一種正弦波逆變器的設(shè)計(jì)

王海濤

(河南神火集團(tuán)煤業(yè)公司， 河南 永城 476600)

0 引言

正弦波逆變器廣泛運(yùn)用于航空、應(yīng)急、太陽能及風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域等需要應(yīng)急電源的場(chǎng)所，可構(gòu)成EPS應(yīng)急電源系統(tǒng)。在民用領(lǐng)域，成本是重要的考慮因素之一。為了降低成本，需要采用低電壓輸入、高電壓輸出，并采用低成本的控制器以實(shí)現(xiàn)升壓及正弦逆變控制。

本文提出一種采用SG3525芯片控制低壓升高壓的前級(jí)DC-DC變換器，并結(jié)合后級(jí)采用低成本PIC16716 處理器進(jìn)行正弦波脈寬調(diào)制，在實(shí)現(xiàn)正弦波逆變的同時(shí)降低系統(tǒng)成本。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該裝置硬件結(jié)構(gòu)分為低壓升高壓的前級(jí)DC-DC和單相逆變器DC-AC兩部分，前級(jí)DC-DC主要實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓直流的穩(wěn)壓控制，后級(jí)實(shí)現(xiàn)正弦波脈寬調(diào)制，并對(duì)輸出的正弦電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。前后級(jí)之間采用開關(guān)量進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。

該系統(tǒng)具有兩個(gè)特點(diǎn)：

1) 采用前后兩級(jí)控制分離，可以實(shí)現(xiàn)SG3525的高頻直流變換，實(shí)現(xiàn)直流高壓的精確穩(wěn)壓控制，以避免采用高頻的處理器增加系統(tǒng)成本。且由于已經(jīng)實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓，可以使得前后級(jí)之間控制解耦，控制難度得以下降。

2) 后級(jí)單相逆變采用低成本的PIC16716 處理器，完成正弦波脈寬調(diào)制以及交流穩(wěn)壓控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 前級(jí)電路設(shè)計(jì)

電源為電壓為24 V的鉛酸蓄電池，前級(jí)DC-DC變換器如圖1所示。由圖1可知，SG3525 產(chǎn)生兩路反相驅(qū)動(dòng)來控制MOSFET 的導(dǎo)通與關(guān)閉。采用推挽式結(jié)構(gòu)，變壓器的中間抽頭接入24 V電源，兩個(gè)MOS管交替導(dǎo)通，在變壓器次級(jí)產(chǎn)生高頻高壓方波，經(jīng)過快復(fù)二極管構(gòu)成的全橋整流電路整流獲得高壓直流輸出，其輸出動(dòng)、穩(wěn)態(tài)特性均較好。前級(jí)選用推挽式結(jié)構(gòu)主要考慮其對(duì)變壓器利用率較高，且在輸入電壓較低的情況下，仍能維持較大功率輸出。

圖1 前級(jí)電路

前級(jí)控制SG3525為控制核心，外圍電路構(gòu)成較為簡(jiǎn)單。由RT、CT和內(nèi)部電路組成震蕩電路，取CT=5.1 nF，RT=1.5 kΩ，RD=220 Ω。根據(jù)芯片手冊(cè)提供的公式f=1/[CT(0.7RT+3RD)]，可計(jì)算出振蕩器輸出頻率約114.4 kHz。則PWM輸出頻率約為57.2 kHz。在芯片8腳接入10 μF 的電容，以實(shí)現(xiàn)變換器的軟啟動(dòng)。系統(tǒng)中的基準(zhǔn)比較調(diào)節(jié)電路則由基準(zhǔn)引腳Uref，同相輸入端及外圍電阻構(gòu)成。2 腳的電壓固定值為5.1 V。SG3525的1，2，9腳及其外圍電路構(gòu)成了PI 調(diào)節(jié)器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高壓直流電壓的穩(wěn)壓控制。

2.2 后級(jí)電路設(shè)計(jì)

后級(jí)采用6R190E6做H 橋逆變，基于SPWM調(diào)制后的高頻交流輸出，逆變橋的開關(guān)頻率為10 kHz。后級(jí)的逆變橋電路如圖2所示?？紤]到較高的du/dt產(chǎn)生的米勒效應(yīng)，為避免MOSFET誤導(dǎo)通，門極電阻反并聯(lián)了快恢復(fù)二極管，同時(shí)，在MOSFET的門極并聯(lián)了0.01 uF的電容防止MOSFET受到誤觸發(fā)。

圖2 后級(jí)逆變橋電路

輸出的斬波電壓并非期望的正弦波，故還需進(jìn)行濾波。采用2 mH電感和4.7 uF 電容組成截止頻率為1.64 kHz的濾波器，濾除其中高頻分量，進(jìn)而獲得50 Hz的正弦波電壓輸出，再經(jīng)EMI 濾波器濾除共模干擾。濾波電路如圖3所示。

2.3 單極倍頻調(diào)制

為獲得正弦輸出電壓，需要對(duì)逆變橋進(jìn)行正弦脈寬調(diào)制。常規(guī)的脈寬調(diào)制算法有單極性正弦波脈寬調(diào)制、雙極性正弦波脈寬調(diào)制以及單極倍頻正弦波脈寬調(diào)制。雙極性正弦波脈寬調(diào)制數(shù)字實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但輸出諧波較大；單極性正弦波脈寬調(diào)制開關(guān)損耗較低，輸出諧波較小，但其數(shù)字實(shí)現(xiàn)稍微復(fù)雜一些；而單極倍頻正弦波脈寬調(diào)制以其優(yōu)點(diǎn)成為設(shè)計(jì)首選：

圖3 后級(jí)濾波電路

1) 采用相同載波頻率時(shí)，由于每個(gè)載波周期輸出脈沖數(shù)加倍(倍頻)，高次諧波頻率加倍，故而諧波含量減少。

2) 高次諧波頻率相同時(shí)，即輸出脈沖個(gè)數(shù)相同時(shí)，開關(guān)損耗減半。其實(shí)現(xiàn)的調(diào)制波與載波如圖4所示。

圖4 單極倍頻脈寬調(diào)制

3 實(shí)驗(yàn)分析

研究搭建了一套實(shí)驗(yàn)樣機(jī)以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。圖5所示為前級(jí)MOSFET的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)及流過其中一路MOSFET的電流波形，由實(shí)驗(yàn)波形可知，MOSFET工作頻率達(dá)到了預(yù)定的57.2 kHz，與理論相吻合。

圖6所示為逆變器以臺(tái)式機(jī)電腦作為負(fù)載時(shí)的波形。由于臺(tái)式機(jī)電源采用不控整流輸入，為非線性負(fù)載，更能考驗(yàn)?zāi)孀兤鞴ぷ鞯姆€(wěn)定性。由圖6波形可知，輸出交流電壓正弦度較好，電壓穩(wěn)定在220 V左右，未受到負(fù)載非線性的影響。

電氣設(shè)備的電磁兼容要求需要得到滿足。圖7所示為逆變器進(jìn)行EMI測(cè)試的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試采用EN55011標(biāo)準(zhǔn)。由測(cè)試結(jié)果可知，該設(shè)備滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，反映設(shè)計(jì)中采用的EMI濾波設(shè)計(jì)達(dá)到了目的。

圖5 前級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)及MOSFET電流波形

圖6 輸出交流電壓與負(fù)載電流波形

圖7 EMI測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

逆變器采用低成本的SG3525芯片以及PIC16716 芯片進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了高性能的正弦波輸出，通過實(shí)驗(yàn)分析和設(shè)備實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，其性能良好，不但滿足了實(shí)際應(yīng)用要求而且其前景可觀。