，等幅不等宽，中点重合，面积（冲量）相等宽度按正 弦规律变化SP W M波形即脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效 的P W M波形要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽 度即可。P W M电压波在每一时间段都与该时段中正弦电压等效，除每一 时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲还必须很窄，这就要 求脉波数量很多。脉波数越多，不连续按正弦规律改变宽度的多脉 冲电压就越等效于正弦电压。图1-6用P W M波代替正弦半波图1-7单极正弦波P W M调制方式控制电压的分布:（如图 1-7,VI,V2为频控臂）即跑 和奥2互为反相，并受Ik极性控制。其频率为调制信号的 频率。V3,V4组成了暂控臂r Uruc,Wg4=l,g3=0,T3关断，导通%0u0ucuc时，给VI和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如 io0,VI 和 V4 通，如 io0,VD 1 和 VD 4 通，uo=Udo2、当uruc时；给V2和V3导通信号，给VI和V4关断信号。如 io0,V2 和 V3 通,如 io0,VD 2 和 VD 3 通,uo二-Ud。相同的开关频率时，单极性SP W M开关动作次数相对少些，谐波情况好些，多用于单相逆变。双极性SP W M谐波情况差些，用于 三相逆变。由以上分析，驱动信号产生示意电路如图1T0：+正弦波匕三角波匕%匕4田/4)图1-10驱动信号产生电路第2章SP W M调制电路2.1 SG3525芯片介绍2.1.1 功能结构电压调节芯片SG3525具体的内部结构如图2-1所示。其中，脚 16为SG3525的基准电压源输出，精度可以达到(5.1+1%)V,采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚5,脚6和脚7内有 一个双门限比较器，内电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路 共同构成SG3525的振荡器山、振荡器还设有外同步输入端(脚3)o 脚1及脚2分别为芯片内误差放大器的反相输入端、同相输入端。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。Representative Block Diagram图2-1 SG3525原理图IN-TRErIN*巨百us叵4叵回)11TB振涛喻也巨VCT区目GNDRT叵OiriA放电匚回SI)ss FT3CM图 2-2 SG35252.1.2 SG3525 特性1.SG3525基本特点(1)工作电压范围8-35V。(2)5.IV基准电压，精度1%。(3)震荡频率范围 10 0 Hz-50 0 KHzo(4)内置软启动开关。引脚图(5)逐个脉冲关断。(6)带滞回电压的输入欠压锁定。(7)P W M锁定功能，禁止多脉冲。2.SG3525各部分功能(1)基准电压源基准电压源是一个三端稳压电路，其输入电压Vcc可在(835)V 内变化，通常采用+15V,其输出电压Vst=5.IV,精度，采用温度 补偿，作为芯片内部电路的电源，也可为芯片外围电路提供标准电 源，向外输出电流可达40 0 mA,没有过流保护电路。(2)振荡电路由一个双门限电压均从基准电源取得，其高门限电压低门限电 压，内部横流源向C T充电，其端压VC线性上升，构成锯齿波的上 升沿，当时比较器动作，充电过程结束，上升时间tl为：=0.67R/G 比较器动作时使放电电路接通，C T放电，VC下降并形成锯齿波的 下降沿，当时比较器动作，放电过程结束，完成一个工作循环，下 降时间间t2为：t2=L3%G,此时间即为死区时间锯齿波的基本周 期T为：T=册丑2=(。-67%+1.3%)。7因为%肉-%由上可见锯齿 波的上升沿远长于下降沿，因此上升沿作为工作沿，下降沿作为回 扫沿。(3)误差放大器由两级差分放大器构成，其直流开环放大倍数为80 dB左右，电压反馈信号从端子1接至放大器反相输入端，放大器同相输入端 接基准电压。(4)P W M信号产生及分相电路比较器的反相端接误差放大器的输出信号ue,而振荡器的输 出信号uc则加到比较器的同相输入端，比较器的输出信号为P W M 信号，该信号经锁存器锁存，分相电路由二进制计数器和两个或非 门构成，其输入信号为振荡器的时钟信号，并用时钟信号的前沿触 发，输出为频率减半的互补方波，这些方波和P W M信号输入到或非 门逻辑电路。