畢業(yè)設(shè)計(jì)-便攜式DCAC逆變電源設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題 目：便攜式 DC/AC逆變電源設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：xx學(xué)院：xx別：系自動(dòng)化系業(yè)：專自動(dòng)化級(jí)：班 自動(dòng)化xx班 自動(dòng)化xx指導(dǎo)教師：xx二。七年六月摘要隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是功率 MOSFET和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展，便 攜式DC/AC逆變電源得以應(yīng)用。本課題設(shè)計(jì)的便攜式DCAC逆變器用于24V直流電變換成220Vx50Hz的交 流電。在設(shè)計(jì)中，DCDCFB分采用反激式升壓整流結(jié)構(gòu)，變壓器采用 EI型功率 鐵氧體磁芯變壓器，DCAC側(cè)采用半橋式逆變結(jié)構(gòu)。在本 設(shè)計(jì)中還應(yīng)用了 100kHz PWMfe對(duì)直流升壓側(cè)進(jìn)行調(diào)制。在半橋逆變部分，用單片機(jī)生成50HzSPW跛對(duì)逆變進(jìn)行

2、脈寬調(diào)制，具優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)制出來(lái)的電壓信號(hào)諧波分量小、功 率因數(shù)高、電壓波形更接近正弦波。本課題所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品主要用于解決便攜式數(shù)碼產(chǎn)品和手機(jī)的充電問(wèn)題。因 為在有些環(huán)境之下，并不能夠找到可以為上述產(chǎn)品充電的交流電源，比如在 汽 車(chē)中和旅途中往往只能夠提供直流電源。本產(chǎn)品很好的解決了這類(lèi)問(wèn)題，所 以 本產(chǎn)品的市場(chǎng)推廣前景很好。關(guān)鍵詞：DCDC DCAC 變壓器；PWMSPWMAbstractWith the development of Power Electronics Technology and especially power MOSFET and soft-switch technolog

3、y, DC / AC inverter power source for portable products wasapplied widely.This project design portable DC AC inverter for the usage of 24V DC converted into 220V 50Hz AC. Power demand load of 10 W, the output waveform for better quality sine wave. In the design, the part of DC DC uses the flyback boo

4、ster rectifier structure. In this design it uses 100 kHz PWM wave to modulate the DC Boost right side. In the part of the half-bridge inverter, it generates50 MCU Hz SPWM wave inverter for pulse width modulation, The advantageis that the sine wave modulation signal voltage harmonic components are sm

5、all, the power factor is high, the voltage wave forms closer to the sine wave shape.The product used for resolving the portable digital products and cell phone charger problem. In some environment, we can not find the 220v AC power for charging. for instance, when you are on the trip .the train and

6、the car don supply 220V AC power.This product solve those problems well, so the product will have a good prospectsfor promotion.Keywords : DCDC ； DCAC ； Transformer； PWM ； SPWMII TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 第一章緒論1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 課題背景1 HYPERLINK l

7、 bookmark12 o Current Document 課題研究的相關(guān)理論概述及方案的初選 1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 系統(tǒng)框圖的確定1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第二章 DC/DC電路的設(shè)計(jì) 3 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document DC/DC4路的相關(guān)理論 3 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document DC/DC變換器的拓?fù)漕?lèi)型 3 HYPERLINK l bookmark22 o

8、 Current Document 單管反激式變換器3 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 反激式變壓器的設(shè)計(jì) 6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 設(shè)計(jì)用基本參數(shù)設(shè)置及 6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 變壓器的設(shè)計(jì)6 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 變壓器設(shè)計(jì)的定量計(jì)算 7 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 變壓器材料11 HYPERLIN

9、K l bookmark90 o Current Document 調(diào)制電路的設(shè)計(jì) 12 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document TL494 的介紹12 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document TL494 的工作原理 12 HYPERLINK l bookmark102 o Current Document 第三章DC/AC電路設(shè)計(jì)15 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 半橋型逆變電路 15 HYPERLINK l bookmark106 o Curren

10、t Document 半橋電路的定量分析 16 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 半橋電路的元器件選擇 16 HYPERLINK l bookmark112 o Current Document 第四章SPWMI制電路的設(shè)計(jì)17 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 正弦波脈寬調(diào)制 17 HYPERLINK l bookmark116 o Current Document 正弦波脈寬調(diào)制簡(jiǎn)介 17 HYPERLINK l bookmark118 o Current Document SPW脈寬調(diào)

11、制的優(yōu)點(diǎn) 17 HYPERLINK l bookmark120 o Current Document SPW脈寬調(diào)制的生成方法 18 HYPERLINK l bookmark126 o Current Document 改進(jìn)型SPWMk成技術(shù)的介紹 19 HYPERLINK l bookmark132 o Current Document SPW的軟件實(shí)現(xiàn)20SPW的硬件實(shí)現(xiàn)21iii TOC o 1-5 h z 硬件實(shí)現(xiàn)的方法21硬件電路的介紹21 HYPERLINK l bookmark134 o Current Document 第五章結(jié)論23 HYPERLINK l bookmark1

