纯正弦波逆变器电路图大全(数字式/自举电容/光耦隔离反馈电路图详解)

沈丹 发表于 2018-03-13 10:43:33 收藏 已收藏
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纯正弦波逆变器电路图大全(数字式/自举电容/光耦隔离反馈电路图详解)

沈丹 发表于 2018-03-13 10:43:33

纯正弦波逆变器电路图(一)

基于高性能全数字式正弦波逆变电源的设计方案

逆变电源硬件结构如图2所示。主要包括直流推挽升压电路、正弦逆变电路、输出滤波电路、驱动电路、采样电路、主控制器和点阵液晶构成。其中,直流升压部分将输入电压升高至输出正弦交流电的峰值以上的母线直流电压,正弦逆变部分将母线直流电压逆变后经输出滤波电路得到正弦式交流电,采样电路则对母线电压、母线电流、输出电压、输出电流、输入电压进行采样,以实现短路保护、过压欠压保护、过流保护、闭环稳压等功能。驱动电路的功能是将驱动信号的逻辑电平进行匹配放大,以满足驱动功率管的要求。控制电路的功能是产生驱动信号,并对采样信号进行处理,以实现复杂的系统功能。点阵液晶的功能是显示系统工作信息,如果输出电压、电流以及保护信息等。

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图2

1)主控制器

主控制器选用STM32F103VE增强型单片机,STM32系列单片机是意法半导体公司专门为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的产品。此单片机采用哈佛结构,使处理器可以同时进行取址和数据读写操作,处理器的性能高达1.25 MIPS/MHz.支持单周期硬件乘除法,最高时钟频率72 M,最大可达512 kB片上Flash及64 kB片上RAM.同时具有多达30路PWM及3个12位精度的ADC等众多适合做逆变及电机驱动的外设。在本系统中用于产生PWM、SPWM驱动信号,并对采样信号进行处理,以完成稳压反馈及保护功能,并驱动点阵液晶显示系统信息。考虑实际的功率管及驱动芯片的速度,升压PWM波的频率为20 kHz,逆变SPWM波的频率为18 kHz.根据调制方法的不同,SPWM驱动信号形式可以分为:双极性、单极性和单极性倍频。由于双极性调制失真度小,故本设计中SPWM采用双极性驱动方式。

2)点阵液晶

选用LPH7366型点阵液晶,具有超低功耗的特点。用于显示系统当前的工作状态,如输出电压、输出电流、输入电压等信息。同时指示系统是否处于保护以及处于何种保护状态。

3)辅助电源

为系统不同部分提供不同的电压电需求,由直流输入电压经LM2596—5 V降压到5.0 V后一部分为采样电路供电,另一部分经LDO稳压器LM117—3.3 V稳压到3.3 V供处理器及点阵液晶使用。同时,由推挽变压器的一个辅助绕组得到20 V左右的电压,经整流滤波及LM2596-ADJ稳压到15 V后供驱动电路使用。

4)驱动电路

选用东芝半导体公司生产的高速光耦隔离型IGBT/MOSFET驱动芯片TLP250.TLP250具有隔离电压高、驱动能力强、开关速度快等特点。驱动电路的原理图如图3所示。

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图3 驱动电路原理图

在推挽升压驱动(U1、U2)中,TLP250负责驱动信号幅值与电流的匹配,而对于全桥逆变驱动(U3、U4、U5、U6),不但要考虑驱动电平和驱动能力,还要考虑好上下管驱动信号的隔离问题。为简化设计,全桥逆变的上管驱动(U3、U5)采用了自举供电的方式,减少隔离电源的使用数目。

对逆变桥的驱动电路,为避免上下管直通,设计中需要考虑死区问题。STM32单片机的PWM模块具有死区功能,本设计采取了软件死区方法。这样做的另一个好处是,对不同的功率管只需改变软件设计即可获得最佳的死区参数。