其结果是，所有的输入为负时，输出为正。这样的输 出每半周期交替为正，其宽度和P W M信号的负脉冲相等。脉冲很窄 的时钟信号输入到逻辑或非门电路，可使两个门的输出同时有一段 低电平，以产生死区时间。(5)脉冲输出级电路输出末级采用推挽输出电路，驱动场效应功率管时关断速度 更快。11脚和14脚相位相差180,拉电流和灌电流峰值达20 0 mA。由于存在开闭滞后，使输出和吸收间出现重叠导通。在重叠处有一 个电流尖脉冲，起持续时间约为10 0 nso可以在13脚处接一个约 0.luF的电容滤去电压尖峰。2.2 单极性SP W M调制电路2.2.1 SP W M调制电路结构Ql Q2 Q3 Q4图2-3 SP W M控制电路框图如果想要得到正弦电压的输出，就要使逆变电路的控制信号以 SP W M方式控制功率管的开关，得到的脉冲方波输出再经过滤波就 可以得到正弦输出电压本系统方案通过SG3525来实现输出正弦电 压，首先要得到SP W M的调制信号要想得到SP W M调制信号，必须要 有一个幅值在3.5V且按正弦规律变化的馒头波，将它加到 SG3525脚9,并与锯齿波进行比较，来得到正弦脉宽调制波，实现 SP W M的控制电路框图如图2-3所示。基准50 Hz的方波由文氏桥产 生正弦波再经过整流生成，用来控制输出电压有效值和基准值比较 所产生的误差信号，当电源输出电压发生变化时，会改变正弦信号 的幅值，使得SG3525输出脉宽也跟着发生相应的变化。2.2.2正弦波发生器本设计采用文氏桥振荡电路产生50 Hz正弦波（图2-5）,利用 RC串并联（图2-4）选频网络的选频特性。+图2-4 RC串并联网路传输系数：F=屋=_%=_!_U R+J_+R/J_ 3+j/co()-a)0/a)j coC j coC(2-1)1co-式 2-1 中：RC.分析上式可知：仅当所4时，达最大值，且u2与ul同相，即网络具有选频特性，了。决定于RC。震荡频率：7G=1/2兀 RC(2-2)稳定振荡条件|/u川二1,/|二1/3,则4=1+(“考虑到起振条件|/u网1,一般应选取行略大2心。如果这个 比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。由式(22)得：/0=1/2k/?C=1/2x3.1415x31.8x103xW7 50 HZ由运放构成的发。串并联正弦波振荡电路不是靠运放内部的晶 体管进入非线性区稳幅，而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的 目的。一般要在电路中加入非线性环节。在Rf串联两个并联二极 管，利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时二极管动态电阻增大的特点，加入非线性环节,Multisim仿真波形如图2-6。从而使输入电压稳定。在图2-5 50 Hz文氏振荡电路图2-6 50 Hz振荡电路仿真波形2.2.3 精密整流电路精密整流电路的功能是将微弱的交流电压转换成直流电压向 但是本设计整流输出并未经过滤波环节，故仅把正弦波整为馒头 波。精密整流电路的原理图如图2-7,整流电路的输出保持输入电 压形状，而仅仅改变输入电压相位。输入电压为正弦波是，输出电 压波形如图2-8中u2所示。U3A,U3B组成一个精密整流电路，其 特点是，经它整流的正弦馒头波，失真很小，能满足SP W M的要求。图中R14,R15,R16,R17,R18的阻值一定要一致，否则，出来的 馒头波会上下波动。在Mui tisim仿真波形如图2-8o图2-8精密整流电路仿真波形2.2.4 误差放大及加法电路U4B起到正弦误差放大作用，从精密整流电路出来的馒头波进 入U4B的同相端，经其放大（如图2-9）。U4A是一个加法电路：从 U4B出来的馒头波进入U3A的同相端，同时U3A的同相端也接在一 个直流电位上，把P P值为2.3V的馒头波垫高2V这个经垫高的馒 头波就可以送到SP W M调制电路中。