电力电子应用课程计报告 SPWM全桥逆变器控制电路设计

SPWM 全桥逆变器控制电路设计

一．设计目的

首先熟悉全桥逆变器拓扑，掌握其逆变原理，实现正弦波输出要素，重点设计SPWM 逆变器控制信号发生电路。

参数指标：

输入：48Vdc, 输出：40Vac/400Hz

二．设计任务

1、掌握全桥逆变概念，分析全桥逆变器中每个元件的作用；

2、分析正弦脉宽调制（SPWM ）原理，及硬件电路实现形式；

3、应用protel 制作SPWM 逆变器控制电路线路图；

4、根据线路图制作硬件，并调试。

三. 设计总体框图

图1设计总体框图

四．设计原理分析

SPWM 脉宽调制原理

PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值) 。当采用正弦波作为调制信号来控制输出PWM 脉冲的宽度，使其按照正弦波的规律变化，这种脉冲宽度调制控制策略就称为正弦脉冲宽度调制(Sine pulse width modulation ，SPWM) ，产生SPWM 脉冲，采用最多的载波是等腰三角波；因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。在调制信号波为正弦波时，所得到的

就是SPWM 波形。

SPWM 波形的产生（如图2）

图2 SPWM波形的产生

1). 全桥倍增SPWM 控制

主电路和其他全桥逆变电路完全一致，控制脉冲的发生类似双极性SPWM 的模式，所不同的是，其桥臂之一所使用的互补控制脉冲由正弦调制波和三角载波比较产生，而另一个桥臂脉冲由同一正弦波和反相的三角载波比较产生(或者是反相三角载波和同一正弦波比较产生) 。这种调制输出谐波性能等效于2倍载波频率的单相单极性SPWM ，所以叫做倍频式SPWM ，它仅仅在控制上作了简单改动，却大幅度提高了性能，是一种很具实用价值的技术。对开关频率不变，等效输出频率倍增的效果，可以从不同的角度直观理解：一种是从调制波反相角度看，将两桥臂视为两组独立反相双极性SPWM 半桥输出，它们的奇数倍开关频率谐波群也反相抵消掉了；或者可以从载波反相角度理解，相当于等效载波频率加倍。

2). 正弦脉冲宽度调制

采用正弦波作为调制信号来控制输出PWM 脉冲的宽度，使其按照正弦波的规律变化，这种脉冲宽度调制控制策略就称为正弦脉冲宽度调制，简称正弦脉宽调制。产生SPWM 脉冲，采用最多的载波是等腰三角波；既可以采用自然采样也可以规则采样；既可以采用单极性控制模式也可以采用双极性控制模式，但使用较多的是规则采样双极性控制方式。

a. 准正弦脉宽调试法

在正弦调制波上叠加幅度适当并与正弦调制波同相位的三次谐波分量，从而得到合成后的马鞍形调制波，这个三次谐波和三角波比较产生PWM 脉冲的方法就是准正弦波脉冲宽度调制法。

b.消除特定谐波法

消除特定谐波法的核心是通过对电压波形脉冲缺口位置的合理安排和设置，以求既能达到控制输出电压基波大小，又能有选择地消除逆变器输出电压中某些特定谐波的目的。

c.电压空间矢量脉冲宽度调制技术

电压空间矢量脉冲宽度调制技术是从交流电机的角度出发，以控制交流电机磁链空间矢量轨迹逼近圆形为调制目的，以求减小电动机的转矩脉动，改善电动机的动态性能。

1. 电路组成及工作原理分析：

电路主要由正弦波和三角波发生电路，控制电路和逆变电路组成。电路中所用到的元器件主要有ICL8038，运算放大器LF353，比较器LM311，IR2110，MOSFET ，CD4069，电阻电容及齐纳二极管组成。

2.控制电路分析：

当电路开始工作，首先由ICL8038产生的正弦波和三角波，正弦波和三角波的幅值由可调电阻来控制，得到的波可以通过LF353运算放大器构成的反相电路进行反向，得到方向相反的正弦波，正弦波与三角波信号通过LM311比较芯片产生SPWM 脉冲。（如图3）

图3 SPWM控制电路原理图

3.1 驱动电路设计

由于SG3524产生的SPWM 信号不能直接驱动IGBT ，故逆变桥的驱动采用专用芯片IR2110。IR2110是一种双通道、栅极驱动、高压高速、单片式集成功率驱动模块，具有体积小(DIP14)、集成度高(可驱动同一桥臂两路) 、响应快(典型

ton/toff=120/94 ns)、偏置电压高(

R2110的内部功能框图如图1所示。由三个部分组成：逻辑输入，电平平移及输出保护。如上所述IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的成功设计，可以大大减少驱动电源的数目，三相桥式变换器，仅用一组电源即可。

