单相正弦波逆变电源的设计-精品 - 图文(2)

邵阳学院毕业设计（论文）

实现较高的要求是很困难的。所以，为了让逆变电源达到更高的水平，对PWM控制技术的研究和应用就显得各外重要。这也是国家能提供“安全、可靠、经济、优质”电能的重要一环。国内的电源技术大致经历了四代：第一代电源是直流电机的电源，这种电源的缺点是能耗大大，供电效率同时运行时还伴有很大的低频噪音，这些直接影响电源的性能，同时其经济性差，随着电力电子技术的应用，这种电源随即就被淘汰了。第二代电源是半导体自耦整流式直流电源，这种电源是使用自耦变压器来控制输入电压，电压再经过大功率的可控硅整流管进行整流，就得到一个直流电，这种电源的原理虽然简单，但是操繁琐，最大的缺点就是得到的电压性能差。第三代电源是可以控制的电源。第三代电源由于它的可控制性，能得到人们想要的电压，同时它克服了前两代电源的缺点，是现在应用最多的电源。第四代电源是开关型直流电源，这种电源目前已应用的相当成熟了，并且有逐步普及的趋势。总之，随着社会的不断的发展，科学技术的进步，为满足人们对电源的需求，电源必将会继续向前发展的[2]。

1.3 设计任务和要求

（1）对设计方案进行论证，设计逆变电源的主电路、驱动电路和控制电路，

给出各部分电路的详细设计过程和电路元器件参数；

（2）利用单片机监测电源运行参数（如输出电压、频率），并给出利用单片

机设计监测电路的电路原理图、程序流程和程序源代码；

（3）正弦波逆变电源输出波形无畸变，且能实现调频和调幅功能； （4）提供实物装置和完整的电子版论文，并完成3个以上频率的波形输出实

验，给出实验结果。

（5）完整的电子版论文，论文要求符合邵阳学院本科毕业设计要求。 1.4 设计进度安排

（1）资料查找、文献阅读、熟悉课题（3周）

（2）熟悉单相电压型逆变器的工作原理（1周）

（3）熟悉MOSFET和MOSFET驱动器的工作原理（1周）

（4）完成主电路、驱动电路和保护电路设计、参数计算及实验（3周） （5）整理、撰写毕业设计（论文）（3周） （6）准备、进行答辩（1周）

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2 方案设计

逆变电源是由控制电路，驱动电路，逆变主电路和低通滤波电路等各个模块组成的，其原理方框图如图2.1所示：

图2.1 逆变电源的方框图

单相正弦波逆变电源是逆变电源中的一种，它的要求是让输入的直流以正弦波的形式输出，这种技术有很重要的应用价值。单相正弦波的原理图如图2.2所示：

图2.2 单相逆变电源的原理图

为了实现正弦逆变，主电路的选择至关重要。逆变主电路有半桥逆变电路和全桥

逆变电路，因此要对逆变主电路是采用半桥逆变电路，还是全桥逆变电路进行论证。

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2.1 半桥逆变电路

单相电压型半桥逆变电路的电路图如下图2.3a)，这种逆变电路有两个桥臂V1和V2，其中每个桥臂是由一个电力电子的可控器件和一个与该器件反并联着的二极管组成。这种电路的特点是，在电路的直流侧连有两个串联的足够大的电容，这两个电容的连接点就是直流侧的中点。输出的负载就连接在直流侧的中点和两个桥臂的中点之间[3]。

图2.3 单相逆变电路及其电压和电流的波形

设开关器件V1和V2的栅极信号，在一个周期内各有半个周期正偏半个周期反偏，且二者互补。当负载为感性时，其工作波形如图2.3b)所示。输出电压Uo为矩形波，其幅值为Um=Ud/2。输出电流io波形随负载情况而异。设t2以前V1为通态，

V2为断态。t2时刻给V1关断信号给V2开通信号，则V1关断但感性负载中的电流io不能立即改变方向，于是VD2导通续流。当t3时刻io降为零时，VD2截止V2开通io开始反向。同样，在t4时刻给V2关断信号，给V1开通信号后，V2关断，VD1

先导通续流，t5时刻V1才开通。当V1或V2为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量；而当VD1或VD2为通态时，负载电流和电压反向，负载电感中储存的能量向直流侧反馈，负载电感将其吸收的无功能量返回到直流侧。反馈回的能量暂时储存在直流侧电容中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。当可控器件是没有门极可关断的晶闸管时，必须附加强迫换流电路才能正常工作。

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半桥逆变电路的突出的优点是电路简单，使用的电力电子器件少。但是这种电路有着明显的缺点，它的缺点是输出的交流电压的幅值Um仅为Ud/2，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此，半桥电路常用于几千瓦以下的小功率逆变电源[4]。

2.2 全桥逆变电路

单相电压型全桥逆变的电路图如图2.4a)，两个半桥电路的组合。其中，开关器件V1和开关器件V4组成一对，开关器件V2和开关器件V3组成另一对，并且要求成对的桥臂要同时导通，同时关断，各对开关管要交替各导通180°。Uo波形同图

2.4b)。

图2.4 单相电压型全桥逆变电路及其电压波形

从电路图及开关管各个时段的通断情况，可以计算出，全桥逆变电路的输出的电压Uo比半桥逆变电路的输出电压Uo要高一半，即全桥电路的电压幅值是Um=Ud，也就是说全桥逆变电路的输出电压的幅值要增加一倍。全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。下面对其电压波形作定量分析。把幅值为Ud的矩形波Uo展开成傅里叶级数后可得到公式2.1，这个公式只计算到5次谐波，因为随着谐波的次数增加，高次谐波对基波的影响就越小，由经验可知当达到11次谐波时，就几乎没有太大的影响了[5]。这些理论的计算对逆变电路实现正确的逆变有着总要的理论意义。

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uo?4ud11(sin?t?sin3?t?sin5?t??)?35

2.1

其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为公式2.2和2.3。

Uo1m?4Ud??1.27Ud

2.2

Uo1?22Ud??0.9Ud

2.3

虽然，半桥的逆变电路和全桥的逆变电路都可以作为直流变要交流（DC-AC）逆变电路的逆变主电路。但是，经过以上的分析可知，这两种电路的工作原理还是有很大的差别的。其中，半桥逆变的电路只需要两个电力电子的开关器件，而全桥的逆变电路则需要四个电力电子的开关器件。尽管，全桥所需的器件是半桥的两倍，但是，在半桥和全桥的开关管的耐压都为VDC的情况下，半桥逆变电路的输出的电压峰值是VDC/2，而全桥逆变电路的输出电压的峰值是VDC，因此在获得同样的输出电压的情况下，全桥逆变电路的供电电压比半桥逆变电路的的供电电压要低一半。从基于这方面的分析，我决定采用有四个开关器件的全桥逆变电路作为主电路。

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