12、36 o Current Document 參考文獻(xiàn)24附錄25 HYPERLINK l bookmark138 o Current Document 謝辭28IV第一章緒論課題背景隨著人們生活水平的提高，人身邊的手機(jī)、MP3R數(shù)碼類(lèi) 產(chǎn)品逐漸增多。所以解決此類(lèi)產(chǎn)品的充電問(wèn)題尤為重要。絕大部分場(chǎng)合下，都可以找到可用的220V交流電源。但 身處部分場(chǎng)合并不能提供交流電源。如在火車(chē)上、汽車(chē)中往 往只提供24V或36V的直流電源。因此給這些經(jīng)常需要隨身充電的人士帶來(lái)了 很大的不便。同時(shí)電力電子技術(shù)的進(jìn)步，尤其是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、功率MOSFE管的關(guān)斷導(dǎo)通頻率的增高、PWM口 SPW岐術(shù)的進(jìn)步。使得生產(chǎn)出便

13、攜式的 DC/AC 變電源成為可能。本課題所研究的DC/AC便攜式逆變器，可以方便的在上述場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼產(chǎn)品和手機(jī)的充電問(wèn)題。課題研究的相關(guān)理論概述及方案的初選在本課題中，所要運(yùn)用的理論部分主要涉及；電力電子技術(shù)、變壓器的選 擇、PWMK寬調(diào)制的相關(guān)理論及單片機(jī)的運(yùn)用知識(shí)。在電力電子部分主要涉及 DC/DCW波電路的選擇及設(shè)計(jì)、DC/AC逆變電路 的選擇及設(shè)計(jì)。變壓器的選擇涉及變壓器磁芯的選型、參數(shù)的計(jì)算與變壓器的磁芯的繞制。PWMK寬調(diào)制的運(yùn)用，主要運(yùn)用 PWMf成芯片構(gòu)建PWMk成電路及反饋電 路。單片機(jī)的運(yùn)用主要涉及單片機(jī)生成 SPWMf逆變電路進(jìn)行調(diào)制。系統(tǒng)框圖的確定系統(tǒng)框圖如圖1-1

14、所示圖1-1系統(tǒng)框圖整個(gè)系統(tǒng)框圖分為兩個(gè)大的部分即 DC/D喙換部分和DC/AC逆變部分。在 DC/DC&B分對(duì)直流24V進(jìn)行升壓。通過(guò)反激式 變換器實(shí)現(xiàn)升壓功能，其中的PWM 調(diào)制芯片及完成對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行100kHz的調(diào)制，使其成為100kHz的脈沖信號(hào)， 提高頻率以減小變壓器的體積，還通過(guò)反饋回路，構(gòu)建一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)，以保證整個(gè)系統(tǒng)的輸出電壓的穩(wěn)定性。DC/DCM節(jié)送出的高壓直流信號(hào)通過(guò)整 流二極管和送入DC/AC逆變部分。DC/AC逆變結(jié)構(gòu)采用半橋式逆變結(jié) 構(gòu)。通過(guò)SPWM 正弦脈寬調(diào)制生成正弦波信號(hào)。其生成的220V正弦波信號(hào)具有諧波分量小和輸 出波形接近正弦波的優(yōu)點(diǎn)?？驁D中的 2

15、4V/5V電路部分用于生成SPWM6單片機(jī) 和看門(mén)狗電路的供電。第二章 DC/DC電路的設(shè)計(jì)DC/DC電路的相關(guān)理論DC/DC變換器的拓?fù)漕?lèi)型1、六種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)DC/D吸換器包括六種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：降壓Buck和升壓Boost是DC/D吸換器的兩種最基本的拓?fù)?。其他形式還 包括 Buck-Boost 型、Boost-Buck 型、Zeta 型變換器由 Buck-Boost 和 Buck 組 合而成、Sepic型變換器由Boost和Buck-Boost組合而成。2、電氣隔離型DC/DC TOC o 1-5 h z 由基本的Buck型變換電路和基本的 Boost型變換電路可以拓展為電器隔離 型的

16、DC/DCE換器。包括單管正激式、并聯(lián)交錯(cuò)正激式、推挽式、推挽正激式、雙管正激式。單管反激式變換器.介紹反激變換器拓?fù)湓?MJ 150W的小功率場(chǎng)合中得到廣泛的應(yīng)用。這個(gè)拓 撲 的重要優(yōu)點(diǎn)是在變換器的輸出端不需要濾波電感，從而節(jié)約了成本，減小了 體 積。在以往一些中文參考資料的敘述中，由于同時(shí)涉及電路和磁路的設(shè)計(jì)，容易造成設(shè)計(jì)過(guò)程中的混亂，反激變換器電路本身的一些特性卻沒(méi)有得到應(yīng)有的體現(xiàn)。.不連續(xù)模式反激變換器的基本原理反激式電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。反激變換器在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間，變 壓 器儲(chǔ)能，負(fù)載電流由輸出濾波電容提供。在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間，儲(chǔ)存在變壓器 中 的能量轉(zhuǎn)換到負(fù)載，提供負(fù)載電流，同時(shí)

