基于SG3525的单相桥式逆变器的设计与仿真

逆变器是指通过半导体功率器件（如GTR、MOSFET和IGBT等）的导通与关断，将直流电能转换成交流电能，是整流器的反向变换装置。

1．逆变电路的工作原理

逆变器通过开关器件的有序导通与关断将直流变换为交流方波。当交流侧接在电网上时，即交流电接有电源，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。逆变器在工作过程中电流不断从一个支路流向另一个支路，这就是换流。换流方式在逆变电路中占有突出的地位。MOSFET属于全控型器件，可利用其自关断能力进行换流单相（器件换流）。

图l中Ql～Q4是典型的桥式电路。当Ql、Q4导通，Q2、Q3关断时，电流从Ql流向Q4，负载电压为正；同理，当Ql、Q4关断，Q2、Q3导通时，负载电压为负，这样就将直流电转变为交流电，改变两个臂导通的切换频率，即可改变输出交流电的频率，这就是逆变电路最基本的工作原理。当负载为电阻时，负载电流和电压的波形相同，相位也相同；当负载为电感时，电流相位滞后于电压，两者波形也不相同。

图1  全桥逆变电路

2．逆变器的分类

（1）单相全桥逆变器

全桥是指内部驱动电路的结构形式，其中由各含2个功率晶体管的桥臂连接成正方形组成全桥，4个晶体管轮流工作于正弦波的各个波段，两组开关的中性点构成输出端，相当于取两个半桥的电压差，因此可以得到正负双向的交流输出。全桥逆变器可以不依赖外加器件，仅使用单电压源输出双端的完全交流信号。单相全桥逆变电路及其电压电流波形如图2所示。

图2 单相全桥逆变电路及其电压电流波形

（2）三相桥式逆变器

三相桥式逆变器由3个桥臂和6个功率晶体管组成，逆变器的输出分别位于三组开关的中性点，取两两之间的电压差就可以得到三相电所需的3个相电压。控制三组功率晶体管的导通和关断顺序，三相桥式逆变器即可以输出幅值相等、频率相等的三相电信号。三相桥式逆变电路如图3所示。

图3 电压型三相桥式逆变电路

3．逆变器的输出电压计算

式中，Uolm，为基波的幅值；Uol为基波的有效值。主电路的选择和设计

本样机的设计采用单相全桥结构，具体设计参数如下：输入直流电压为48V;输出功率为1kW;输出电压为单相交流220V。

4．单相逆变器的系统原理图

单相逆变器硬件回路由主电路、控制电路和驱动电路3部分组成。其中主电路采用典型的交一直交变换电路；控制回路以集成PWM控制器SG3525为核心；驱动电路由驱动芯片1R2110及外围构成。单相逆变器的系统原理如图4所示。

图4  单相逆变器的系统原理

（1）逆变主电路

逆变器的核心是逆变开关电路，通过功率器件的导通和关断完成逆变功能。本文设计的直流48V输入、220V输出的逆变电源由以下几部分组成。

1）降压电路。为了得到直流48V电源，需要在整流电路前加变压器将交流220V变为交流电源40V，由于降压电路简单在此不作详述。

2）整流电路。其电路如图5所示。

图5  整流电路

系统的工作原理如下：当交流电压处于正向电压时，二极管VD，、VD4导通，电流从二极管VD．、VD4流过，通过负载电阻对电容Cl.C2充电；当交流电压处r负半周期时，二极管VD2、VD3导通，电源通过二极管VD2、VD3，负载对电容C1、C2充电。经过周期性的工作后，最终输出电压经电容C1、C2滤波后得到直流电压。

3）全桥逆变电路。本文采用全桥逆变电路作为主电路，该电路适合大功率输出电路。电路由大容量的电解电容C3和4个型号为IRF460的MOSFET管组成。直流电压由整流桥的输出经整流滤波后提供。单相全桥逆变电路共由4个桥臂组合而成：其中桥臂1和4为一对，是正电压形成通道；桥臂2和3为另一对，是负电压形成通道。驱动波形的同时控制同一桥臂的两个MOSFET导通，上下桥臂交替导通各180。，从而在负载处得到交变的电压。

