基于推挽结构SPWM逆变器的研究和设计_张琴

文章编号:1008-0570(2010)06-2-0169-03

电子设计

基于推挽结构SPWM逆变器的研究和设计

DesignofSPWMInverterBasedonPush-pullStructure

(武汉理工大学)

张琴江竑旭刘祯谢长君

ZHANGQinJIANGHong-xuLIUZhenXIEChang-jun

摘要:本文以DC-AC逆变器为研究对象,设计了一种基于推挽结构的SPWM逆变器。以单片机PIC18F4520为核心设计了逆变器硬件电路,主要包括推挽式逆变主电路、控制电路、驱动电路、取样电路、保护电路等。重点分析了SPWM控制算法,并给出了软件实现SPWM波形的过程。通过MATLAB仿真及实际测试结果对比,证明了本方案设计的逆变器能得到优质的正弦交流电。

关键词:推挽式;硬件电路;逆变器;SPWM控制中图分类号:TM494文献标识码:B

Abstract:AnSPWMinverterbasedonpull-pushstructureisintroducedinthispaperwhichfocusesonthestudyoftheDC-ACinverter.Thehardwarecircuitwiththesingle-chipPIC18F4520atthecorecontainsthepull-pushinverterasthemaincircuit,thecontrolcircuit,thedrivecircuit,thesamplingcircuit,theprotectioncircuitandsoon.TheSPWMcontrolalgorithmisparticularlyanalyzedandtherealizationoftheSPWMwaveformsinsoftwareispresented.ThecontrastoftheMATLABsimulationandactualtestresultsleadstotheconclusionthattheinvertercangeneratehigh-qualitysinusoidalAC.Keywords:Push-pull;Hardwarecircuit;Inverter;SPWMcontrol

引言

现如今,逆变器的应用非常广泛,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。另外,交流电机调速变频器、感UPS、应加热电源等使用广泛的电力电子装置,都是以逆变电路为核心。

本研究以一小功率逆变器为试验系统,系统以推挽式电路为核心,以PIC18F4520单片机为主控制器,根据反馈的电压、电流信号对PWM波形作出调整,进行可靠的双闭环控制,从而实现稳压输出。逆变部分采用单片机数字化SPWM控制技术,以尽可能减少谐波。为降低开关损耗、防止产生噪声,将开关频率设置为20kHZ。系统具有短路保护、输入过压、输入过热保护、输出过压和过流保护功能,针对开关管,还完善了抑制浪涌电流、开通缓冲、关断缓冲等功能。为提高系统的可靠性,硬件电路设计时进行了细致的分析处理。

关管的驱动电源可以共用,驱动电路共地,大大简化了隔离问题,抗干扰能力很强。

2逆变器硬件电路设计

2.1逆变器硬件系统结构设计

逆变器的硬件系统框图如图1所示。系统由逆变主电路、控制电路、驱动电路、取样电路、保护电路、显示电路构成。输入为12V直流电,经主电路逆变成交流信号,再经过后级滤波电路滤除高次谐波,最终输出有效值为36V的正弦波信号。单片机PIC18F4520产生两路PWM信号,控制驱动芯片TLP250,从而实现对逆变主电路的两个开关管的控制。采样电路检测输出电压、电流,反馈到控制端进行可靠的双闭环控制,使系统运行更加稳定,同时提高了系统抵抗输入干扰的能力,使系统的输入干扰不至于引起很大的输出脉动。

技术创新

1逆变器主回路拓扑结构分析

逆变器拓扑结构主要有半桥式、全桥式、推挽式。半桥式电路输出端的电压波形幅值仅为直流母线电压的一半,电压利用率低至50%。全桥电路电压利用率比半桥电路大一倍,但驱动电路复杂,四个MOS管需要三相独立的地,经验表明,全桥式电路的隔离问题、数模干扰问题处理起来比较复杂。分析考率,推挽式电路避开二者缺点,它的直流电压利用率同全桥式,两个开

张琴:硕士研究生

基金项目:项目名称:燃料电池机器人动力系统的多模型自适应预测控制研究;基金颁发部门:国家自然科学基金委

(60705032/F030605)《PLC技术应用200例》

图2硬件系统框图

2.2主回路及驱动电路设计

由推挽式电路工作原理可知,同等输入情况下,每个开关管承受的电压应力为半桥式和全桥式电路的两倍,即为输入直流电压的两倍,并且输入侧为低压大电流状态,为了尽可能地降低导通损耗,提高整个系统的效率,两个开关管应选取具有低导通压降的功率MOSFET开关管。通过计算,本设计选择额定电压为100V,额定电流为30A的开关管IRF540。

