电力电子报告-单相单极性逆变电路

目 录

一、引言················································1

二、设计任务············································1

三、设计方案选择及论证··································2

四、总体电路设计········································2

五、功能电路设计········································4

六、电路制作与焊接······································8

七、调试与总结·········································11

八、参考文献···········································14

九、总体原理图附图·····································15

单相单极性DC-AC逆变电源的设计

一、引言

现代逆变技术是一门实用技术，随着电力电子技术的高速发展，大量高功率开关器件相继出现，可以满足各行各业对逆变技术的需求，逆变技术的应用领域越来越广泛，逆变电源的应用深入到各个领域。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。

DC-AC逆变器是应用功率半导体器件，将直流电能转换成恒压恒频交流电能的一种静止交流装置，供交流负载用电与交流电网并联发电。传统的逆变器开关频率较低，波形改善以多重叠为主，体积重量较大，逆变效率低。逆变器发展到现在为高频化新技术阶段，脉宽调制（PWM）波形改善技术更为纯熟，使其体积重量小、逆变效率高。

今后，随着工业和科学技术的发展，对电能质量的要求越来越高，包括市电在内的原始能量的质量可能满足不了设备的要求，必须经过电力电子装置的变换后才能使用，而DC-AC逆变技术在这种变换中将起着非常重要的作用。另外，这种能量的变换对节能、减小环境污染、改善工作条件、节省原材料、降低成本和提高产量等方面均有着很大的贡献。

二、设计任务

·设计任务：采用单极性控制方式，设计一单相DC-AC逆变电源。

·设计指标：

（1）输入直流电源：DC18-24V；

（2）输出交流：频率为50Hz，THD（总体谐波失真）不大于5%， 输出额定电流为1A。

·设计内容及应完成的工作：

（1）完成主电路的设计，输出滤波器的设计，器件的选型；

（2）完成驱动电路、检测电路和保护电路的设计；

（3）完成辅助电源的设计，要求提供DC15V驱动电源和5V控 制 电源；

（4）完成控制电路的设计，包括单极性SPWM脉冲的实现；

（5）制作驱动和主电路；

（6）利用提供的控制信号，完成单相单极性DC-AC逆变的驱动 和主电路和调试。

三、设计方案选择及论证

本系统整机电路采用单片机PIC16F876作为主控芯片，其他部分包括主电路模块、驱动电路模块、检测电路模块、保护电路模块、辅助电源模块等。以下为关键模块的方案选择及论证。

1、主电路模块

方案一：采用电力MOSFET搭建。电力MOSFET用栅极电压来控制漏极电流，是单极型晶体管。它的显著特点是驱动电路简单、驱动功率小。另外，电力MOSFET开关速度快、工作频率高，且其热稳定性较好。

方案二：采用IGBT（绝缘栅双极晶体管）搭建。IGBT是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较慢，所需驱动功率大，驱动电路复杂。

本课程设计为了简化驱动电路，主电路选择采用电力MOSFET搭建即可很好地满足要求。

2、驱动电路模块

驱动电路可以采用单电源的自举式供电芯片，如IR2103、IR2117等，但芯片IR2107无死区时间，且一个芯片只能驱动一个电力MOSFET管，无法很好地实现本电路的功能，故驱动电路选择采用芯片IR2103。

3、辅助电源模块

可以实现辅助电源的方案有多种，例如反激变换器、正激变换器、BUCK-BOOST电路等。正激变换器一般用在功耗较大的辅助电源中，反激电路工作的电路则功耗较小，一般为几十瓦。

四、总体电路设计

电路的总体硬件框图如下：

总体电路框图

说明：

总体电路框图主要由控制电路、电压检测电路、滤波电路、保护电路、驱动电路、主电路等组成。

在本课题的电力电子系统中，需要检测主电路中或者应用现场的的信号，再根据这些信号并按照系统的工作要求来形成控制信号。 主电路中电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路和主电路的连接处，或者驱动电路和控制信号的连接处以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离。 另外，在主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件（如电力MOSFET）一般比普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和保护电路中要附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统可靠运行。

系统采用低功耗、高性能的芯片PIC 芯片16F876作为核心处理器；主电路采用MOSFET搭建；驱动电路考虑到高边驱动和低边驱动的情况，采用单电源的自举式供电芯片IR2103。系统采用PWM（脉冲宽度调制）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的波形。