17、給輸出濾波電容充電，并補(bǔ)償開(kāi)關(guān) 管 導(dǎo)通期間損失的能量。vo圖2-1反激式電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路的工作過(guò)程如下：當(dāng) M1導(dǎo)通，所有線圈的同名端（帶）相對(duì)于非同 名端（不帶）是負(fù)極性。輸出整流二極管 VD反向偏置，輸出負(fù)載電流由輸出 濾波電容C提供。在M1導(dǎo)通期間，原邊上施加了一 個(gè)固定的電壓（Vdc-1）（這里假設(shè)開(kāi)關(guān)管 的導(dǎo)通壓降是1V）,并且流過(guò)以斜率dI/dt=（Vdc-1）Lp 線性上升的電流，這里 Lp是原邊的磁化電感。在導(dǎo)通時(shí)間的最后，原邊電流上升到 Ip=（Vdc-1） Ton/Lp。當(dāng)M1關(guān)斷，磁性電感上的電流強(qiáng)制使 所有線圈上的極性反向。假設(shè)這時(shí)沒(méi)有從 次級(jí)繞組，只有主次級(jí)繞

18、組，由于電感中的電流不能瞬時(shí)改變，在關(guān)斷的瞬 時(shí), 原邊電流轉(zhuǎn)換到次級(jí)，幅值為Is=Ip （Np/Nn）。經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期以后，次級(jí) DC電壓已經(jīng)建立。隨著M1關(guān)斷，Ns上的同名端 為正極性，電流從同名端流出，并且線性地下降，斜率為 dIs/dt=Vom/Ls,其中 Ls是次級(jí)電感。如 果次級(jí)電流在下一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間之前下降到 0,則儲(chǔ)存在原邊 電感的能量全部釋放到負(fù)載，稱這個(gè)電路工作于不連續(xù)模式。連續(xù)模式與不連續(xù)模式的工作特性不同，由于不連續(xù)的情況出現(xiàn)了電流的斷 流， 所以輸出的波形會(huì)受到一定的影響。但由于連續(xù)工作模式下需要非常的電容 元 件，成本較高。所以在對(duì)輸出波形要求不高的場(chǎng)合完全可以采用不連

19、續(xù)工作 模Vionon圖2-2 Vionon圖2-2 不連續(xù)工作模式下的波形.單管反激式電路的基本形式MOSFET反激式電路的基本形式非常簡(jiǎn)單，基本電路包含反激式變壓器、 率管、整流二極管、大的濾波電容和原邊的保護(hù)結(jié)構(gòu)。MOSFET本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的電路的設(shè)計(jì)如圖2-3所示：圖2-3反激式升壓電路本設(shè)計(jì)電路中元件的選擇:MOSFET用的是 IRF456N,它的 Vgs100/、Vdss 100/ ,開(kāi)啟電壓是4Vo變壓器兩端所加的消耗電路中的二極管是 UF4005,當(dāng)原邊儲(chǔ)存較大電壓時(shí)，為了保護(hù)MOSFET不被反向激起的電壓激壞，所以構(gòu)建消耗回路以保護(hù)MOSFET;同時(shí)串聯(lián)兩個(gè)15V的快速關(guān)斷穩(wěn)壓二

20、極管，把反激電壓穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)。副邊串聯(lián)的肖特基整流管可以選擇 700V的。2.2反激式變壓器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)用基本參數(shù)設(shè)置及Vcc=24v升壓到640V （已知）開(kāi)關(guān)頻率：100kHz輸出功率：10W效率為80%變壓器傳遞功率為：12W2變壓器繞組導(dǎo)線2.5A/ mm變壓器的設(shè)計(jì)3）變壓器種類(lèi)的確定本設(shè)計(jì)在DC/DC則采用100kHz的PWM寸其進(jìn)行調(diào)制，考慮到工作頻率越 高時(shí)變壓器的體積越小。所以選用鐵氧體變壓器進(jìn)行變壓。選用EI型鐵氧體磁芯。其結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。表2-1給出了 EI型變壓器磁芯 的具體參數(shù)。圖2-4 EI型磁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)圖表2-1 EI型磁芯規(guī)格及參數(shù)型號(hào)ABCDEFHA