（2）PWM信号的产生

本电路利用集成PWM控制芯片SG3525产生的PWM信号作为驱动信号，控制单相桥式逆变器的4个MOSFET管交替导通，从而在负载处逆变出交流电。

PWM信号产生的电路如图6所示。其中，引脚l与引脚9短接；引脚2通过电阻R15（10k欧）和电位器R16（10k欧）的中性点相连；电位器R16的两端分别接基准电压（5.1V）和接地；引脚3和引脚4悬空；引脚5通过滤波电容C13（0.01uF）接地，同时该引脚还通过电阻R14（10欧）与引脚7相连；引脚8通过C14（100uF）接地，起到软起动功能；引脚13和引脚15为该芯片的工作电压输入端，接15V电源；引脚11、引脚14为两路PWM信号输出端；PWM1和PWM2为SG3525输出的两路占空比相等、相位差为180。的驱动信号。通过R16调节占空比，调节尺．。即可改变输入引脚2的电压值Ur，当参考电压Ur减小时，PWM1的占空比增大。由SG3525输出PWM1和PWM2两路PWM信号，通过光耦隔离及驱动电路驱动逆变器的L下桥臂两路MOSFET管。

图6  PWM信号产生的电路

（3）光耦隔离电路

SG3525发出两路PWM信号：其中一路信号经电阻R1送到光耦1的输入端，同时该信号经74HC14反向处理后，送给光耦2；另外一路PWM信号做同样的处理。经光耦隔离处理后的PWM信号驱动集成电路芯片IR2110的高、低端输入信号。光耦隔离电路如图7所示。

图7  光耦隔离电路

（4）MOSFET栅极驱动电路设计

为了提高单相逆变器的可靠性、简化电路以及提高系统的集成度，经过调研决定采用美国IR公司出品的IR2110驱动集成芯片。该芯片采用双通道、栅极驱动，另外在芯片中还采用了高集成的电平转换技术，简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，并集成了多种保护功能，因此电路参数一致性好、稳定可靠。IR2110上管采用外部自举电容上电方式，因此减少了驱动电源的数量。对于常见的三相桥式逆变器，由于IR2110集成两路驱动电路，因此只需三片IR2110、一路15V电源。在硬件设计上大大减少了电源变压器的体积和驱动电源数量，提高了系统的可靠性，降低了成本。

本文设计的为单相桥式逆变器，由于一片IR2110可以驱动同一个桥臂的上下两个开关器件，因此采用两片IR2110可以满足设计要求。以其中一路的IR2110为例说明电路的组成，另一路工作：原理相同图8中列出了IR2110的外围电路，其中C9和C10为自举电容，12V电源经VD5给C10和C9充电，保证在QI导通、Q2关断时，C9和C10有足够的能力驱动Ql的栅极。一般选用一个大容量和一个小容量的电容并联作为自举电容，在逆变器的工作频率为20kHz时，选取C10为0.1uF，C9为1.0uF。并联高频小电容的作用是吸收逆变电路工作时产生的干扰电压。

图8  IR2110外围电路

电路模型的建立与仿真

仿真结果如图9所示。从图中可知，电路仿真结果与实际情况相符，可以很好地描述全桥MOSFET逆变主电路的工作过程。输出电压经电感滤波后，在负载R上可获得比较理想的正弦波。

图9  输出电压的仿真波形

5.结束语

本文在详细分析逆变器工作原理的基础上，设计了以SG3525集成PWM控制器为控制核心的单相桥式逆变器，并在MatlabSimulink中建立了控制系统的仿真分析模型。通过对系统进行仿真可以实时地观测仿真结果。仿真验证了采用该控制方案在单相桥式逆变器应用中的可行性，因此该系统有较好的实用价值，对实际工程应用具有一定的指导意义。