在Multisim仿真波形如2-10 o0图2-9误差放大及加法电路图2-10误差放大及加法电路仿真波形2.2.5 SP W M 调制图2-11 SP W M波形产生电路SG3525由一个双门限电压均从基准电源取得，其高门限电压 低门限电压，内部横流源向Ct充电，其端压线性上升，构成锯 齿波的上升沿，当时比较器动作，充电过程结束，上升时间匕为：t1=0.67 RtCt(2-3)比较器动作时使放电电路接通，G放电，Vc下降并形成锯齿波 的下降沿，当时比较器动作，放电过程结束，完成一个工作循环，下降时间间t2为：t9=.3RdCt(2-4)此时间即为死区时间锯齿波的基本周期T为：T=tt+t2=(0.67/?f+1.37?w)Cr(2-5)因为%Rr t2%由上可见锯齿波的上升沿远长于下降沿，因此上升沿作为工作沿，下降沿作为回扫沿。主芯片SG3525的接法和一般常规接法有点不同1，因为3525 的11、14脚是图腾柱输出，把11、14脚接地，屏蔽了图腾柱的下 管，并在13脚接一个上拉电阻做负载，这样做的目的是把原11、14脚的信号合并在一起输出，以大幅度地提高最大占空比。母线 电压的利用率也大幅度提高了，可以在94%以上。但从13脚出来 的脉冲，是反向的SP W M波，所以要用一个4069把它反回来。震荡 电容J取10 nF震荡电阻RT取10 K的电阻，如图2-11中C 13,R25 所示，另一端直接接地。5端与7端直接短接，由式（2-5）的锯齿 波的频率为：1/（0.677?.+1.3Rd）Ct 15x 103/7z。把15K的锯齿波信号和10 0 Hz的馒头波信号进行比较，从而产 生SP W M波形。2.2.6 时序控制电路用一片NE5532即IHA、U1B组成一个50 Hz同步方波发生电路（图2-12）o从文氏桥正弦波振荡器过来的正弦波信号（约12VP P 值），经二个电压比较器U1A、U1B后，产生二路带死区时间的低频 同步波，电路中RI,R2决定二路方波的死区时间。经试验，当 用NE5532时，RI、R2取510欧姆时，死区时间大约为100“$。U1A,U1B用358时死区时间为2003。VCC正弦波输入R547KR1110KR1510R3680NE55327D31N414850Hz同步波形发生电路R1210KR6 47K-12R4680NE55321 左下臂LIN_L、右上臂HIN_R右下臂与LIN_R输入信号分别是Q1、Q2、Q3、Q4,四路单极性的SP W M波形可以保证H桥臂的四个MOS 管两两交叉导通，这样实现输出电流的反向，从而使输出端为交流 的高频SP W M信号。原理图中MOS管选用耐压值较高，开关速度快 的IRF540,IRF540的漏源耐压可达10 0 V。为了保护其不被烧坏，必须在四只MOS管上加上四个散热片。HO、L0端的二极管使用开 关管1N4148,实现自举电路的二极管用快恢复二极管。芯片工作 电压为+12V,开关管D极电压也为+12V。3.3输出滤波器设计输出滤波器将逆变器输出的脉冲宽度调制的功率脉冲转化为 模拟电压。当逆变器的输出不加滤波电路时，其输出波形只是SP W M 调制波，其中既包含了 50 Hz基波，又包含了高于50 Hz的谐波。为 了削弱高次谐波，就需要设置输出滤波器。图3-5 LC滤波器滤波器是一种具有选择性的四端网络，它允许某些频率信号通 过，而不允许另一些频率信号通过。允许通过的信号频率范围称为 通带，不允许通过的信号频率范围称为阻带，通带与阻带交界的频 率称为截止频率加。从H桥的输出为高频交流信号，要用工频隔离 变压器对其进行变换，这就需要先将高频信号转换为50 Hz工频信 号，此部分通过LC滤波(如图3-5)实现，也可当作以低通滤波 器，与小信号电路的低通滤波器不同的是，逆变器的输出滤波器不 仅要滤除不需要的高频分量，而且还要在滤除不需要的高频分量的 同时，使通过的频带所传输的功率产生的损耗尽可能的低。因此，传统的RC低通滤波器在这里不能应用。而需要采用几乎没有损耗 的LC低通滤波器。它的设计原则是对50 Hz低频呈低阻抗特性，基 本不产生基波压降，而对高频分量呈高阻抗特性。由傅立叶分析可知：U-=卜n 组+；sin3+gsin5G/Hj(3-1)逆变电路输出的n次谐波有效值Vn经LC滤波后在负载上的n 次谐波电压以为：Ln T 1 ncoc n2a)2LC-1 n-coL-ncoc(3-2)5e苏LC之1色丫(.了。(3-3)由上此可见n次谐波衰减了 r倍。逆变器输出电压的频率成分以基频50 Hz和开关频率f=15KHz 为主。选择截至频率为开关频率的1/10,即150 HZO这样开关频率 中更高频的交流分量将被衰减40 dB以上，负载选择中间电流值 1.25A.RL=220 V/2.5A=88。输出滤波电容的容量为：C=l-=1=-=0.85ufV2 4。v2x88x2x 150(3-4)输出滤波电感量为：L=13.2m/7a)o 27rxi 50(3-5)3.4保护电路设计为保证电力电子系统正常工作，除了合理设计电路之外，增设 电路保护措施是很有必要的。