21、e (c m2)Le (cm)Ve (cm3)AL nH/N2N eEI1616一一512.2一20.1983.460.6711001575EI1920一一5.213.55一2.30.243.960.9514001825EI222212.66614.310.34.50.423.931.6324002255EI2525.3196.5715.312.22.70.414.71.927214019627本設(shè)計(jì)的負(fù)載功率為10W EI-22型變壓器所帶的負(fù)載功率為20W符合本 設(shè)計(jì)的要求。變壓器設(shè)計(jì)的定量計(jì)算根據(jù)EI-22型變壓器磁芯計(jì)算本試驗(yàn)所用變壓器的參數(shù)，計(jì)算過(guò)程如下 1）計(jì)算原邊、副邊繞組的最小

22、匝數(shù)minV tminBacAe式中:Nmin=最小原邊匝數(shù)；V W；T=導(dǎo)通時(shí)間，s;AC =最大ac磁通密度，T;BAe魂?芯的最小橫截面積，mm ;計(jì)算過(guò)拈Nmin V t = 24 513 （匝）Ba0.22 42A24原邊 V40 =1.V /N13副邊的逆變結(jié)構(gòu)為半橋前構(gòu),所以選用的電壓為692VNsNs640 356匝新的反激電壓每匝VfbN是P皿和 10 1.8N 3562）計(jì)算占空比ton5 sVfb/NV/N 1.8 1.8式中：8ton =Q1的導(dǎo)通時(shí)間；片總周期，s；Vfb N =新的副邊每匝反激電壓;V/N =原邊每匝正向電壓;3）計(jì)算原邊電感平均電流1a輸入功率1輸

23、入功率1a 0.5AVcc導(dǎo)通周期的平均電流1mI a總，周期1m導(dǎo)通周期1A原邊電感LpVCc24 5 10Lp,0.12mHt 1i（i Im）知道了一詠和Np以后可以根據(jù)Hanna曲線得到0.121320.00070.121320.0007AL田_Lp計(jì)算得：Al人，2 Np從而根據(jù)下列公式計(jì)算氣隙尺寸：r Np ALp在此，=氣隙總長(zhǎng)度，mm；r =7磁芯相對(duì)磁導(dǎo)率;410Np =原邊匝數(shù)；p9計(jì)算得:Ae=芯面積,2mm ；Lp=原邊電感,r N2 ALpmH 。4107 13 42 0.074mm0.124）檢驗(yàn)磁芯磁通密度和飽和裕度計(jì)算磁芯飽和裕度（1）使用伏秒方程，計(jì)算交流磁通

24、 Bac ,并在最大負(fù)載和最小輸入電壓的輸 入功率下，計(jì)算或測(cè)量“導(dǎo)通”時(shí)間值及所加的電壓，如下:Np在此，V VCc,V ;t “導(dǎo)通”時(shí)間，s2Np =原邊匝數(shù); p8肥=交流峰值磁通密度,8肥=交流峰值磁通密度,T.計(jì)算得:0.12TV t 24 50.12TBacNp A 13 42Idc （表示為“導(dǎo)通”初期電流的幅值），計(jì)算DCBDft方程和有效的DC分量假定磁芯的所有磁阻都集中在氣隙，將得到明顯較高的DC磁通密度保守值。使用螺線管方程可得到其近似值。在此， 07 H/M;410Np =原邊匝數(shù);IDC=有效DC電流，A;10=氣隙總長(zhǎng)度，mm；Bdc= DC1通密度，T.Bdc0

25、 N Bdc0 N De0 H3104107 13 0.530.074 100.001TAC和DCa通密度的疊加使磁芯出現(xiàn)峰值。BmaxBacBdc0.210.00110.2111T而磁通密度的上限為0.22T,由此可見(jiàn)磁通密度的利用率比較高5）計(jì)算繞組線徑原邊線徑的選擇：0.5A2.5 A mm0.5A2.5 A mm220.2mm2r 0.0640.5mm副邊線徑的選擇:I aNpIsNsIs 0.02A r2 0.0025 r 0.05mm_0.02A_2.5A mm_0.02A_2.5A mm20.008mm20.1mm2.2.4變壓器材料1）鐵芯有許多形狀的鐵芯但反激式變壓器一般選用

26、 EI型鐵心，原因是它的成本低, 易使用。2）骨架對(duì)骨架的主要要求是確保滿足爬電距離，初、次級(jí)穿過(guò)磁芯的引腳距離要求 以及初、次級(jí)面積距離的要求。骨架要用能承受焊接溫度材料制作。3）絕緣膠帶11聚酯和聚酯膜是用作絕緣膠帶最常用的形式，它能定做成所需的基本絕緣寬度或初、次級(jí)全絕緣寬度（例如 3M#1296或1H860）。4）勵(lì)磁導(dǎo)線勵(lì)磁導(dǎo)線的護(hù)套首選尼龍/聚亞安酯，它在和熔化的焊料接觸時(shí)阻燃，這樣 就允許變壓器浸泡在焊料鍋中。不建議使用標(biāo)準(zhǔn)的瓷釉導(dǎo)線，由于在焊接前要?jiǎng)內(nèi)ソ^緣層。5） 3層絕緣導(dǎo)線在3層絕緣結(jié)構(gòu)中次級(jí)繞組導(dǎo)線使用 3層絕緣材料，和勵(lì)磁導(dǎo)線相似主導(dǎo)線 是單芯，但是它有不同的3層結(jié)構(gòu)，

