SPWM全桥逆变器主功率电路和控制电路设计

SPWM全桥逆变器主功率电路设计
一、课程设计目的
本课程是自动化专业的学生在掌握所学习的专业基础课和专业课的基础上一次较全面的实践训练，通过完成一个具有较完善功能的设计课程题，达到训练学生综合运用所学知识的能力。

通过本科电力电子技术学习，熟悉无源逆变的概念。

二、任务
采用全桥拓扑并用全控器件MOSFET形成主电路拓扑，设计逆变器硬件电路，并能开环工作。

输入：48Vdc, 输出：40Vac/400Hz
要求：
1.掌握全桥逆变的概念，分析全桥逆变器中每个元件的作用：
2分析正弦脉宽调制（SPWM）原理，及硬件电路实现形式；
3.应用protel制作SPWM逆变器线路图；
4.根据线路图制作硬件，并调试；
三．原理
图1设计框图
逆变电路是指将低电压变为高电压,把直流电变为交流电的电路,它与整流电路相对应,是通用变频器的核心部件之一,有非常重要的作用.它的基本作用是在控制电路的控制下,将中间的直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。

如图所示1 设计的主要原理是，通过逆变电路对输入的直流电源进行逆变，在控制电路的作用下，使之输出想要的正弦信号。

PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。

即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。

当采用正弦波作为调制信号来控制输出PWM脉冲的宽度，使其按照正弦波的规律变化，这种脉冲宽度调制控制策略就称为正弦脉冲宽度调制，产生SPWM脉冲，采用最多的载波是等腰三角波；因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。

在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。

四主电路设计
桥式逆变结构：
基本的电压源桥式逆变结构，两组功率开关串联跨接于电源，成为一个桥臂，以其串联中点为输出点。

这样的结构不允许串联开关同时导通，按照不同开关的通断组合，桥臂可以将它所跨接的两个不同
电位作为输出，合理安排这些不同的桥臂输出电位可能生成有正有负的输出电压，这是桥式逆变电路实现电源极性变换的基本原理。

桥式电路是逆变器中得到最广泛应用的拓扑形式，其器件电压耐受值较低，控制、组合灵活，在自换流或者负载换流模式都可以工作，不依赖变压器参与逆变，适应性非常广泛。

桥式电路的形式多种多样，如半桥、全桥、三相桥、多相桥等。

根据这次设计的要求，我们选择全桥逆变。

图2、桥式逆变电路
所以本次设计我们采用倍频式SPWM技术，在开关频率不变的情况下，达到输出频率倍增的效果。

本次课题要求：输入48Vdc, 输出40Vac/400Hz。

所以经计算采用MOSFET来进行实验。

如图2所示， MOSFET的驱动采用芯片IR2110驱动，IR2110用于驱动全桥逆变器用以控制MOSFET的通断，在IR2110的外围电路使用二极管和齐纳二极管防止MOSFET的同时导通而击穿。

2个IR2110芯片分别驱动桥式逆变主电路的2个桥臂。

图2为桥式逆变电路由四个MOSFET管组成。

电力MOSFET IRF150
的主要参数及分析
Vdss=100V, Rds(on)=0.055ohm, Id= 38A,
耐压方面，MOSFET电流容量小，耐压低。

设计要求输入直流48V,输出交流40V,由于实际在使用MOSFET时,要考虑到适当的安全裕量，一般为额定电压的2—3倍，即要求电压100V—150V,IRF150的Vdss=100V能够满足要求。

开关频率方面，MOSFET开关速度快，功率频率高。

设计要求输出频率400HZ,
IRF150高频率特性也能够满足要求。

SPWM逆变器线路图设计
如图3所示，MOSFET采用2SK1825，4个2SK1825两两串联后并联成桥式逆变主电路，U输入为出入电压，VDC输出电压，电容C1、C3为VCC的滤波电容，电容C2、C4为自举电容，二极管为自举二极管。

MOSFET的驱动采用芯片IR2110驱动，2个IR2110芯片分别驱动桥式逆变主电路的2个桥臂。

工作时，两个IR2110（1）和IR2110（2）的输入SPWM脉冲是相反的，两个IR2110分别驱动不同桥臂的MOSFET管，IR2110（1）的HO驱动Q1、IR2110（1）的LO驱动Q2，IR2110（2）的HO驱动Q3、IR2110（2）的LO驱动Q4，由于输入的两个SPWM脉冲是相反的，2个桥臂上的MOSFET管会交叉导通，即Q1、Q3同时导通或者Q2、Q4同时导通，两种情况依次循环导通，从而完成逆变。

电路主要由正弦波和三角波发生电路，控制电路和逆变电路组成。

电路中所用到的元器件主要有ICL8038，运算放大器LF353，比较器LM311，IR2110，MOSFET，CD4069，电阻电容及齐纳二极管组成。

图3、SPWM逆变器线路图
五仿真
图4 逆变电路matlab建模图5 matlab电压输出波形
图6为输入电压仿真图
六.心得体会
这次课程设计大概二个星期多左右，通过课程设计，发现自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。

经过这次的系统综合学习，我对SPWM全桥逆变器主功率电路设计有了全新的认识，是我了解了SPWM全桥逆变得工作原理，对我以后的学习和工作打下了很坚实的基础。

课程设计体现的是团队的力量，此次课程设计团队对于我的帮助十分大。

从一开始的时候，大家就分配好了各自的任务，大家有的绘制原理图，进行仿真实验，有的积极查询相关资料，并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。

在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。

团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。

设计过程中，不可避免地我们出现的种种错误与知识储量的不
足，但是经过整个团体我们大家一起的努力，最终一一克服。

七.附录
主要参数和器件清单
ICL8038波形发生器 2个
LF353运放器 1个
LM311比较器 2个
4069反向器 2个
IR2110 2个
IRF150 4个
4.7K电阻若干
10K电阻若干
0.01uf电容若干
参考文献
《电力电子技术》金海明郑安平等编著北京邮电大学出版社《电力电子应用技术》叶斌主编清华大学出版社《电力电子自关断器件及电路》黄俊秦祖荫机械工业出版社。