这是因为在装置实际运行时，有许多 随机出现的干扰信号。这些干扰会导致系统工作不正常，甚至损坏 系统。在电力电子系统中，功率开关管的保护是必不可少的。功率 开关管是整个设备正常工作的核心部件，同时也是最容易受损坏的 元件。而对于由蓄电池供电的逆变电源而言，蓄电池也需要有必要 的保护，因为蓄电池过度放电会损坏蓄电池本身。下面针对本文设计的逆变电源，阐述在设计中对开关管和蓄电 池采取的保护措施。在功率开关管的保护整个装置中，功率开关管 是最易损坏的元件，电路中出现的过流会导致其损坏，应该具有相 应的过流保护。对于由蓄电池供电的逆变电源而言，蓄电池过度放 电会损坏蓄电池本身，当蓄电池电量不足时，应该相应欠压保护。对于桥式逆变电路，如果发生桥臂直通短路或负载发生短路 时，流过开关管上的电流迅速增大，若不采取措施在很短的时间内，功率开关管被烧毁。短路与过载是两种性质不同的故障状态，短路故障一经出现，装置就应该立即停止工作，因为短路电流在很短的 时间内就会升到很高的幅值，可在瞬间损坏电路元件。对于短路故 障必须立刻停机，这功能可以由串接在主功率回路中的快速熔断器 F2实现。与短路故障不同，系统短时的过载属于正常工作状态，如果过载一发生就停机则不利于系统的正常运行。同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性，电子电 路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流 快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定 在过载时动作。如图3-6所示，对于电路过载，设计中将取样绕组，经过整形、滤波间接检测其电流是否过大，电压取样C Y2直接输入到滞环比较 器LM393的同相输入端（如图3-7）,其反相端为设定的参考电压 值。正常情况下，参考电压值小于电压采样值，比较器输出低电平，系统开始正常工作。欠压保护是为了保护蓄电池，直接通过分压电阻采样，得到输 入采样电压C Y1,电压取样C Y1直接输入到滞环比较器LM393的反 相输入端（如图3-7）,其同相端为设定的参考电压值。正常情况 下，参考电压值大于电压采样值，比较器输出低电平，系统开始正 常工作。保护电路中，采用滞环比较器叫的作用是防止比较器的输出在 保护点附近反复跳动。滞环宽度取为2VO 12V蓄电池欠压保护值是 10.5VO当蓄电池欠压保护动作后只有当蓄电池电压升高到12.5V 的时候。系统才能够恢复正常工作。图3-7欠压过流保护电路第4章系统调试4.1 信号板电路的调试在设计中存在输出滤波电感、功率变压器、隔离变压器、等磁 性元件，隔离变压器初次级之间存在寄生电容，高频干扰信号通过 寄生电容耦合到次级；功率变压器由于绕制工艺等原因，原、次级 耦合不理想而存在漏感，漏感将产生电磁辐射干扰，为了避免这些 电磁干扰，我将基于SG3525的SP W M波形调制电路绘制在一张P C B 板，不妨称之为信号板；把H桥逆变电路及滤波、升压绘制在另一 张P C B板上。本章给出调试步骤及各测试点的波形。1.在J1上接上+12V和-12V电源，则电源指示发光二极管D 1,D 2应该亮，测一下电流，+12V应该在50 mA左右，T2V应该在60 mA 左右，说明电路基本正常。2.用示波器测S1点，应该看到正弦波，频率在50 Hz左右，若没有波形(如图4-1),则文氏边路未起振，把R32(8.2K)换成一 个10 K的滑动变阻器，使其放大倍数略大于3,则可使S1点为12Vpp 的正弦波，振荡器就基本调好了。图4-1 S1测试点正弦波振荡器输出波形3.U3A,U3B组成一个精密整流电路，其特点是，经它整流的 正弦馒头波，失真很小，能满足SP W M的要求.原理图中R14,R15,R16,R17,R18的阻值一定要一致，否则，出来的馒头波会上下跳 动.用示波器测S2点波形，应该看到馒头波，馒头波的幅度约在 4Vpp（如图4-2）,一般大于11V就会出现削顶，这样精密整流电 路就调好了。图4-2 S2整流电路输出馒头波4.用示波器测S3点波形，也应该是馒头波（如图4-3）,调 节滑动变阻器R35让S3点的波形幅度在2.3Vpp,再调滑变R33使 馒头波的谷点离开直流底线2V,这样，加法器电路就基本调好了，等接上H桥再细调。图4-3加法电路输出馒头波5.主芯片SG3525的第9引脚输出为测试点S4,用示波器观 察S4点的波形，看是否为SP W M波，此测试点应为频率15K的SP W M 信号。