逆变电源设计报告 四

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摘要：
本电路采用两个非门组成振荡电路，振荡输出两路互补的占空比为50%的50Hz方波，经RC低通滤波为三角波，再经过多级RC滤波得到轻微失真的正弦波，通过分立元件搭建比较器，将三角波和正弦波比较后得到SPWM波，然后驱动H桥进行逆变，再经过工频升压变压器，输出220V交流市电。当直流电源从12V切换为24V时，通过继电器改变变压器升压通道，实现输出电压的稳定。采用反馈稳压的方式，将输入电压与一个基准电压通过分立元件搭建的比较器进行比较，从而调整PM波的占空比，实现一个负反馈，从而实现稳压。通过输入端和输出端分别串接保险丝，实现过流保护。

关键词：H桥逆变；分立元件：SPWl：工频变压器

一、引言
1.1简述
本设计要求设计并且制作一个具有将恒定直流12V电源转变为220V交流市电的逆变电源。本电路由分立元件搭建，使用了门电路、三极管、MOS管。在12V直流电源正常供电的情况下，由直流电源经工频变压器升压、滤波后得到基本稳定的市电，通过分立元件搭建比较器实现稳压，并且通过相应的控制实现12V、24V额定直流电源的切换。

1.2整体思路
本系统的整体设计思路如下：首先通过非门振荡产生两路互补且占空比百分之五十的方波，通过RC滤波电路，将方波转化为三角波，再通过多级串联的RC滤波电路，得到失真度比较低的正弦波，采用三极管和二极管等分立元件搭建的比较器，将三角波和正弦波比较，得到SPWM波。通过SPWM驱动MOS管，控制逆变实现直流电到交流电的转换，经过工频变压器实现低电压道高电压的转化，实现12V到220V的电压变化。最后通过滤波电路得到正弦波。发挥部分中，将变压器输入通道改为24V升220V对应的通道，使得输入为24V时，输出可以基本稳定。在过流保护方面，在变压器副边加入15A保险丝作为输入过流保护电路，在输出端加入1A保险丝作为输出过流保护。

二、方案设计
2.1整体方案
采用两个非门构成的振荡电路，产生50%占空比的方波，经NC滤波分别得到三角波和正弦波，通过分立元件搭建的比较器得到SPWM，并通过光耦驱动H桥逆变，然后通过工频变压器升压，再通过LC滤波，得到220V、50Hz交流市电。当输入由12V切换为24V时，变压器输入通道改为24V升220V对应的通道。输入端和输出端串接保险丝，实现过流保护。



2.2技术方案
2.2.1逆变拓扑结构的选择
方案一：采用两个MOS管构成半桥电路，通过两路PWM控制两个半桥交替导通，实现半桥逆变。该电路结构简单，不易产生磁偏或直流分量。但由于直流逆变得到的
交流是工频50Hz，而半桥逆变工作在工频时，电路中需要的电容值较大，电路成本上了。而且半桥效率较低。
方案二：采用四个WOS管构成全桥电路，通过四路PWl控制四个半桥斜对角同时导通或截止，实现全桥逆变。虽然在电路结构方面比半桥复杂，但全桥在效率方面比半桥提升很多，驱动能力也更强。
综上所述，采用方案二作为逆变拓扑结构的方案。

2.2.2逆变控制方式的选取
方案一：正弦波逆变。采用单极性或者双极性的SPWM波驱动全桥电路，在负载端进行lC滤波抽高次谐波能得到较为圆润的正弦波且田工须压要升压效率较高。此方案缺点是实现较为复杂，需要用分立元件搭建比较器等必要器件。方案二：方波逆变。利用振荡电路产生两路互补的方波，控制MOS管开关，实现逆变，后级进行LC滤波，得到正弦波，该方案波形失真比较严重，工频升压效率较低，但是实现起来较为简单。
考虑到效率以及输出波形的失真度，选择方案一作为逆变控制方式的方案。

2.2.3SPWM波振荡电路的设计
此次设计采用由分立元件搭建的比较器，先由方波经低通滤波器过滤，初级过滤得到三角波，多级过滤后得到失真度较小的正弦波，然后对三角波和正弦波进行比较，即得到SPWM波。