五、功能电路设计

1、辅助电源设计

辅助电源的电路原理图

本课题辅助电源分别设计为15V、5V，其中15V给驱动电路供电，5V给控制电路的主控芯片供电。15V的辅助电源以三端稳压器LM7815CT为核心，将输出电压稳定在15V。5V的辅助电源以LM7805CT为核心，将输出的电压稳定在5V。

2、控制电路设计

系统控制电路以芯片PIC16F876为核心处理器。PIC16F876是一种低功耗、高性能的微控制器。

·其内部采用RISC精简指令集、哈佛总线结构及流水线执行方式，抗干扰能力强；

·除程序分支指令为2个周期外，其余均为单周期指令；

·8K x14个FLASH程序存储器，368 x 8个数据存储器字节；

·中断能力强，达到14个中断源；

·外围功能模块丰富，具有PWM功能；

·内部含有3个定时器；等。

系统上电后单片机利用内部的CCP模块在RC2口输出正弦信号频率从25Hz、调制度从0.26开始向上增加的SPWM波，经过一段时间系统初始化结束，SPWM信号通过保护电路等控制驱动信号，进而控制逆变电路H桥的工作，可以根据调节频率和幅值变换，也可通过闭环的控制使电路工作于高效率的状态。

控制电路原理图

3、检测电路设计

检测电路主要利用分压原理，电路原理设计图中R1为固定电阻，R2为可调电阻，通过调制电阻R2的阻值即可改变输出端的电压值。例如，若输入端加上30V的电压，R1为1k，若获要得5V的输出电压，则需将R2调为5k。电路中电容C9为0.1uF，起稳压的作用。

检测电路原理图

4、驱动电路设计

驱动电路考虑到高边驱动和低边驱动的情况，对于单相全桥电路，应该保证上下管不出现直通，因此本设计采用单电源的自举式供电芯片IR2103。

电力MOSFET是电压型驱动器件，电力MOSFET的栅源极之间有数千皮法左右的极间电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。使电力MOSFET开通的栅源极极间驱动电压一般取10-15V。同样，关断时施加一定幅值的负驱动电压，有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。下图驱动电路的原理图中R5、R6、R12、R13即为栅极电阻，本设计中经过论证调试最终设计为三十几欧姆，即满足设计要求。

驱动电路原理图

5、主电路设计

主电路用电力MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4搭建，采用单相桥式电压型逆变电路实现单相单极性控制。

工作时Q1、Q2的通断状态互补，Q3、Q4的通断状态也互补。在输出电压的正半周，让Q1保持通态，Q2保持断态，Q3、Q4交替通断。输出负载电压可以得到正直流电压及零两种电平。在输出电压的负半周，让Q2保持通态，Q1保持断态，Q3、Q4交替通断。负载电压可以得到负直流电压及零两种电平。调配信号波为正弦波，载波在正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波，所得到的PWM波形在半个周期内只有一种极性，该控制方式称为单极性PWM控制技术。

主电路原理图

六、电路制作与焊接

PCB图的制作：

在本次课程设计中，我主要负责PCB图的绘制。

绘制PCB图其实需要考虑的因素有很多。各个元器件导入PCB时并不是独立存在的，它们之间有着各种各样的联系，不可能把它们按自己的想法随处乱放。因此之前就要了解各个元器件的功能，如电容、二极管、电阻的作用。另外，绘制PCB时还要结合老师所发的板子，合理放置元器件。元器件的封装也是一个难题，一定要综合导线宽度及功能等多种因素合理选取封装，才可使板子更漂亮。 当然，在绘制过程中出现了很多问题，例如修改原理图放置网络标签时没有放置准确，直接导致PCB图有一部分引线没有导入进去。还有电路必须实现有效接地。本设计中要求导线宽度为80-100mil，相对较粗，因此器件布局更应谨慎。

电路的PCB图：

电路的焊接：设计工作及电路原理图、PCB图的绘制完成之后经指导老师审查即

可进行焊接工作。正式焊接之前应根据PCB的器件布局和布线规划，保证控制电路的制作质量，并兼顾美观和调试的便利。

焊接时注意：

焊接时集成芯片都只是将IC官做呢焊在板子上，调试时，将芯片插在管座上即可进行调试。

对于要测试的管脚可以用单独的引线连起来，以便示波器调试。焊接时管脚留长一些，便于拆卸和移动。

电路制作实物展示：

（正面）

（背面）

七、调试与总结

1、调试过程：板子焊接好后即可进行调试。

调试时向老师领取驱动芯片IR2103插在所焊接的管座上；

通过老师提供的控制电路将信号加入驱动电路，检测驱动电路是否能正常工作，即是否能够输出正确的波形；主电路的检测也同样如此。进行检测之前一定要熟悉板子结构，尤其弄清楚信号输入、输出端口及地端；