驱动30A/100V的MOSFET选用光电耦合器TLP250,它是具有驱动能力的快速光耦,还可以对控制电路和主电路起光电

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电子设计

《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2010年第26卷第6-2期

技

术创新

-170-360元/年邮局订阅号：82-946《现场总线技术应用200例》您的论文得到两院院士关注电子设计

[3]王福顺,孙华英.基于89C51和SA4828的SPWM三相逆变电源的设计.微计算机信息,2007,12-1:171-172

[4]E.Koutroulis,J.Chatzakis,L.Kalaitizakis,etc.ABidirectionalSinusoidalHigh-FrequencyInverterDesign,IEEEProceedings,2001

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[7]刘和平.PIC18×××单片机程序设计及应用.北京:北京航空航天大学出版社,2005

作者简介:张琴(1987-),女(汉族),湖北黄冈人,硕士研究生,武汉理工大学自动化学院,研究方向:电气工程及其自动化。Biography:ZHANGQin(1987-),female(han),HubeiHuanggang,Bachelor,CollegeofAutomation,WuhanUniversityofTechnology,ResearchDirection:ElectricalEngineering.(430070武汉武汉理工大学自动化学院)张琴江竑旭刘祯

谢长君

机联调,便于排查故障,同时提高系统运行的安全性。首先用示

互补波器测试单片机的P1A、P1B引脚,得到两路带死区时间、

的PWM波,如图5所示。死区时间的长短影响最终输出波形,在不断地测试中,最终设定死区时间为1us,此时输出电压波形失真度很小。比较MATLAB仿真图4和实物测试图5,两者的区别在于后者设置了开关死区时间,图5的两路PWM波不是严格互补的,在死区时间内二者都是低电平。接着测试驱动芯片TLP250的输出波形,两片驱动芯片分别与两路ECCP信号同步,当ECCP输出信号为高电平时,TLP250发出驱动脉冲,波形基本上同图5。

整机联调观察输出电压波形,在交流输出侧加上LC滤波电路,测试表明,LC电路参数的配置对波形的影响非常大。滤波参数选得过大,不仅滤波电路的体积和重量过大,而且引起的相位滞后也变大,采用闭环控制时,整个系统的稳定性就越差。相反,滤波参数选得过小,系统中的高频分量得不到很好的抑制,输出电压就不能满足波形失真的要求。调试时,在理论计算的基础上,对LC参数进行合理的调整最终得出失真度极小的正弦波,如图5所示。

(CollegeofAutomation,WuHanUniversityofTechnology,WuHan,430070,China)ZHANGQinJIANGHong-xuLIUZhenXIEChang-jun

通讯地址:(430070武汉市洪山区珞狮路205号武汉理工大学东院90601信箱)张琴

(收稿日期:2009.07.08)(修稿日期:2009.10.08)

图4仿真的输出电压波形图

图5测试的输出PWM波、电压波形图

5结语

本文介绍的基于推挽式结构SPWM逆变器功耗低、体积

小、性能高,硬件设计完善,大大提高了作品的可靠性,并且很好的应用了SPWM数字化波形控制技术,采用高效的对称规则采样法,最终输出谐波极少的正弦信号。如今PIC系列单片机的应用日趋广泛,逆变器也广泛应用于电力电子装置中,这种可靠的软硬件设计方法是非常可行并且有效的。

本文作者的创新观点:基于推挽结构的SPWM逆变器能够输出优质正弦信号,推挽结构有效地隔离电路,减少数模干扰;SPWM的数字生成技术很好地结合单片机PIC18F4520的ECCP功能模块,保证了很高的精度。参考文献

[1]杨荫褔,段善旭,朝泽云.电力电子装置及系统.北京:清华大学出版社,2006

[2]王兆安,黄俊.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2005《PLC技术应用200例》

(上接第173页)本文创新点:1、通过对PLX公司的PCI9052专用接口电路功能研究与分析,给出了具有实际应用价值的电路设计。该设2、计对于设计PCI接口卡带来很大的方便,保证了较低的成本,具有较好的经济意义。参考文献

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[2]杨全胜.胡友彬.现代微机原理与接口技术[M].北京:电子工业出版社,2002.

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[4]汪鑫蒋建春.PCI9052在多功能CAN适配卡中的应用研究.微计算机信息,2007,7-2:237-238。

作者简介:王娜(1983-),女(汉族),天津市人,72850部队助理工程师,计算机学士,2005年毕业于解放军信息工程大学电子科学与技术专业,研究方向:固体微电子设计;王焱(1979-),男(汉族)山东济南市人72850部队工程师,工学硕士,2006年毕业于解放军信息工程大学计算机科学与技术专业,研究方向:嵌入式系统开发研究。

Biography:WANGNa(1983-),female(theHannationality),TianJin,the72850unitofthePLA,assistantengineer,bachelordegreeoftheElectronicScienceandTechnology.Researcharea:Micro-electronicsandSolidStateElectronics.(250031山东济南中国人民解放军72850部队)王娜王焱(The72850UnitofthePLA,Shandong,Jinnan,250031,China)WANGNaWANGYan

通讯地址:(250031山东省济南市中国人民解放军72850部队)

王娜

(收稿日期:2009.07.09)(修稿日期:2009.10.09)

技术创新

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