27、即使三層中任意兩層接觸都滿足絕緣要 求。6）護(hù)套邊沿空隙結(jié)構(gòu)變壓器繞組的首、尾端需要保護(hù)套。保護(hù)套必須經(jīng)過(guò)相關(guān)的安 全認(rèn)證至少有0.41壁厚以滿足絕緣要求，由于熱阻要求通常使用熱縮管，要確 保在焊接溫度是不被熔化。2.3調(diào)制電路的設(shè)計(jì)TL494 的介紹TL49鋰美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的一種 電壓驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制控制集成電路， 主要應(yīng)用在各種開(kāi)關(guān)電源中。本文介紹它與相應(yīng)的輸入、輸出電路等一起構(gòu)成一個(gè)單回路控制器。TL494勺內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個(gè) 誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。TL494的工作頻率范圍很大，而其工作 頻率可達(dá)300 kHz,可見(jiàn)TL

28、494勺可調(diào)性大。TL494的工作原理TL494勺管腳結(jié)構(gòu)及內(nèi)部原理圖12aiFaiF2IH-RIFmrvr CTEL3C21 E21打圖2-5 TL494管腳結(jié)構(gòu)圖2-5是它的管腳圖，其中1、2腳是誤差放大器I的同相和反相輸入端；3腳 是相位校正和增益控制；4腳為間歇期調(diào)理。5、6腳分別用于外接振蕩電阻和振 蕩電容；7腳為接地端；8、9腳和11、10腳分別為T(mén)L494內(nèi)部?jī)蓚€(gè)末級(jí)輸出三極 管集電極和發(fā)射極；12腳為電源供電端；13腳為輸出控制端，該腳接地時(shí)為 并 聯(lián)單端輸出方式，接14腳時(shí)為推挽輸出方式；14腳為5V基準(zhǔn)電壓輸出端，最大輸出電流10mA 15、16腳是誤差放大器II的反相和同

29、相輸入端。圖2-6為T(mén)L494內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖薪國(guó)外L D i :1口工飛內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖薪國(guó)外L D i :1口工飛及以醇I小于周號(hào)中人生。2 星微川、期出413圖2-6 TL494內(nèi)部原理圖2）工作頻率的設(shè)定TL494勺工作頻率可以經(jīng)過(guò)5、6引腳的外接電阻和電容進(jìn)行調(diào)整。一般來(lái)說(shuō) 改變電阻的阻值和改變電容的容值都可以改變 TL494勺工作頻率，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較 方便。根據(jù)公式：f 1.1f 確定外接電阻和外接電容的數(shù)值。Ct Rr如本設(shè)計(jì)需要TL494工作在100kHz勺工作頻率之下，可以應(yīng)用公式選擇電阻電容 的數(shù)值。11 100000Ct Rt考慮到TL49破求輸出阻抗大的特點(diǎn)，電阻的選擇數(shù)量級(jí)應(yīng)該在K

30、S以上。所以 選擇電容Ct =0.01 f;電阻Rr=10k ;設(shè)計(jì)周遍電路及反饋回路的構(gòu)建如圖2-7所示：14肝寸肝寸EH ?ET圖2-7 TL494周邊電路的組成電路圖說(shuō)明：TL494勺一號(hào)引腳用于連接DC/DOfe路送出的電壓反饋信號(hào),四號(hào)引腳用于死區(qū)時(shí)間的設(shè)定。五號(hào)引腳外界的電容和六號(hào)引腳外接的電阻用于設(shè)定TL494的工作頻率。本設(shè)計(jì)要求 PWM輸出頻率為100kHz。九號(hào)引腳和十 號(hào)引腳輸出兩路FWMF號(hào)。15第三章DC/AOfe路設(shè)計(jì)半橋型逆變電路半橋電品&如圖3-1所示。它有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一個(gè)可控元件和一個(gè)反 并聯(lián)的二極管組成。在直流側(cè)有兩個(gè)互相串聯(lián)的足夠大的電容，兩個(gè)電容