6.用一片NE5532即U1A.U1B组成一个50 Hz同步方波发生电 路。从文氏桥正弦波振荡器过来的正弦波信号（约12Vpp值），经二 个电压比较器U1A、U1B后，产生二路带死区时间的低频同步波，电路中R1,R2决定二路方波的死区时间。用双通道数字示波器观 察S5、S6两测试点的波形（如图4-4）,应该是互为反相的50 Hz 方波，其死区时间约为IOOrs。图4-4 S5、S6测试点输出的50 Hz同步方波4.2 信号板与H桥联调1.先把信号板上J2插头用引线与逆变板连接起来。2.这时用双通道数字示波器观查MOS管IRF540的G极波形（如图4-6、图4-7）,是否有高频波死区延时2瓶左右（如图4-5）0图4-5 H桥驱动波形及高频波延时3.光伏电池（12V）可以用实验台D G0 1上三相调压输出17Vpp 值的交流电，经整流桥，滤波得到12V左右的直流电（切忌用试验 台上+12V直接输入，由于试验台上的+12V线性稳压源最大输出功 率不足30 W）用来模拟光伏电池。4.把示波器的探头打在10：1档，夹在H桥A C输出的二个端 子上，再接上一点负载，接一个10 0 W的220 V的灯泡。5.接通信号板电源，H桥应该有正弦波输出，灯泡会亮。6.细调信号板上的R33,让正弦波上下二个半波的过渡光滑 自然，没有阶梯感；再调R35,慢慢调大，正弦波会出现削顶，再 稍回调一点，让正弦波顶部光滑自然，这样整个系统就基本调试好 了，观察空载与帚载波形（如图4-8）。图4-6 H桥左上管和左下管的驱动波形图4-7 H桥左上管和右下管的驱动波形4.3 保护电路调试1.欠压保护测试：(1)首先接一个10 0 W的220 V的灯泡，让电路正常工作；(2)调节实验台上的交流输出大小，使得直流输入降为10 V,保护电路动作，继电器打开，灯泡灭；(3)使实验台上的交流输出恢复，使得直流输升为12.5V,保 护电路动作，继电器关闭，灯泡亮。2.过流保护测试(1)首先接一个50 0 W的220 V的灯泡，让电路正常工作。(2)由于设定的额定功率为50 0 W,此时再并联一个10 0 W的灯 泡，负载过重，电流过大，快速熔断器F2烧断，灯泡熄灭。图4-8空载波形（左）带载波形（右）结论逆变技术是现代电力电子技术领域里最活跃的一个研究方向，它广泛应用于工业、国防和家用电器等生产和生活领域。传统的逆变器绝大多数为方波逆变器和准正弦波逆变器。这两 种逆变器虽然电路结构简单，但输出的电能质量较差，谐波分量大。而数字化正弦波逆变器成本较高，因此，本文提出的这种结构简单,谐波畸变率低的正弦波实现方案。采用纯硬件方式实现对逆变器的 控制以及各种保护功能，并通过仿真对各种控制方案进行分析对 比，最后制造了一台样机进行了实验。实验结果表明，光伏电源逆变器输出波形理想，直流环电压波 动小。带载时，逆变器输出波形无大的畸变。由于脉宽调制芯片 SG3525方法生成SP W M控制脉冲，逆变电路工作稳定。实验表明本 设计对于小功率正弦波逆变器具有输出波形好、整机成本低、适应 性强等特点。但是也有不足之处，采用工频变压器升压使得设备体积重量 大、笨重，携带不便，功率密度不高。为了适应今后市场的发展，前级采用BOOST电路升压，高频逆变技术，后级逆变环节采用全桥 电路，从而实现了直流输入，标准市电输出。采用高频升压变换、然后再全桥逆变是今后研究的方向。参考文献1熊娥.光伏独立逆变电源的研究硕士学位论文.武汉理工 大学，武汉，2009:128-1302高嵩.独立式光伏逆变电源的研究硕士学位论文.北京交通大学，北京，2008:2-83谢嘉奎，宣月清，冯军.电子线路线性部分.北京：高等教 育出版社，1999:56-604童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版 社，20035阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2004:50-606刘星平.采用脉宽调制器SG3525控制的新型单相交流调压电 路.机床电器，2002,第2卷 第2期：2-37李国彬.基于脉宽调制器SG3525的一种新型车载电源设计.电子器件，2007,第30卷 第2期：8-98黄毛毛，张有生.单相逆变器电源的研制.科技广场，20 0 5.89王海.基于SG3525的单极性SP W M控制电路.电源技术应用，2007,第10卷 第9期：5-610石新春，陈雷，张玉平.双极性SP W 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