SPWM全桥逆变器主功率电路设计说明

SPWM全桥逆变器主功率电路设计

一．设计目的

通过电力电子技术的学习，熟悉无源逆变概念；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。熟悉全桥逆变器拓扑，掌握逆变原理，实现正弦波输出要素，设计SPWM逆变器控制信号发生电路。

参数指标：

输入：48Vdc, 输出：40Vac/400Hz

二．设计任务

(1) 熟悉交流电路中功率因数的意义；

(2) 掌握全桥逆变概念，分析全桥逆变器中每个元件的作用；

(3) 分析正弦脉宽调制(SPWM)原理，及硬件电路实现形式：

(4) 应用protel制作SPWM逆变器线路图；

(5) 根据原理图制作硬件，并调试；

三. 设计总体框图

图1设计总体框图

四．设计原理分析

SPWM脉宽调制原理

PWM(Pulse Width Modulation)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(Sine pulse width

modulation，SPWM)，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。

SPWM波形的产生（如图2）

图2 SPWM波形的产生

1).全桥倍增SPWM控制

主电路和其他全桥逆变电路完全一致，控制脉冲的发生类似双极性SPWM的模式，所不同的是，其桥臂之一所使用的互补控制脉冲由正弦调制波和三角载波比较产生，而另一个桥臂脉冲由同一正弦波和反相的三角载波比较产生(或者是反相三角载波和同一正弦波比较产生)。这种调制输出谐波性能等效于2倍载波频率的单相单极性SPWM，所以叫做倍频式SPWM，它仅仅在控制上作了简单改动，却大幅度提高了性能，是一种很具实用价值的技术。对开关频率不变，等效输出频率倍增的效果，可以从不同的角度直观理解：一种是从调制波反相角度看，将两桥臂视为两组独立反相双极性SPWM半桥输出，它们的奇数倍开关频率谐波群也反相抵消掉了；或者可以从载波反相角度理解，相当于等效载波频率加倍。

由于逆变器应用场合不同，负载特性与要求也各异，到目前为止并没有一种PWM方法能够兼顾各方面的要求。随着逆变技术和微处理器性能的不断发展，传统的PWM控制方法不断受到新控制策略的挑战，新思想、新方法和新技术层出

不穷，形成了逆变控制技术蓬勃发展的景象。

2).正弦脉冲宽度调制

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，简称正弦脉宽调制。产生SPWM脉冲，采用最多的载波是等腰三角波；既可以采用自然采样也可以规则采样；既可以采用单极性控制模式也可以采用双极性控制模式，但使用较多的是规则采样双极性控制方式。

a.准正弦脉宽调试法

在正弦调制波上叠加幅度适当并与正弦调制波同相位的三次谐波分量，从而得到合成后的马鞍形调制波，这个三次谐波和三角波比较产生PWM脉冲的方法就是准正弦波脉冲宽度调制法。

b.消除特定谐波法

消除特定谐波法的核心是通过对电压波形脉冲缺口位置的合理安排和设置，以求既能达到控制输出电压基波大小，又能有选择地消除逆变器输出电压中某些特定谐波的目的。

c.电压空间矢量脉冲宽度调制技术

电压空间矢量脉冲宽度调制技术是从交流电机的角度出发，以控制交流电机磁链空间矢量轨迹逼近圆形为调制目的，以求减小电动机的转矩脉动，改善电动机的动态性能。

1.电路组成及工作原理分析：

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。

2.控制电路分析：

当电路开始工作，首先由ICL8038产生的正弦波和三角波，正弦波和三角波的幅值由可调电阻来控制，得到的波可以通过LF353运算放大器构成的反相电路进行反向，得到方向相反的正弦波，正弦波与三角波信号通过LM311比较芯片产生SPWM脉冲。（如图3）

图3 SPWM脉冲的产生

3.主电路分析：

主电路主要由驱动电路和逆变电路两大部分组成（如图4）

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。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。如下图所示，MOSFET采用IRF150，4个IRF150两两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。

图4 主电路图

3.1 驱动电路设计

在功率变换装置中，根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式.美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。该芯片具有驱动电流大，速度快，外围电路简单，可驱动母线电压高达500V的全桥，对输入信号要求低等优良性能。

IR2110的部功能框图如图1所示。由三个部分组成：逻辑输入，电平平移及输出保护。如上所述IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的成功设计，可以大大减少驱动电源的数目，三相桥式变换器，仅用一组电源即可。

3.1.1 IR2110引脚功能及特点简介（图5）：

图5 IR2110引脚图

L0(引脚1)：低端输出

COM(引脚2)：公共端

Vcc（引脚3）:低端固定电源电压

Nc（引脚4）: 空端

Vs（引脚5）:高端浮置电源偏移电压

VB (引脚6):高端浮置电源电压

HO（引脚7）:高端输出

Nc（引脚8）: 空端

VDD（引脚9）:逻辑电源电压

HIN（引脚10）: 逻辑高端输入

SD（引脚11）:关断

LIN（引脚12）:逻辑低端输入

Vss（引脚13）:逻辑电路地电位端，其值可以为0V

Nc（引脚14）:空端

IR2110的特点：

1）具有独立的低端和高端输入通道。

2）悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V。

3）输出的电源端（脚3）的电压围为10—20V。

4）逻辑电源的输入围（脚9）5—15V，可方便的与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有 V的便移量。

5）工作频率高，可达500KHz。

6）开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns

7）图腾柱输出峰值电流2A

3.1.2 IR2110的工作原理

IR2110部功能由三部分组成：逻辑输入；电平平移及输出保护。如上所述IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的设计，可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。

高端侧悬浮驱动的自举原理：

IR2110驱动半桥的电路如图所示，其中C1，VD1分别为自举电容和自举二极管，C2为VCC的滤波电容。假定在S1关断期间C1已经充到足够的电压（VC1 VCC）。

当HIN为高电平时如图6 ：VM1开通，VM2关断，VC1加到S1的栅极和源极之间，C1通过VM1，Rg1和栅极和源极形成回路放电，这时C1就相当于一个电压源，从而使S1导通。由于LIN与HIN是一对互补输入信号，所以此时LIN为低电平，VM3关断，VM4导通，这时聚集在S2栅极和源极的电荷在芯片部通过Rg2迅速对地放电，由于死区时间影响使S2在S1开通之前迅速关断。

当HIN为低电平时如图7：VM1关断，VM2导通，这时聚集在S1栅极和源极的电荷在芯片部通过Rg1迅速放电使S1关断。经过短暂的死区时间LIN为高电平，VM3导通，VM4关断使VCC经过Rg2和S2的栅极和源极形成回路，使S2开通。在此同时VCC经自举二极管，C1和S2形成回路，对C1进行充电，迅速为C1补充能量，如此循环反复。