正弦波逆变器设计

课程名称：电力电子技术

综合训练题目：正弦波逆变器的设计

专业：电气工程及其自动化

班级：电气16-5班

姓名：柳云龙

学号：1605040508

综合训练项目成绩答辩考核评分标准

目录

引言 (1)

1总体方案设计 (2)

1.1 主电路设计 (2)

1.1.1 变压设计 (2)

1.1.2 H桥 (3)

1.2控制方案 (4)

1.2.1 SPWM控制方式 (4)

1.2.2 SPWM调制方案 (5)

1.3驱动与隔离 (6)

1.4总体流程 (6)

2硬件电路及原理 (7)

2.1整体电路图 (7)

2.2调控驱动与隔离 (8)

2.3主电路及原理 (9)

3软件算法 (11)

3.1 SPWM软件产生原理 (11)

3.2 程序设计 (12)

3.3SPWM码表生成软件 (13)

4问题及改进 (14)

4.1保护电路 (14)

4.2谐波抑制 (14)

5总结 (15)

参考文献 (16)

摘要

逆变器，是指整流器的逆向变换装置。其作用是通过半导体功率开关器件（例如GTO,GTR,功率MOSFET和IGBT等）的开通和关断作用，把直流电能转换成交流电能，它是一种电能变换装置。特别是正弦波逆变器，其主要用途是用于交流传动，静止变频和UPS电源。逆变器的负载多半是感性负载。为了提高逆变效率，存储在负载电感中的无功能量应能反馈回电源。因此要求逆变器最好是一个功率可以双向流动的变换器，即它既可以把直流电能传输到交流负载侧，也可以把交流负载中的无功电能反馈回直流电源。随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。

本文主要陈述了一种通过程序算法实现SPWM输出来控制IGBT工作的一种电压型正弦波逆变器。使用软件将正弦波调制取样实现双通道双极性控制。并且可以通过修改程序来修改输出电压的频率，适用于小成本小功率的正弦波逆变器制作。

关键词：逆变器；SPWM；DC TO AC;正弦波

引言

逆变按逆变器输出交流电能的频率分，可分为工频逆变器、中频逆器和高频逆变器。工频逆变器的频率为50～60Hz的逆变器;中频逆变器的频率一般为400Hz到十几kHz;高频逆变器的频率一般为十几kHz到MHz。按逆变器输出的相数分，可分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器。按照逆变器输出电能的去向分，可分为有源逆变器和无源逆变器。凡将逆变器输出的电能向工业电网输送的逆变器，称为有源逆变器;凡将逆变器输出的电能输向某种用电负载的逆变器称为无源逆变器。按逆变器输出电压或电流的波形分，可分为正弦波输出逆变器和非正弦波输出逆变器。

正弦波逆变器在控制调制方式中，又分为单极型和双极型。在逆变主电路为H桥时，单极性SPWM开关次数少，效率高，但输出的SPWM波形谐波含量高；双极性SPWM 开关次数多，效率低，但输出的SPWM波形的谐波含量低。而在获取SPWM 时，目前又存在等面积法、硬件调制法、软件生成法等多种方法。在本文中，根据设计任务要求，对以上多种方式、多种方法进行了讨论比较，最终整合出较为合适本设计要求的整体方案。

1 总体方案设计

1.1主电路设计

1.1.1变压设计

由于该逆变器的输入电压为12V，输出则是220V，50Hz交流，所以，该逆变电路必须有一个升压的过程。升压形式有下述两种。

1.无工频变压器的逆变电源

逆变电路以PWM方式首先将12V-DC电压逆变成高频交流，经高频升压变压器升压至220V左右，再整流滤波得到一个稳定的直流电压。这部分电路实际上是一套直流/直流变换器。然后，再由另一套逆变器以SPWM方式工作，将稳定的直流电压逆变成有效值约为220V的SPWM电压波形，经LC滤波后，就可以得到有效值为220V的50Hz交流电压。此种方案输出电压波形好，谐波少，带载能力稳定。但是电路复杂，对桥式以及隔离等电路中器件要求较高，对保护电路要求较高。

2.有工频变压器的逆变电源

桥式逆变电路以SPWM方式工作，将12V-D电压逆变成有效值基本不变SPWM波形，由工频变压器升压得到220V交流电压。这种电路方式效率比较高、可靠性较高、抗输出短路的能力较强。但是响应速度较慢、波形畸变较重、带非线性负载的能力较差，噪声大。

考虑到本次设计主要是小功率小成本逆变器，并考虑到在逆变桥输入端做升压方案过于复杂，选择有工频变压器的方案。

1.1.2 H桥

I GBT，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、等领域。

H桥（H-Bridge), ，因外形与H相似故得名，常用于逆变器。通过开关的开合，将直流电逆变为某个频率或可变频率的交流电，用于驱动交流电机。尤其在高频的逆变电路中，通常使用H桥作为逆变主电路。