31、的 連 接點(diǎn)便成為直流電源的中點(diǎn)。負(fù)載聯(lián)接在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂結(jié)點(diǎn)之間。兩只串聯(lián)電容的中點(diǎn)作為參考點(diǎn)，當(dāng)開(kāi)關(guān)元件 M1導(dǎo)通時(shí)，電容C什的能量釋放 到負(fù)載RL,而當(dāng)M2t通時(shí)，電容C2的能量釋放到負(fù)載RL, M仟口 M蹌流導(dǎo) 通時(shí)在負(fù)載兩端獲得了交流電能，半橋逆變電路在功率開(kāi)關(guān)元件不導(dǎo)通時(shí)承受直流電源電壓Ud,由于電容C1和C2W端的電壓均為Ud/2 （假設(shè)C1=C2 ,因此功 率元件M1和M2承受的電流為2Id。引入均勻電阻的目的是為了平衡兩個(gè)電容上 的電壓相等。兩個(gè)功率MOSFET的調(diào)制信號(hào)來(lái)自單片機(jī)生成的SPWM號(hào)，下一章將對(duì)其 進(jìn)行闡述。16圖3-1半橋逆變電路結(jié)構(gòu)半橋電路的定量分析

32、半橋電路的輸出電壓為u0把幅值為U。的矩形波小展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)的 TOC o 1-5 h z 2U 711u0 (sin t sin 3 t sin 5 t)035其中基波的幅值U 01m和基波有效值Uo1分別為2UdUo1m 1.27UdU01 3U01 30.9Ud半橋電路的元器件選擇MOSFET K2845漏源極電壓是720V,門(mén)極開(kāi)啟電壓是10V,輸出功率在 30四上。開(kāi)關(guān)電路中的MOSFET保護(hù)成為重要的部分，由于在關(guān)閉開(kāi)關(guān)器 件時(shí)仍然 有電流，為防止電流將晶體管擊穿，所以要設(shè)計(jì) RCK收回路，對(duì)于本次設(shè)計(jì) 屬 于低頻率工作，可以只在MOSFET端并聯(lián)吸收消耗的電容即可。通常輸出要加

33、入LC8波電路才可以產(chǎn)生正常的交流電信號(hào)tw3。根據(jù)就可以確定參數(shù)，一般情況下電容的耐壓值要大于，大約是350V,而電容值一般與輸出的功率有關(guān)。輸出 1W寸應(yīng)1 F,所以選擇10 F的 電容，所以電容選擇的規(guī)律是1W寸應(yīng)的1 F電容，所以選擇的10 F電容。通常電容的漏電流是幾十個(gè)A,流過(guò)電容兩側(cè)的均勻電阻上 的電流一般是漏電流的10音，大約是1mA由于輸出電壓是640V,所以電阻選300k。17第四章SPW洲制電路的設(shè)計(jì)正弦波脈寬調(diào)制正弦波脈寬調(diào)制簡(jiǎn)介1)單極性正弦波脈寬調(diào)制方式用幅值為Ur的參考正弦波Ur與幅值為fc、頻率為的三角波uc比較, 產(chǎn)生功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖4-1是用兩個(gè)極性相反

34、的參考正弦波與雙向三角形載 波相交產(chǎn)生功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；圖4-1單極性正弦脈寬調(diào)制SPWM理波形SPWM脈寬調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)spwM優(yōu)點(diǎn)：(1)在一個(gè)可控功率級(jí)內(nèi)調(diào)頻、調(diào)壓，簡(jiǎn)化了主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)，使裝置的體積小、重量輕、造價(jià)低。(2)直流電壓可由二極管整流獲得，交流電網(wǎng)的輸入功率因數(shù)接近1;(3)輸出頻率和電壓都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，其響應(yīng)的速度取決于電子控制回路，而與直流回路的濾波參數(shù)無(wú)關(guān)，所以調(diào)節(jié)速度快，并且可使調(diào)節(jié)過(guò)程中頻率和電壓相配合，以獲得好的動(dòng)態(tài)性能。18（4）輸出電壓或電流波形接近正弦,（4）輸出電壓或電流波形接近正弦,從而減少諧波分量關(guān)于spwM開(kāi)關(guān)頻率SPWM制后的信號(hào)中除

35、了含有調(diào)制信號(hào)和頻率很高的載波頻率及載波倍頻附近的頻率分量之外，幾乎不含其它諧波，特別是接近基波的低次諧波。因此，spwM開(kāi)關(guān)頻率愈高，諧波含量愈少。當(dāng)載波頻率越高時(shí)，spwM基波就越接近期望的正弦波。SPWM脈寬調(diào)制的生成方法規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，它的效果接近于自然采樣法，但計(jì)算量卻遠(yuǎn)小于自然采樣法。圖（a）采用鋸齒波作為載波的規(guī)則采樣法。由 于鋸齒波的一邊是垂直的，因而它和正弦調(diào)制波交點(diǎn)時(shí)刻是確定的，所需的 計(jì) 算 只是鋸齒波斜邊和正弦調(diào)制波的交點(diǎn)時(shí)刻，如圖 4-2中（a）和（b）中的tA使 計(jì) 算量明顯減少。圖4-2 （a）和（b）分別采用鋸齒波和三角波作載波

