基于全桥的正弦逆变控制器.doc
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1、摘 要本文将介绍一个全桥逆变器,其基本电路结构是由四个N沟道的MOS管和专门的MOS管驱动芯片IR2110组成的全桥电路。由于H桥电路属于高压大电流所以本文通过光耦实现对控制电路的隔离。通过单片机产生的PWM开关信号来控制H桥的上管,产生的SPWM调制信号来控制H桥的下管,然后通过LC滤波来实现DC到AC的转化.为了有稳定的正弦波输出本文还采用了电压反馈。关键词:LNK304、SPWM、死区、浮地、DC-DC转化芯片.一、引言逆变器(inverter)是把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成交流电(一般为220v50HZ正弦或方波)。应急电源,一般是把直流电瓶逆变成220V交流的。通俗的讲,逆变器是
2、一种将直流电(DC)转化为交流电(AC)的装置.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、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱,录像机、按摩器、风扇、照明等 .不过本文设计的是24V交流输出的逆变器。二、项目背景及意义生活中我们通常用到的用电设备都是由24V交流电源供电,况且电网只能提供220V的交流电,这时我们就需要由逆变器吧各种直流电源逆变为24V交流电源,为用电器供电,对于这个移动的社会在移动的状态中,人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电,同时更需要我们在日常环境中不可或缺的24伏交流电,逆变器就可以满足我们的这种需求。三
3、、任务要求(1)在交流供电U1=36VAC和直流供电U1=36VDC两种情况下,保证输出电压U2=24VAC,且保证其频率为501Hz,额定输出电流1A;(2)交流供电时,电源达到以下要求:1)电压调整率:满载条件下,U1从29VAC增加至43VAC,U2变化不超过5; 2)负载调整率:U1=36VAC、U2=24VAC,从空载到满载,U2变化不超过5%;(3) 具有输出短路保护功能。(4) 满载条件下,输出为正弦波,失真度不大于5%。逆变器设计的总体框架图:图一:总体框架图四、逆变硬件电路的设计(1)H桥半桥逆变功率转换主电路与全桥电路的区别就是,用另外两只电容代替两个同样的开关管,即由 2
4、 只开关管和电容组成逆变开关电路。从电路图上可以很方便的看出一点明显的区别,就是开关管的数量不同。半桥式电路的开关管数量少,成本也就相应的低。全桥式电路有4 只开关管,需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关管,那就难免导致驱动电路的复杂。半桥式电路由于只有两只管子,没有同时通断地问题,且其抗不平衡能力强,也就是说对 duty 的要求不是很高,所以驱动电路相对于全桥就简单很多。半桥和全桥电路的适用场合也不相同。半桥式电路变压器原边电压为 1/2 Vdc ,而全桥式电路变压器原边电压为 Vdc 。 P=V 原边 *I 输入 ,要想输出相同的功率,半桥式电路的输入电流就要是全桥式电路的 2 倍;
5、换句话说,如果他们的开关电流一样,电源输入电压也相等,半桥式的输出功率将是全桥式的一半。因此,半桥式电路不适用于大功率的逆变电路.而且,由于其输入电压电流的不同,变压器的设计上也存在一定的区别,半桥式电路变压器原边线径要粗一些,全桥式电路的原边线圈匝数则要相对多一些。但由于考虑到半桥电路是根据2个相同的电容来实现对Vdc的分压,而实际中比较难实现完全相等的分压效果,所以本文还是采用了全桥电路。全桥电路可以采用MOS管、三极管、IGBT组成.但是一般采用主要MOS管,与三极管相比MOS管只需要电压,而三极管必须需要一定的前级电流,这样会导致前级驱动电路的功耗加大,结构也更复杂。而MOS管与IGB
6、T相比则又稍差点,主要是因为IGBT可以输出很大的电流,但是IGBT的价格比较贵,综合考虑本文采用了MOS管.我们知道由MOS管组成的全桥电路有两种:四个N沟道的MOSFET、两个P沟道两个N沟道的MOSFET,具体如下图2,3。图2:4N沟道H桥电路 图3:上管P沟道的H桥电路第一种方案它的优点是价格比较便宜,而且N沟道输出的电流比P沟道要大很多.但是从驱动电路来说,相比与上管为P沟道的MOS管要复杂的多,它需要浮地驱动。而上管为P沟道的MOS管只需经过一个三极管就可以了,具体电路如图4.但是由于设计要求需要1A的输出电流,所以本文采用了第一种方案。图4:三极管驱动电路(2)驱动电路由于本文
7、采用了4个N沟道构成的H桥主控电路,所以驱动电路用分立元件搭会比较的复杂所以本文采用了IR2110.IR2110是IR公司生产的大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路,可以实现对MOSFET和IGBT的驱动,同时还具有快速完整的短路保护电路。IR2110的内部结构图如下图5. 图5:IR2110的内部结构图图中HIN和LIN为逆变桥中同一桥壁上下两个功率MOS管的驱动脉冲信号输入端。SD为保护信号的输入端,当该脚为高电平时,IR2110的输出信号全被封锁,其对应的输出端恒为低电平;而当该引脚为低电平时,IR2110的输出信号随HIN和LIN而变化.在实际电路中,该端接用户保护电路的输出。
8、HO和LO是两路驱动信号的输出端,驱动同一桥壁的MOSFET,短路保护电路如图6。图6:短路保护电路我们知道四个N沟道组成的H桥电路,需要浮地驱动。下面就介绍下IR2110的高压侧悬浮驱动的原理。IR2110 用于驱动半桥的电路如图7 所示。图中C1、VD1 分别为自举电容和二极管,C2 为VCC 的滤波电容。假定在S1 关断期间C1 已充到足够的电压(VC1VCC)。当HIN 为高电平时VM1 开通,VM2 关断,VC1 加到S1 的门极和发射极之间,C1 通过VM1,Rg1 和S1 门极栅极电容Cgc1 放电,Cgc1 被充电.此时VC1 可等效为一个电压源.当HIN 为低电平时,VM2
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