设计为电压型逆变电路，选择使用四个IGBT构成H全桥电路，但IGBT对于电流很敏感，需要做好保护，并且应在输出端设置输出滤波器以改善电压电流，抑制谐波。

图1-1 逆变工频变压电路图

1.2控制方案

1.2.1 SPWM控制方式

1.单极性控制

调制波正弦波，载波为单性的等腰三角波。调制波和载波的交点，决定了脉冲系列的宽度和脉冲音的间隔宽度，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。

单极性调制的工作特点：每半个周期内，逆变桥的同一桥臂两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反，流经负载的便是正、负交替的交变电流。

2.双极性控制

调制波仍为正弦波，载波为双极性的等腰三角波。调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的。

双极性调制的工作特点：逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息，而流过负载是按线电压规律变化的交变电流。

1.2.2 SPWM产生方案

所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。该方法的实现有以下几种方案。

1.等面积法

际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点。

2.硬件调制法

是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。其实方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波。但是，这种模拟电路结构

复杂，难以实现精确的控制。

3.软件生成法

技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法：即自然采样法和规则采样法。自然采样法以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法。规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般采用三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断。

设计任务为单一频率的输出，所以采用等面积法，使用SPWM 数表生成软件计算出正弦表数组，来控制单片机定时器产生固定的SPWM。该方法产生SPWM波简单而准确。同时使用双极性控制方式。一方面会使两个桥臂的IGBT工作状态均衡，使其寿命均衡对可靠性更加有利。另一方面双极性相对于单极性控制，所输出的正弦波形谐波更少。不过缺点是四个IGBT都工作在较高的工作频率产生了较大的开关损耗。

图1-2 单极性控制方式波形

图1-3 双极性控制方式波形

1.3驱动与隔离

对比主流驱动方案，选择了电路较为简洁，驱动能力较强的HIP4082作为驱动芯片，来驱动四个IGBT的导通和关断。该芯片是一个具有80V/1.25A峰值驱动能力的全桥式功率驱动器。当工作频率为1MHz、自然冷却温度为50℃、负载电容为1nF时，上升和下降时间仅为15ns。采用自举和电荷泵来保证高端驱动器的偏置电压。

隔离在电力电子技术中主要有光隔离与磁隔离两种方式。光隔离采用的器件为光耦，其特点响应速度快，受干扰小，体积小。磁隔离主要为磁脉冲变压器，其特点体积大，延迟小，可靠性高，可隔离相对较高的电压。根据此设计任务要求为小型小功率逆变器，且控制电路部分使用单片机，控制信号电压低等特点，选择了光耦隔离方案。此处选择了6N137高速光电耦合器作为信号隔离，该芯片最小延迟可以达到15ns以下，并且体积小。比较适合本次设计。

1.4整体流程

下图为本次设计的整体流程图，主要由两大部分组成，控制电路部分和主电路部分。控制电路部分包括信号的调制、信号隔离、驱动；主电路部分包括逆变电路、升压电路、滤波输出等。

图1-4 整体流程图

2 硬件电路

2.1整体电路

整体电路主要由直流电源输入部分、降压部分、STM32最小系统部分、光耦隔离部分、驱动部分、IGBT H桥部分、工频变压部分组成。

12V-DC输入一方面为作为逆变电源的输入直接输入给H桥，另一方面直接为HIP4082供电，并且进行二级降压，得到5V-DC和3.3V-DC。3.3V为STM32F103C8T6单片机供电，5V为6N137光耦供电。H桥与4082的GND归属于模拟地AGND，与单片机光耦的GND设置了0Ω单点接地隔离。由单片机产生的两路SPWM经光耦隔离输入给HIP4082，再由4082控制H桥的4个IGBT的通断。由此产生的12V左右的交流经工频变压器升压至交流220V左右最终输出。

图2-1 整体电路图

2.2调控驱动与隔离

由STM32F103C8T6内部的程序与定时器运算输出的两路互补的SPWM波。经两路光耦隔离输入给HIP4082驱动芯片，驱动芯片对信号做出处理并输出四路两组SPWM信号，信号幅值在15V左右，对IGBT进行开启关断的控制。使两路SPWM信号分别控制H桥的四个两组对角线的IGBT。使之开启关断构成双极性SPWM波输出。但需要注意的是，在双路组合输出时，注意对IGBT导通关断留有一定的死区时间，为防止IGBT关断不完全导致的两组桥臂上下两个IGBT同时导通造成的输入电源短路，对电源及IGBT造成损坏。