2.2.4逆变模块方案
逆变器由H桥驱动电路、工频升压变压器以及LC低通滤波组成。其中H桥采用四个N管——IRFP3205构成H桥，H桥驱动电路由四个光电耦合器组成，通过光电耦合器的自举电路，实现四个N管的驱动。考虑到输出电压要达到220V的要求，以及电路不可避免的一些损耗，所以选用12V升230V的工频升压变压器。由于要产生220V交流市电，因此在变压器输出端加上LC滤波电路，将输出波形过滤为正弦波。由于本系统输出的电压、电流较大，本系统宜采用无源滤波加以实现。无源滤波需要的L、C值较大。此部分电路较为复杂，详见附录。

2.2.5供电切换电路
方案一：采用继电器控制，继电器控制端设定电压在12V到24V之间的某个值，使得继电器可以随着输入电压的变化自动切换电路。但是继电器控制电路体积相对较大，且能过15A电流的继电器实验室难以获得。
刀杀一：不用开大控洞，地过于列控利开大的大断付头现制八电压的发化。孩方式不能实现电路的自动切换，但是开关体积较小，切换的实现比较简单。
综上所述，采用方案二作为本系统采用的方案。

2.2.6过流保护电路的设计
过流保护电路由输入过流保护和输出过流保护两部分组成。对于输入过流保护，由15A的熔断丝实现，当电流超过15A时，熔断丝被熔断，电路不再工作。输出电路由两部分组成，在输出端有1A的熔断丝与一个小阻值的采样电阻，当流过负载的电流大于1A时，熔断丝被熔断，电路不再工作。

三、设计的实现
3.1比较器电路
由于题目限制，不可以使用集成模块，因此此次设计的比较器电路由分立元件搭建得到。该电路参考并借鉴了LM393比较器的内部结构，并做了一定的修改。在经过仿真和实际器件搭建测试后，可以实现比较器的功能。分立元件搭建的比较器电路如图2所示。



3.2电源切换电路
最初考虑到继电器可以实现自动切换电路，不需要人为地去改动电路，安全、高效、方便。但由于前级电路需要流过15A的大电流，实验室没有如此大电流的继电器，而且继电器的跳转电压精确度难以达到要求，因此.不太适合应用于此电路中。综合考虑，选择手动切换开关的方式进行电源电路的切换。

3.3具体参数测量的指标考虑
本系统中重点考量的系统性能指标包括输出电压和输出功率两项。其中，输出电压强调的是交流电压的幅值，而输出功率强调的是本身的带负载能力和驱动能力。在本系统中，要求输出电压达到220V，波动小于10%，要求输出功率分别达到100W和150W。逆变出来的交流电幅值基本稳定，输出功率够高，也就是要求本身的逆变驱动电路具有很低的功率损耗，具有足够大的极限电流。因此，此部分电路与逆变驱动电路相关。

四、测试
4.1测试方案
本系统可分为方波振荡电路、供电切换电路、逆变转换电路、过流保护电路这几个部分组成。对各模块先对其独立的功能进行测试，然后再一起测试整体功能。经过测试，该系统各部分功能均正常。

4.2测试条件和仪器
（1）调试时间与环境：2016年9月9日，室温约28摄氏度，阴。
（2）测试仪器：
                       GDS-3152：150MHz 2.5GSa/s双通道数字示波器
                       AFG-3051：50MHz任意波形发生器
                       Agilent U1231A：3位半万用表

4.3测试结果分析
4.3.1测试数据
（1）.驱动白炽灯功率测试



（2）.变压器输入输出电压测试



（3），输出电压电流检测与保护功能通过万用表、功率计对电路进行测试。万用表测得输入级或输出级电流超过额定值，保险丝熔断，电路断开，起到了过流保护。负载灯泡常亮，肉眼感觉不到断续现象。

4.3.2测试分析与结论
通过以上数据分析，本设计除输入电压波动时，输出电压电压波动不满足要求以外，其他部分总体满足设计要求。

五、结论
本设计总体实现了题目的各项要求，并达到了相应的性能指标。在本设计中，由于逆变前级有一定的功率损耗，最后输出功率勉强可以达到l50W的功率要求。当输出空载时，可以达到220V的输出电压，当变压器副边接上灯泡负载后，输出电压有一定程度的下降，不过依然可以满足220V误差小于10%的要求。在后续设计中，可以通过增加散热和加粗导线来减小MOS管和导线分压，增加输出电压和输出功率。

此外，本次设计最大的创新点就是，用分立元件完成了比较器的搭建，通过参考LM393数据手册中的内部电路结构并进行分析和改造，对电路进行了简化，用十余个分立元件，如：三极管、二极管、电阻等，完成了比较器的搭建。经过测试，改分立元件搭建的比较器完全可以实现生成SPWM法的要求。

附录一：逆变电路原理图



附录二：逆变电路PCB