單相正弦脈寬調(diào)制逆變器的設計

摘要：論述了單相正弦波逆變器的工作原理，介紹了SG3524的功能及產(chǎn)生SPWM波的方法，對逆變器的控制及保護電路作了詳細的介紹，給出了輸出電壓波形的實驗結(jié)果。

關鍵詞：逆變器；正弦波脈寬調(diào)制；場效應管

0 引言

當鐵路、冶金等行業(yè)的一些大功率非線性用電設備運行時，將給電網(wǎng)注入大量的諧波，導致電網(wǎng)電壓波形畸變。根據(jù)我們的實驗觀察，在發(fā)生嚴重畸變時，電壓會出現(xiàn)正負半波不對稱，頻率也會發(fā)生變化。這樣的供電電壓波形，即使是一般的電力用戶，也難以接受，更無法用其作為檢修、測試的電源。同時，在這種情況下，一般的穩(wěn)壓電源也難以達到滿意的穩(wěn)壓效果。為此，我們設計了該逆變電源。其控制電路采用了2片集成脈寬調(diào)制電路芯片SG3524，一片用來產(chǎn)生PWM波，另一片與正弦函數(shù)發(fā)生芯片ICL8038做適當?shù)倪B接來產(chǎn)生SPWM波。集成芯片比分立元器件控制電路具有更簡單、更可靠的特點和易于調(diào)試的優(yōu)點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及框圖

圖1示出了系統(tǒng)主電路和控制電路框圖。交流輸入電壓經(jīng)過共模抑制環(huán)節(jié)后，再經(jīng)工頻變壓器降壓，然后整流得到一個直流電壓，此電壓經(jīng)過Boost電路進行升壓，在直流環(huán)上得到一個符合要求的直流電壓350V（50Hz/220V交流輸出時）。DC/AC變換采用全橋變換電路。為保證系統(tǒng)可靠運行,防止主電路對控制電路的干擾，采用主、控電路完全隔離的方法，即驅(qū)動信號用光耦隔離，反饋信號用變壓器隔離，輔助電源用變壓器隔離。過流保護電路采用電流互感器作為電流檢測元件，其具有足夠快的響應速度，能夠在MOS管允許的過流時間內(nèi)將其關斷。

圖1 系統(tǒng)主電路和控制電路框圖

2 控制及保護電路

為了降低成本，使用兩塊集成PWM脈沖產(chǎn)生芯片SG3524和一塊函數(shù)芯片ICL8038，使得控制電路簡潔，易于調(diào)試。

2.1 SG3524的功能及引腳

圖2所示為SG3524的結(jié)構(gòu)框圖和引腳圖。

(a) SG3524引腳說明

(b) SG3524內(nèi)部框圖

圖2 SG3524引腳及內(nèi)部框圖

SG3524工作過程是這樣的：

直流電源V_s從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的＋5V基準電壓。＋5V再送到內(nèi)部（或外部）電路的其他元器件作為電源。

振蕩器腳7須外接電容C_T，腳6須外接電阻R_T。振蕩器頻率f由外接電阻R_T和電容C_T決定，f=1.18/R_TC_T。本設計將Boost電路的開關頻率定為10kHz，取C_T=0.22μF，R_T=5kΩ；逆變橋開關頻率定為5kHz，取C_T=0.22μF，R_T=10kΩ。振蕩器的輸出分為兩路，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相端，比較器的反向端接誤差放大器的輸出。

誤差放大器實際上是個差分放大器，腳1為其反向輸入端；腳2為其同相輸入端。通常，一個輸入端連到腳16的基準電壓的分壓電阻上（應取得2.5V的電壓），另一個輸入端接控制反饋信號電壓。本系統(tǒng)電路圖中，在DC/DC變換部分，SG3524-1芯片的腳1接控制反饋信號電壓，腳2接在基準電壓的分壓電阻上。誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進行比較，從而在比較器的輸出端出現(xiàn)一個隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個輸入端?；蚍情T的另兩個輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出端互補，交替輸出高低電平，其作用是將PWM脈沖交替送至兩個三極管V₁及V₂的基極，鋸齒波的作用是加入了死區(qū)時間，保證V₁及V₂兩個三極管不可能同時導通。最后，晶體管V₁及V₂分別輸出脈沖寬度調(diào)制波，兩者相位相差180°。當V₁及V₂并聯(lián)應用時，其輸出脈沖的占空比為0％～90％；當V₁及V₂分開使用時，輸出脈沖的占空比為0％～45％，脈沖頻率為振蕩器頻率的1/2，在本系統(tǒng)電路圖（圖1）中，兩塊SG3524都為并聯(lián)使用。當腳10加高電平時，可實現(xiàn)對輸出脈沖的封鎖，進行過流保護。

2.2 利用SG3524生成SPWM信號

按照上述SG3524的工作原理，要得到SPWM波，必須得有一個幅值在1～3.5V，按正弦規(guī)律變化的饅頭波，將它加到SG3524-2內(nèi)部，并與鋸齒波比較，就可得到正弦脈寬調(diào)制波。我們設計的控制電路框圖，以及實際電路各點的波形，如圖3所示。

(a) 控制電路框圖

(b) 各點波形