单相PWM逆变电源的设计

摘 要

随着国民经济的高速发展和国内外能源供应的紧张，电能的开发和利用显得更为重要。目前，国内外都在大力开发新能源，如太阳能发电、风力发电、潮汐发电等。一般情况下，这些新型发电装置输出不稳定的直流电，不能直接提供给需要交流电的用户使用。为此，需要将直流电变换成交流电，这就需要逆变技术的大力应用。

本文设计的单相PWM逆变电源属于交流电源，采用电压反馈控制，通过中断功率通量和调节占空比的方法来改变驱动电压脉冲宽度来调整和稳定输出电压。其主电路构成采用的是Boost电路和全桥电路的组合。本设计的核心是AVR单片机，既能产生PWM波，控制升压电路和逆变电路，又能对系统进行实时监控，确保系统的稳定性。

本文详细的分析了该逆变电源的工作过程，并推导了重要公式。最后对该逆变电源进行了软件仿真，验证了其可行性和有效性。

关键词：逆变器，脉冲宽度调制，场效应管

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Abstract

With the high-speed developing of national economy and the shortage supply of world electrical energy supplies, the development and utilization of electric power is more important. Now, there are a lot people try their best to develop the new energy, such as solar power, wind power and tidal power and so on. In general, these new power generation unit output is not stable of DC, and can't directly provide users alternating current. So, we need to transform DC to AC, this needs the application of the inverter technology.

In this paper, the design single-phase PWM inverter power supply belong to the AC power, it adopt the voltage feedback control, It can adjust and stable output voltage through the interrupt power of empty and adjustment of the flux to transform the driving voltage pulse width. Its main circuits are the Boost circuit and the whole bridge circuit. The core of the design is the single chip microcomputer AVR, it can not only produce PWM waves which can control boost circuit and source inverter, but also real-timing monitor the system, to ensure the stability of the system.

This paper makes a detailed analysis of the working process of the inverter power supply, and derived the important formulas. Finally the inverter power for the software simulation proves its feasibility and validity. Keywords：Inverter, PWM, MOSFET

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目 录

摘 要 ................................................... I ABSTRACT .............................................. II 1 绪言

1.1 课题背景 ................................................................................................................................ 1 1.2 课题研究的目的和意义 ..................................................................................................... 1 1.3 国内外概况 ............................................................................................................................ 2 1.4 课题主要的研究工作 .......................................................................................................... 4

2 系统设计方案的研究

2.1 系统的控制特点与性能特点 ............................................................................................ 5 2.2 系统实现的基本原理 .......................................................................................................... 5 2.3系统实现方案分析比较 ...................................................................................................... 8

3单相PWM逆变电源的设计

3.1系统组成 ............................................................................................................................... 13 3.2主电路设计 ........................................................................................................................... 13 3.3控制电路工作设计 ............................................................................................................. 18

4 系统软件设计

4.1系统软件设计目的 ............................................................................................................. 27 4.2系统软件设计思路 ............................................................................................................. 27 4.3系统软件仿真 ...................................................................................................................... 28

5 总结与展望 ........................................................................................................................ 29 致 谢 .................................................. 32 参考文献 ................................................ 33 附录 软件源代码 ........................... 错误！未定义书签。