36、的規(guī)則采 樣法在自然采樣法中，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)并不和三角波中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合， 規(guī)則采樣法使兩者重合，即使每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對(duì)稱 這樣就使計(jì)算大為簡(jiǎn)化。圖（a）是這種方法的示意圖。如圖所示，在三角波的負(fù) 峰時(shí)刻tD對(duì)正弦調(diào)制波采樣而得到D點(diǎn)，過(guò)D點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交 于A點(diǎn)和B點(diǎn)，在A點(diǎn)的時(shí)刻tA和B點(diǎn)的時(shí)刻B t控制功率開(kāi)關(guān)器 件的通斷。19可以看出，用這種規(guī)則采樣法所得到的脈沖寬度和用自然采樣法所得到的脈部寬度非常接近。從圖（a）可得到如下幾何關(guān)系： TOC o 1-5 h z 1ST言n t2Tc .因此得到 2(1sm d)式中二脈沖寬度tD=三角波的負(fù)峰時(shí)刻

37、在三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊的間隙寬度為1212(TC)(1 sin tD) 44.2 改進(jìn)型SPW曲成技術(shù)的介紹由上一節(jié)所提到的通過(guò)規(guī)則采樣法生成 SPWM波形的方法來(lái)看。生成SPWM的計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜。而且，過(guò) 高的開(kāi)關(guān)頻率無(wú)疑會(huì)增加功率管的開(kāi)關(guān) 度調(diào)制技術(shù)。圖4-3等面積算法示意圖輸出的正弦電壓為:uoUom sinti脈沖面積為S20i /NS (i 1)/NUomsin td( t)N為載波在一個(gè)正弦周期內(nèi)的個(gè)數(shù);i /Nsini /Nsin tc( t)(i1) IN計(jì)算過(guò)程如下：將正弦波的前半個(gè)周期分為等長(zhǎng)度的五個(gè)部分，分別計(jì)算他們的面積，由于 第 一個(gè)面積與第五個(gè)面積、第二個(gè)面積

38、與第四個(gè)面積相等，所以計(jì)算三個(gè)面積即一 Si根據(jù)公式一 Si根據(jù)公式U om sin td ( t)-2- 2- 3i -、八（0）（）（）對(duì)正弦波的 55555三個(gè)區(qū)間進(jìn)行積分;正弦波的周期為50Hz,所以半個(gè)周期為0.01s； 積分結(jié)果為一組數(shù)值如下:(0.219, 0.19, 0.219, 0.064, 0.5, 0.064, 0.005, 0.618 , 0.005, 0.064, 0.5, 0.064, 0.219, 0.19, 0.219);根據(jù)公式計(jì)算脈沖寬度疑間：設(shè)上數(shù)組中的數(shù)值為；脈沖時(shí)間為aiti0.628 0.002通過(guò)計(jì)算得出脈沖高電平與間斷周期的時(shí)間如下數(shù)組：(0.0

39、007, 0.0006, 0.0007, 0.0002, 0.0016, 0.0002, 0.00015, 0.002, 0.0015, 0.0002, 0.0016, 0.0002, 0.0007, 0.0006, 0.0007);將其整理成為單片機(jī)輸出高電平與低電平的數(shù)組如下：(0, 0.0007, 0.0006, 0.0009, 0.0016, 0.00035, 0.002, 0.00035, 0.0016, 0.0009, 0.0006, 0.0007SPWM的軟件實(shí)現(xiàn)SPWM的軟件實(shí)現(xiàn)思想非常簡(jiǎn)單，基本 思想如下:21上數(shù)組表示了正弦波在半個(gè)周期內(nèi)經(jīng)過(guò)等面積計(jì)算的出的調(diào)制脈沖的高低電

40、 TOC o 1-5 h z 平的持續(xù)時(shí)間。由于需要輸出兩路調(diào)制信號(hào)，所以設(shè)計(jì)思想如下：第一路調(diào)制信號(hào)在前半個(gè)正弦周期查數(shù)組進(jìn)行高低電平的交替延時(shí)，除數(shù)組第一位數(shù)值以外，在奇數(shù)位輸出高電平，偶數(shù)位輸出低電平；后半個(gè)正弦周期周期以低電平輸出延時(shí)0.01s,然后循環(huán)上述步驟；第二路信號(hào)先進(jìn)行0.01s的低電平輸出延時(shí)，然后遵循第一脈沖前半個(gè)周期高 低電平的延時(shí)規(guī)律，最后返回循環(huán)；程序框圖見(jiàn)附錄SPWM的硬件實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)現(xiàn)的方法產(chǎn)生SPWM制信號(hào)主要有三種方法：1）采用分立元件的模擬電路法，缺點(diǎn)是精度低、穩(wěn)定性差、實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜以 及調(diào)節(jié)不方便等，該方法目前基本不用。2）采用專用集成電路芯片產(chǎn)生 SPW