图2-2 控制电路

2.3主电路及原理

双极性SPWM控制原理：四个二极管的作用是为反馈的无功功率提供反馈通道使其流回电源侧，在一定程度上也防止了反向冲击电流对IGBT的伤害。

当U r>U c时，控制信号使V1与V4导通，V2V3关断，此时U o=U d。当I o>0时，V1与V4导通，当I o<0时VD1与VD4导通。

当U r0时，VD2与VD3导通，当I o<0时，V2与V3导通。

图2-3 双极性载波调制波与输出波

图2-4 逆变主电路

H桥的输出串联一个滤波电容与工频变压器相接，电容的作用是为了滤掉交流中的直流分量，避免变压器磁饱和。此处应根据SPWM的控制频率即载波的频率及公式X c=1

2πfC 来选择C1的容值的大小。

LC构成输出滤波器，电感是主要特性是电流不能突变，利用这个特性，可以把逆变桥不连续的电流为转变为连续的电流;电容的特性是电压不能突变，利用这个特性，可以把逆变桥不连续的电压为转变为连续的电压。

3软件算法

3.1 SPWM软件产生原理

即按正弦规律改变PWM的波的占空比，滤出的基波的频率是改变占空比的频率。定时器计时溢出中断，每中断一次，在中断函数中，改变从正弦表中查询下一个占空比的值。需讲PWM的输出频率与定时器中断的频率修改一致，如中断频率是5KHz,占空比输出频率也是5KHz,改变占空比的频率也是5KHz。将基波频率设置为100Hz，即正弦波每个周期采样100次，即1个周期改100次占空比，最终输出的有效值变化频率为5KHz/100=50Hz。即逆变输出交流频率为50Hz。其中两通道PWM的输出的占空比互补，至此就形成了双极性SPWM。

3.2程序设计

程序主要使用两个通道的PWM输出端口，以及一个定时器来进行定时中断控制。其中表spwm[i]是由软件直接生成，准确便捷。核心算法如下

修改TIM1通道1的PWM占空比，为数表值

TIM_SetCompare2(TIM1,(u16)(Period_percent1*spwm[i])) ;

修改TIM1通道2的PWM占空比，为数表的互补值

TIM_SetCompare3(TIM1,(u16)(Period_all-(Period_percent*spwm[i]));

i++;

if(i >= 101)

{ i = 0; }

将表中所对应的占空比赋值给其中一通道作为输出时，另一通道输出的则是与此互补的占空比，由此实现双通道双极性SPWM控制。根据输出电压频率及采样点个数来计算对占空比修改的周期。

程序源码见附录

图3-1 程序流程图

3.3 SPWM码表生成软件

下图为正弦波SPWM码表生成软件，只需计算好基波频率与载波频率，设置好分辨率与控制点数，即可生成正弦码表，十分方便。

图3-2 SPWM码表软件

4 问题及改进

4.1保护电路

此设计至此，只是使用光耦对控制电路与驱动电路进行电气隔离，只保护了控制电路部分，但无法避免输出短路、冲击电流等对IGBT的损害。首先输入输出滤波对于IGBT电路来说是十分必要的，IGBT耐压能力强但对电流十分敏感。其次在改进工作中需要设计完备的保护电路。并同时增加输出电流电压检测，将逆变工作改进至闭环控制。这是设计接下来改进的主要方向之一。

4.2谐波抑制

逆变器主要从硬件上和软件上两个方面去抑制谐波。

硬件上主要是滤波电路，目前逆变器常用的滤波方式有：L，LC，LCL等三种方式。

软件上采取的主要方法有：

1.提高开关频率：逆变器的开关频率越高，控制带宽越宽，对于宽范围的电流谐波抑制更充分，为保证稳定性，逆变器的控制带宽通常取开关频率的1/10左右。逆变器控制算法中输出电压为正弦波，当经过逆变器调制输出PWM波有畸变时，将影响逆变器的输出谐波与控制效果。提高开关频率与输出PWM电平数有助于降低PWM波形的畸变率。

2.并机谐波抵消能力：1个方阵多台组串式逆变器距离升压变压器距离不一样，线路阻抗会有差异。线路阻抗会等效改变并网LCL滤波器中的电感，不同的滤波器参数会改变谐波的相位。当多台组串式逆变器并联工作时，谐波成分将会由于相位的差异而部分相互低消，降低系统整体的谐波值。

3.消除谐波的软件控制技术：由于逆变器采用高速度的数字处理器，可以采用很复杂的算法，如重复控制的电流控制器算法，原理是任何周期性的信号都可以分解为直流、基波以及各次谐波之和，因此只要在控制系统的前向通道中在这些频率处加入无穷大的增益，就可以实现对这些频率处指令的无静差跟踪和扰动抑制。

在本次设计小功率无源逆变器中，比较适用的方法在硬件上使用LC输出滤波器，在软件上提高IGBT开关频率，即增加对调制波的采样点个数，提高对PWM的控制周期来减小输出谐波。