电力电子技术正弦波逆变器的设计

湖南工程学院

课程设计

课程名称: 电力电子技术

课题名称: 正弦波逆变器的设计

专业: 电气工程及其自动化

班级: 电气1091

学号: 2

姓名: 张文碧

指导教师:谢卫才杨青

2013年6月17 日

湖南工程学院

课程设计任务书

课程名称：电力电子技术

题目：正弦波逆变器的设计

专业班级：电气工程1091

学生姓名：张文碧学号：2

指导老师：谢卫才,杨青

审批：

任务书下达日期2013年6 月3日

设计完成日期2013年6 月17日

目录

基于CPWM控制方式的正弦波逆变器电路 (1)

引言 (2)

1 单极性三阶SPWM谐波分析 (2)

2 UPWM和HPWM的缺点 (3)

3. CPWM控制方式原理 (4)

4基于CPWM方式的逆变控制电路设计 (5)

4．1工频正弦波、方波振荡电路 (5)

4．2精密整流电路 (6)

4.3闭环调节器设计 (6)

4.4CPWM信号形成电路 (6)

4.5死区形成电路 (6)

4.6保护和软启动功能实现 (6)

5实验与结果 (7)

6结论 (8)

参考文献 (8)

基于CPWM控制方式的正弦波逆变器电路

摘要：对单极性三阶sPwM波进行了谐波分析，指出了uPwM和HPWM 存在的缺点，给出了CPWM逆变控制方式的原理CPWM方式对单极性正弦波逆变控制电路进行了具体设计，最后研制了一台独立光伏系统用单相正弦波逆变器。实验结果表明，基于CPWM控制方式的正弦渡逆变器性能优良，具有实用价值。

关键词：CPWM控制方式、正弦波逆变器、调制失效、死区振荡

引言

采用SPWM逆变技术能有效改善输出正弦波的波形质量，相同条件下SPWM全桥逆变单极性控制比双极性控制的输出电压频谱有所改善，但传统的单极性控制方式存在着换相期间调制失效等缺点，为此，本文基于一种新型的单极性控制方式——Complementary PWM(CPWM)即互补型设计了一台用于太阳能光伏系统的单相正弦波逆变器，实验结果表明，该逆变器能很好地克服传统单波极性逆变器的不足。

图1 单极性三阶SPWM逆变波形

1 单极性三阶SPWM谐波分析

单极性三阶SPWM逆变波形如图l所示。在不考虑死区，且调制度U S/U C=M ≤1，波比ωS/ωC=N≧情况下，对单极性三阶SPWM波进行傅立叶级数载分析可得：

式中：Uo为逆变器输入直流电压, ωs为调制正弦波角频率，J m(mMrc)为积分算子：

式中：M=0．96，N=400，ωs=100兀/rad时单极性三阶SPWM波的频谱如图2所示。

图2 单极性三阶SPWM波的频谱图

2 UPWM和HPWM的缺点

单极性SPWM逆变通常有普通型单极(UPWM)和混合型单极性(HPWM)两种控制模式，UPWM的控制方式具有实现简单、桥臂“直通”可能性低、开关损耗较小等优点，但也存在低频桥臂换相时高频桥臂因反并二极管续流而无法实现调制从而造成输出谐波含量大的显著缺点，图3为UPWM控制方式下后SPWM电压和滤波电感电流PSpice仿真表明，在换相期间存在明显的调制失效现象，而且低频桥臂的死区期间还可能产生振荡。口wM的控制方式工作中每一个桥臂在前半个周期工作在低频，而后个半周则工作在高频，虽然能够克服UPWM方式的些不足，但又存在实现起来比较复杂的缺点。

图3 UPWM方式调制失效和死区振荡仿真波形

3. CPWM控制方式原理

CPWM控制方式原理如图4(a)、(b)所示。图4(a)为SPWM逆变电路原理图，图4(b)中，U Q1、U Q2为高频(载波频率)桥臂彼此互补的一对驱动信号，U Q3、U Q4为低频(输出基频)桥臂彼此互补的一对驱动信号，低频桥臂换相时，如Q4关断、Q3开通时，滤波电感电流尚未换向，D3续流，而此时若高频桥臂的Q2处于关断状态，则Q1必处于开通状态，因此有效克服了UPWM方式的调制失效和死区振荡问题。

（a）SPWM逆变电路原理图

（b）CPWM控制方式

图4 CPWM控制方式原理

4基于CPWM方式的逆变控制电路设计

本文将常规PWM控制芯片KA3525引入单相单极性SPWM逆变控制电路的设计中，通过外接逻辑电路实现对逆变电路的CPWM单极性控制，电路设计如图5所示。

图5 CPWM方式逆变控制电路

4．1工频正弦波、方波振荡电路

图5中，ARl、AR2构成正弦波、方波发生器，与通常的文氏电桥振荡器相比，它频率调节比较方便，只需改变尺1或尺2一个元件的数值即可调节振荡频率，它输出波形好，幅度稳定，且能同时输出正弦波和方波两种信号，若取Cl=C2=C，则振荡频率：

根据光伏逆变应用要求，振荡频率为50 Hz。

4．2精密整流电路

图5中，AR3、AR4构成精密整流电路，输出负向全波正弦整流信号。该电路具有输入阻抗高、结构简单等优点，电路设计中R12、R13、R15应采用精密电阻，且R12=R13，R15=2R14。

4.3闭环调节器设计

逆变器闭环反馈控制由JPl(模拟乘法器AD633)实现，其原理是：由误差调节器送来差信号经EA如JUSTING端子输入，AD633的X2、Y1接地，则输出：

式中：X1为误差信号，Y2为精密整流输出的负向波正弦信号，z应为KA3525A 的5脚锯齿的最小值，在本文KA3525A参数设置条件下实测Z≈0875 V。

4.4CPWM信号形成电路

KA3525、G9、G10、G1l等组成高频CPWM信号形成电路。KA3525将AD633输出的幅度经反馈调节后的单向正弦波与自身产生的锯齿波比较，形成两路PWM信号A和B。G9、G10、G11组成的逻辑电路将其合成两路互补的高频CPWM信号。AR2输出的50 Hz方波由G1、G2倒相输出互补信号M和N，经死区形成和隔离放大作为低频桥臂Q3、Q4的驱动信号。

4.5死区形成电路

由于H桥逆变器的高、低频桥臂均工作于互补状态，因此，为确保功率电路工作安全可靠必须为每个桥臂的上下对管的驱动信号设置死区时间。图5中，R10、C4、G3、G4、G5和R11、C5、G6、G7、G8组成低频桥臂的死区形成电路，R20、C8、G12、G13、G14和R21、C9、G15、G16、G17组成高频桥臂的死区形成电路。

4.6保护和软启动功能实现

KA3525控制芯片的引入，不仅使得SPWM控制电路的设计得到简化，而