若波形出现问题，首先分析故障原因，提出多种可能性猜测，再分模块进行查找，可以利用万用表对电路板进行检测，如检查是否有地方开路、短路等；

找出问题并纠正之后继续进行调试，不断去发现、改正问题，缩小范围，直到调试成功。

2、相关数据：输入直流电源：DC18-24V，输出交流：频率为50Hz，THD（总体谐波失真）不大于5%，输出额定电流为1A。设计栅极电阻为三十几瓦，驱动电路中的电容为0.22uF。

3、实验波形：

（1）输出单相单极性PWM波形

（2）MOSFET的DS波形

（3）输出正弦波

七、总结

以前做课程设计时，多少都带着点应付心理，但此次电力电子课程设计和以前的都不一样。课设之前老师便已经给好课题并提出相关要求。说实话，刚拿到课题及设计要求时真感觉一窍不通，虽然电力电子理论课上有学过相关知识，但要真正去亲自设计一个东西——单相单极性DC-AC逆变电源，真不知从何下手。 课程设计的第一天便是在各种煎熬中度过的，原理图是关键，虽然组员各有分工，

但总体电路原理图却是都必须要了解的，驱动电路、主电路、检测电路、保护电路、辅助电源等都必须查阅相关资料慢慢熟悉和了解。本次课程设计我主要负责PCB图的绘制，要求导线宽度为100mil。刚开始绘制时，没有和老师发的板子有效结合起来，加上没有调整好各类器件的封装（例如电力MOSFET、电容等），结果使绘制线路非常冗杂。换了一种排版后，才相对好些。但原理图中可能存在一些不易察觉的错误，例如网络节点是否放好，该接地的地方是否良好接地，绘制PCB时应前后对照起来看。

接下来的焊接工作，我感觉我们组负责焊接的同学做得很好，他把PCB图和板子的优势很好地结合在了一起，因为板子竖着5个孔是连通的，合理的布局可以节省不少导线，从而简化了电路结构，也更方便于查找错误。

调试是检验前面工作做得如何的时候，也是巩固所学知识的时候，我们的电路板在调试时出现了很多问题：

(1)一开始时便没有输出波形，因为电路中少了一根接地线。

（2）因为网络节点没有放置好的原因，导致输出端Ua、Ub没有和主电路相应地方连接起来。

（3）后来又检查到由于裸露导线过长导致的短路问题及电力MOSFET本已焊接好的引脚断开等问题。

（4）除此之外，器件参数也可能导致问题的发生，最后一天的调试时，我们前2个MOSFET管的驱动波形没有问题，但接后面两管时，其中一个管太热，电流达到0.8A左右，电路损耗太大，在老师的指导下我们将栅极电阻值减小，并重新检查了一遍电路，最后终于达到了理想的结果，原来栅极电阻过大，会导致电容充放电时间增长，使开关损耗增大，所以MOSFET会很烫。

我们在调试过程中可能解决了一个问题又会出现一个个更大的问题，但是我们不气馁，小组成员精诚合作，共同参与，成功地找出问题所在。虽然我们几乎是最后才调出来，但我们很开心。有问题不代表失败，相反，这是一个深化理解的机会，因为查找问题、解决问题本身就是一个最好的学习途径，理论的知识，实践会告诉你它源于哪里，归向哪里。

总之，这次课程设计让我收获多多，尤其培养了我认真、敢于发现的学习与生活态度。

八、参考文献

[1] 王兆安，黄俊. 电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，2000

[2] 邵丙衡. 电力电子技术[M]. 北京：中国铁道出版社，1997

[3] 何亮,方宇,李吉,邢岩.峰值电流控制 DC/DC 变换器的恒值限流方法[J]电工技术学报，2006（21）10：86-89,105

[4] 叶家金. 现代电力电子器件——大功率晶体管的原理与应用[M]. 北京：中国铁道出版 社，1992

[5] 陈治明. 电力电子器件基础[M]. 北京：机械工业出版社，1992

[6] 赵良炳. 现代电力电子技术基础[M]. 北京：清华大学出版社,1995

[7] 尹克宁. 电力工程[M]. 北京：中国电力出版社，2008

九、附图：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2kji.html