41、MF號(hào)，如常用的HE4752芯片等 這些芯片 的應(yīng)用使變流器的控制系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化，但由于這些芯片本身的功能存在不足之處，致使它們的應(yīng)用受到限制。3）單片機(jī)數(shù)字編程法，其中高檔單片機(jī)將SPWMF號(hào)發(fā)生器集成在單片機(jī)內(nèi),使單片機(jī)和spwM號(hào)發(fā)生器容為一體，從而較好地解決了波形精度低、穩(wěn)定性 差、電路復(fù)雜、不易控制等問(wèn)題，并且可以產(chǎn)生多種SPW峨形，實(shí)現(xiàn)各種控制算法和波形優(yōu)化，Intel公司推出的16位單片機(jī)8XC196MC就是這樣一種具有 高性能的特別適用于PWM制技術(shù)的單片機(jī)。硬件電路的介紹AT89C2051 介紹AT89C205是一種低功耗、高性能、 CMOS位微處理器，片內(nèi)帶有24K字節(jié)的 可

42、擦寫(xiě)快速程序存儲(chǔ)器，高性能 CMOS8微處理器。它與標(biāo)準(zhǔn)的MCS-5印片機(jī)的 指令集與管腳相同。但相比與MSC-5律片機(jī)，2051在價(jià)格上更有優(yōu)勢(shì)。在本設(shè)計(jì)中,要運(yùn)用2051單片機(jī)生成SPWM號(hào)，要求生成兩路在相位上相 差半個(gè)正弦周期的調(diào)制波形，以產(chǎn)生交流信號(hào)。X2504階紹22目前在微機(jī)控制中，電源的接通和關(guān)斷、瞬時(shí)的電源電壓不穩(wěn)定是造成系統(tǒng) 死機(jī)、數(shù)據(jù)丟失和誤動(dòng)的重要原因。X25045勺應(yīng)用主要是在發(fā)生上述情況時(shí),保證單片機(jī)仍然能夠按照原先的要求正常的工作。X25045勺四個(gè)基本功能是上電復(fù)位、看門(mén)狗定時(shí)、降壓管理和具有保護(hù)功能 的串行EEPROM它有助于簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高可靠性。3

43、）驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)由于AT89C205和X25045勺工作電壓均為5V。所以本設(shè)計(jì)中采用7805構(gòu)建的+5V急壓電路解決驅(qū)動(dòng)問(wèn)題整體的電路圖設(shè)計(jì)如下:整體的電路圖設(shè)計(jì)如下:圖4-4單片機(jī)周邊電路設(shè)計(jì)單片機(jī)的輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，所以需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的轉(zhuǎn)換，才能驅(qū)動(dòng)逆 變電路中的MOSFEff。23第五章結(jié)論 TOC o 1-5 h z 本課題對(duì)便攜式DC/AC逆變電源進(jìn)行研究，解決了 DC/AC逆變電源的攜帶 問(wèn)題。提供了便攜數(shù)碼產(chǎn)品在只有直流電源時(shí)的充電問(wèn)題。在設(shè)計(jì)中，DC/DC整流部分應(yīng)用單相反激式整流電路。運(yùn)用 TL494芯片解決了對(duì)整流電路的調(diào)制 問(wèn)題和在前級(jí)整流結(jié)構(gòu)引入反饋問(wèn)題，提高了電

44、路的整體性能。DC/AC逆變側(cè)采用SPW亞弦波脈寬調(diào)制對(duì)半橋逆變 電路進(jìn)行調(diào)制。充分利用了單片機(jī)生成 SPW跛形的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)。在很多環(huán)節(jié)采用簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)理念，在不影響系統(tǒng)整體性 能的基礎(chǔ)上節(jié)略成本。本設(shè)計(jì)電路擁有良好的抗負(fù)載擾動(dòng)能力和功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)電壓的輸出波形接近正弦波波形。但同時(shí)應(yīng)該看到，本設(shè)計(jì)的很多東西仍然停留在理論的論證階段。由于時(shí) 問(wèn)和精力上的不足。沒(méi)有得到成型硬件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，很是遺憾。但同時(shí)，通 過(guò) 畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)到的東西很多，不僅僅是對(duì)于四年所學(xué)知識(shí)的總結(jié)，更多的是學(xué)會(huì)了該類(lèi)設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決步驟和解決方法，知道了解決設(shè)計(jì)類(lèi)問(wèn)題的具體步驟和思考的方法。24參考文獻(xiàn)1慕丕勛.馮桂林.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源原理與實(shí)用技術(shù)M.科學(xué)出版社.20022陳道煉.DC-A02變技術(shù)及其應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社