1 绪言

1.1 课题背景

电力电子变换技术已渗透到生产、生活、建筑、科研、国防、交通、医疗卫生、环保、航空管理、办公自动化等各个领域。虽然这些领域有相当一部分是直接利用市电，但更多领域却是间接使用市电，换句话说，各个领域都少不了使用电力电子变换技术。随着电力电子技术的普及使用，由电力电子变换装置带来的电磁干扰、谐波污染及电网功率因数下降等“公害”越来越引起全社会各界普遍关注。另外，从节约能源，走可持续发展道路考虑，太阳能、风能、潮汐、地热、燃料电池等新型能源的开发应用，也已成为高科技研究的热点。出于环保的需要，电动车辆取代现有的燃油引擎车辆也成为工业发展的必然趋势。 随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域应用越来越广泛．PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，从而确定了它在电力电子技术中的重要地位。例如PWM技术在UPS技术上的应用。UPS电源是一种具有稳压纯净化和无间断地向负载提供连续供电能力的优质交流电源，它担负着向计算机等重要设备的供电任务。UPS电源一般采用PWM技术，这种技术在传统上采用平均值电压反馈，在线性负载条件下，显示出良好的性能。但对非线性负载引起的冲击响应较慢，而且控制环节增多使稳定性设计产生困难。虽然可用瞬时值电压反馈的PWM技术来解决，但此种技术仍属于周波内响应，非线性负载的冲击响应仍然很慢。近几年利用电流模式的PWM控制技术，基本上能解决非线性负载的响应很慢的缺点，使得UPS电源性能不断提高。为了彻底解决现有UPS电源存在的不足和适应各类用电设备的需求，数控交流稳压电源的研制将是今后的一个重要的方向.

1.2 课题研究的目的和意义

PWM软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实现电力电子技术高频化的最佳途径。他的研究对逆变器性能的提高与进一步推广应用，以及对电力电子技术的发展，都有十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一。

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1.3 国内外概况

现代电源技术是综合应用了电力电子、电子与电磁技术、自动控制及微处理器技术的一种多学科技术。随着电子电源的集成化、模块化、智能化的发展，功率集成技术已模糊了整机与器件的界限。单片电源和模块电源已取代了整机电源在一些技术中获得广泛应用，并且派生出新的供电体系一分布供电，使单一的集中供电体系走向多元化。进入80年代后，现代电源技术随着IGBT、功率MOSFET、IPM、MCT等新元器件出现，谐振变流、软开关、电路拓扑等新理论的支持，功率因数校正、并联均流、有源箝位、微机监控等技术的应用，使现代电源技术逐渐走向高频化。高频化带来的直接好处是使电源装置空前小型化，并使电子电源进入更广泛的领域。现代电源技术研究总趋势是交流电源以PWM为主流，不断提高网侧功率因数，实现功率因数近似为l的电源，并向大功率推进；直流电源以开关方式为主流，扩大输出电压范围和稳定的多路电压控制；进一步提高开关频率和进一步提高功率密度，提高可靠性，降低电磁干扰和增强抗干扰能力，并使电源模块朝着超薄型和微型化发展。

1.3.1交流稳压电源

从交流电源的发展来看，我国到80年代前期，第一代交流电源主要是以稳压电源为主。第一代稳压电源的功能是稳定交流输出电压和频率，这种电源主要用于市电不稳定地区。从80年代后期，随着各种电器及电子产品中装备微处理器的品种逐渐增多，此类产品易于受到瞬间停电及电压波形变化等的影响，造成动作差错及数据丢失，从而对交流电源提出了更高的要求。为此，在八十年代以来，一种具有可任意改变输出电压及抗瞬间断电功能，可以模拟电源线上发生的异常状态，采用线性放大器方式的第二代交流电源问世。这种电源改用微处理器替代原来的简单的控制电路，可以在短时间内进行大量的数据处理作业。进入九十年代以后，绝大部分的电气设备都装备了微处理器及变换电路，而且，为了在设备内部将交流输入变换为直流，都备有电容输入型整流电路，使得输入电流波形产生很大的失真。这种线路阻抗成为导致市场电源电压波形畸变的主要原因，对于连接在同一网侧的其它用电设备带来恶劣影响。这种电源高次谐波的影响形成了社会公害。为了解决高次谐波问题，所采取的对策是使其它设备不再产生高次谐波。而交流电源设备，也相应增添快速傅立叶变换等功能，强化其测试能力，并增强其智能水平。这是第三代、第四代交流电源的发展方向。

1.3.2 UPS及交流净化电源

UPS电源是一种具有稳压纯净化和无间断地向负载提供连续供电能力的优质交流电源，它担负着向计算机等重要设备的供电任务。随着计算机等设备的不断发展和日益推广普及，对UPS电源提出了越来越多的要求，不仅UPS要有很

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