5)采样电路

输出电压采样用于反馈稳压,输出电流采样用于过载保护,母线电流采样用于短路保护,母线电压采样用于限制母线电压虚高,输入电压采样用于输入过压/欠压保护。输出采样中使用了电流互感器与电压互感器,大大减小了系统干扰,提高了系统的可靠性。取样电路的原理图如图4所示。

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图4 取样电路原理图

对于输出电流取样,本设计中使用了5 A/5 mA电流互感器。由于电流互感器的输出为毫伏级的交流信号,为了能够被单片机内部AD模块采集到,必须将其整流成直流信号并加以放大。而普通二极管整流电路对毫伏级电压是无效的,因此,此处采用了由运算放大器(U11,LM3 58)构成的小电压整流电路。实际测试表明,该电路有效解决了毫伏级信号的采样问题。

纯正弦波逆变器电路图(二)

下图为前级电路图,此电路采用了光藕隔离反馈,工作在准闭环模式。轻载或者空载时,由于变压器漏感,输出可能超压,容易穿后级和电容。此时占空比减小输出降低,当负载变大后,电路逐渐进入开环模式,以确保足够的电压和功率输出。

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纯正弦波逆变器电路图(三)

下图为后级电路图

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本电路优点:

1.电路极简单,可能为世界上最简单的分立SPWM电路

2.单电源宽电压供电(10V-30V)

3.输出最大占空比高,仿真时最大占空比已经接近100%.这将导致母线电压利用率高,母线电压340V就足够产生230V的工频正弦交流电。

4.隔离输出,受外围电路干扰少。

如图,LM7809将电池电压降为稳定的9V,这使得电路可以在宽电源(10V-30V)情况下工作,左上角红圈里的2N5551和2N5401等元件组成了虚拟双电源,将正9V变成正负4.5V的双电源。

NE555及周边元件组成频率约为20KHz的高线形度三角波振荡器,如图,在NE555的2和6脚可以得到在3V和6V之间运动的三角波。

IC1为LM324,IC1A及周边元件组成50Hz工频正弦振荡器,产生幅度4.5V的正弦波(对于产生的虚地),圈一电位器将这个正弦波幅度分压到3.5V.IC1B和IC1C及周边元件组成精密整流电路,将正弦波变成3V幅值的馒头波。这个馒头波要去和NE555的三角波比较,三角波和馒头波的幅值虽然向同,都是3V,但是这个馒头波的最低电位比三角波的高1.5V.因此,IC1D及周边元件组成减法电路,将馒头波整体下调1.5V,这样三角波和馒头波就可以比较了.LM393B进行比较工作,产生同相位的SPWM波,此波与LM393A组成的正弦波-方波转换器输出的同步方波送入CD4081等组成的编码电路进行编码,产生最终驱动功率管的SPWM信号。两个20K电阻和47P电容用于产生死区于高频臂.SPWM1和SPWM2用于驱动高频臂,50HZ1和50HZ2用于驱动工频臂。

本电路设计巧妙的地方之一就是虚地和实地的转换.LM393A之前电路是工作在虚地状态的,而LM393之后的电路却变成了实地。因为4.5V的交流(对于虚地)对于实地来说是个9V的脉冲.LM393B周边电路也是类似原理。

纯正弦波逆变器电路图(四)

下图就是全硬件纯正弦波逆变器的H桥电路图。

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下臂的IRFP460采用光藕直接驱动,上臂的IRFP460采用自举电容+光藕驱动。工作原理简述:当下臂导通时,高频桥的功率管的中点相当于接地,此时220uF的自举电容通过FR107和下臂管充电,当下臂管关断上臂导通时,220uF电容与地隔离,当TLP250内部三极管导通后,相当于给上臂管的GS之间施加一个电压,因此上臂管可以在与之对应TLP250的控制下导通和关断。

1mH电感和一个400V 1uF电容用来完成高频滤波的任务,把高频SPWM方波变成50Hz的正弦波。

纯正弦波逆变器电路图(五)

用单片机制作的纯正弦波逆变电源电路

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