單相正弦脈寬調(diào)制逆變器的設(shè)計(jì)

正弦波電壓u_a由函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生。ICL8038引腳和具體的接法如圖4所示。正弦波的頻率由R₁，R₂和C來(lái)決定，f=，為了調(diào)試方便，我們將R₁及R₂都用可調(diào)電阻，R₂和R是用來(lái)調(diào)整正弦波失真度用的。在實(shí)驗(yàn)中我們測(cè)得當(dāng)f=50Hz時(shí)，R₁＋R₂=9.7kΩ，其中C=0.22μF。正弦波信號(hào)產(chǎn)生后，一路經(jīng)過(guò)精密全波整流，得到饅頭波u_c，另一路經(jīng)過(guò)比較器得到與正弦波同頻率，同相位的方波u_b。u_c與1V基準(zhǔn)經(jīng)過(guò)加法器后得到u_d，u_d輸入到SG3524-2的腳1，腳2與腳9相連，這樣u_d和鋸齒波將在SG3524-2內(nèi)部的比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生SPWM波u_e。分相電路用一塊二輸入與門74LS08和一塊單輸入非門74LS05所組成。u_b和u_e加到分相電路后就可以得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)u_f和u_g，再將u_f和u_g加到MOS管驅(qū)動(dòng)電路的光耦原邊，就可以實(shí)現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制。

圖4 ICL8038用于正弦波信號(hào)發(fā)生

2.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，它由驅(qū)動(dòng)脈沖放大和5V基準(zhǔn)兩部分組成。脈沖放大包括光耦V_o1，R₁和R₂，中間級(jí)的V_T1，推挽輸出電路V_T2和V_T3，對(duì)高頻干擾信號(hào)進(jìn)行濾波的C₁；5V基準(zhǔn)部分包括R₄，V_Z1和C₂，它既為MOS管提供－5V的偏置電壓，又為輸入光耦提供副邊電源。其工作原理是：

1）當(dāng)光耦原邊有控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過(guò)時(shí)，光耦導(dǎo)通，使V_T1基極電位迅速下降，V_T1截止，導(dǎo)致V_T2導(dǎo)通，V_T3截止，電源通過(guò)V_T2，柵極電阻R₅，使MOS管導(dǎo)通；

2）當(dāng)光耦原邊無(wú)控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過(guò)時(shí)，光耦不導(dǎo)通，使V_T1基極電位上升，V_T1導(dǎo)通，導(dǎo)致V_T3導(dǎo)通，V_T2截止，MOS管柵極電荷通過(guò)V_T3，柵極電阻R₅迅速放電，－5V偏置電壓使之可靠地關(guān)斷；

3）電阻R₅和穩(wěn)壓管V_Z2，V_Z3用以保護(hù)MOS管柵極不被過(guò)高的正、反向電壓所損壞；

4）光耦V_o1采用組合光敏管型光耦6N136，具有光敏二極管響應(yīng)速度快，線性特性好，電流傳輸大的優(yōu)點(diǎn)，能滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

圖5 MOS管驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.4 過(guò)流保護(hù)電路

過(guò)流保護(hù)是利用SG3524的腳10加高電平封鎖脈沖輸出的功能。當(dāng)腳10為高電平時(shí)，SG3524的腳11及腳14上輸出的脈寬調(diào)制脈沖就會(huì)立即消失而成為零。過(guò)流信號(hào)取自電流互感器（對(duì)SG3524-1芯片串接在工頻變壓器的副邊，對(duì)SG3524-2芯片串接在濾波電路前），經(jīng)整流后得到電流信號(hào)加至如圖6所示過(guò)流保護(hù)電路上。過(guò)流信號(hào)加至電壓比較器LM339的同相端。當(dāng)過(guò)流信號(hào)使同相端電平比反相端參考電平高時(shí)，比較器將輸出高電平，則二極管D₂將從原來(lái)的反向偏置狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎驅(qū)?，并把同相端電位提升為高電平，這一變化將使得電壓比較器一直穩(wěn)定輸出高電平封鎖脈沖，則Boost電路停止工作，在正常狀態(tài)下，比較器輸出零電平，不影響B(tài)oost電路工作。

圖6 過(guò)流保護(hù)電路

2.5 反饋調(diào)壓電路

反饋調(diào)壓電路圖如圖7所示。當(dāng)逆變器正常工作時(shí)，逆變器的輸出信號(hào)接反饋?zhàn)儔浩?，其二次電壓?jīng)整流，濾波，分壓得到反饋電壓u_o，顯然，u_o的大小正比于逆變器的輸出電壓。調(diào)節(jié)W₁可調(diào)節(jié)負(fù)反饋電壓的大小，從而調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值。u_o控制信號(hào)被送到SG3524-1芯片的誤差放大器的反相端腳1。誤差放大器的同相端腳2接參考電平。這樣，SG3524的輸出脈沖的占空比就受到反饋信號(hào)的控制。調(diào)節(jié)過(guò)程是這樣的，當(dāng)逆變器輸出因突加負(fù)載而降低時(shí)，它會(huì)使加在SG3524-1的腳1的輸入反饋電壓下降，這會(huì)導(dǎo)致SG3524-1輸出脈沖占空比增加，從而使得Boost電路輸出電壓升高，逆變橋的直流電壓升高，逆變器輸出交流電壓升高。反之亦然?？梢?jiàn)，正是通過(guò)SG3524-1的脈寬調(diào)制組件的控制作用，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)逆變器的輸出自動(dòng)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)功能。

圖7 反饋調(diào)壓電路

3 逆變器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按本設(shè)計(jì)的SPWM逆變器方案試制了樣機(jī)，其額定輸出功率為300W，濾波器參數(shù)取L=0.7mH，C=5μF，濾波效果較好，樣機(jī)的輸出電壓如圖8所示。從直觀看，電壓波形正弦度較好（因條件所限，尚未測(cè)試THD）。用此樣機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行，效果較好。實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的系統(tǒng)方案是切實(shí)可行的，可以用在鐵路、冶金等大功率非線性用電設(shè)備附近，作為對(duì)電網(wǎng)輸入電壓要求較高的一類負(fù)載（如檢修、測(cè)試設(shè)備）的電源。另外，為了滿足客戶的要求，本電路還可以提供60Hz/110V的正弦電源。

圖8 輸出電壓波形