3.2 IR2110引脚功能及特点简介（图4）：

图4 IR2110引脚图

L0(引脚1) ：低端输出

COM(引脚2) ：公共端

Vcc （引脚3）:低端固定电源电压

Nc （引脚4）: 空端

Vs （引脚5）:高端浮置电源偏移电压

VB (引脚6):高端浮置电源电压

HO （引脚7）:高端输出

Nc （引脚8）: 空端

VDD （引脚9）:逻辑电源电压

HIN （引脚10）: 逻辑高端输入

SD （引脚11）:关断

LIN （引脚12）:逻辑低端输入

Vss （引脚13）:逻辑电路地电位端，其值可以为0V

Nc （引脚14）:空端

IR2110的特点：

1） 具有独立的低端和高端输入通道。

2） 悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V 。

3） 输出的电源端（脚3）的电压范围为10—20V 。

4） 逻辑电源的输入范围（脚9）5—15V ，可方便的与TTL ，CMOS 电平相匹配，

而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有 V的便移量。

5） 工作频率高，可达500KHz 。

6） 开通、关断延迟小，分别为120ns 和94ns

7） 图腾柱输出峰值电流2A

3.3 IR2110的工作原理

IR2110内部功能由三部分组成：逻辑输入；电平平移及输出保护。如上所述IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的设计，可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。 高端侧悬浮驱动的自举原理：

IR2110驱动半桥的电路如图所示，其中C1，VD1分别为自举电容和自举二极管，C2为VCC 的滤波电容。假定在S1关断期间C1已经充到足够的电压（VC1 VCC ）。

当HIN 为高电平时如图5 ：VM1开通，VM2关断，VC1加到S1的栅极和源极之间，C1通过VM1，Rg1和栅极和源极形成回路放电，这时C1就相当于一个电压源，从而使S1导通。由于LIN 与HIN 是一对互补输入信号，所以此时LIN 为低电平，VM3关断，VM4导通，这时聚集在S2栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg2迅速对地放电，由于死区时间影响使S2在S1开通之前迅速关断。

当HIN 为低电平时如图6：VM1关断，VM2导通，这时聚集在S1栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg1迅速放电使S1关断。经过短暂的死区时间LIN 为高电平，VM3导通，VM4关断使VCC 经过Rg2和S2的栅极和源极形成回路，使S2开通。在此同时VCC 经自举二极管，C1和S2形成回路，对C1进行充电，迅速为C1补充能量，如此循环反复。

图5 HIN为高电平 图6 HIN为低电平

4. 参数计算与分析

ICL8038（如图7）

图7 ICL8038输入、输出电压波形图 输入、输出电压波形如图7所示，要求输出40V 400Hz 交流电压。本次设计中采用正弦波调制SPWM 脉冲，所以需要400Hz 的正弦波，三角波可以选用10倍到20倍的正弦波频率，我们选用15倍，6000Hz 。正弦波和三角波的产生采用ICL8038芯片产生。ICL8038芯片产生三角波和正弦波的振荡频率由下式确定

f =

R 1C (1+0. 6R 2

2R 1-R 2)

产生正弦波时，C=0.47μF ，R 1+R2=21KΩ,10 KΩ

产生三角波时，C=1000pF，R 1+R2=35KΩ,15 KΩ

Vdss=100V, Rds(on)=0.055ohm, Id= 38A,

耐压方面，MOSFET 电流容量小，耐压低。设计要求输入直流48V, 输出交流40V, 由于实际在使用MOSFET 时, 要考虑到适当的安全裕量，一般为额定电压的2—3倍，即要求电压100V —150V,IRF150的Vdss=100V能够满足要求。

开关频率方面，MOSFET 开关速度快，功率频率高。设计要求输出频率400HZ, IRF150高频率特性能够满足要求。

五．主要参数和器件清单

ICL8038波形发生器 2个 LF353运放器 1个 LM311比较器 2个 4069反向器 2个 IR2110 2个 IRF150 4个

4.7K 电阻 若干 10K电阻 若干 0.01uf 电容 若干

六. 心得体会

此次课程设计历时一周，期间有点挫折，但也有收获。通过此次课程设计，我发现自己的很多不足，也察觉了自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还需提高。经过这次实践，我对SPWM 全桥逆变器控制电路有了全新的认识，使我了解了SPWM 全桥逆变得工作原理，对我以后的学习和工作打下了基础。

同时，通过与同学的交流讨论和向指导老师的询问，让我充分了解了SPWM 全桥逆变器控制电路，学到了更多的知识。理解了ICL8038的内部结构与工作原理和SPWM 脉冲的产生，最后通过protel 软件制作SPWM 逆变控制电路线路图。在获得新知识的同时，也增强了我的动手能力，把知识用于实践。而且我还学会了如何去培养创新精神，从而不断地超越自己。与此同时，我更领悟到了团队协作的重要性。

七. 参考文献

《电力电子技术》 金海明 郑安平等编著 北京邮电大学出版社 《电力电子应用技术》 叶斌主编 清华大学出版社

《电力电子自关断器件及电路》 黄俊 秦祖荫 机械工业出版社

《电力电子研究》 余天 机械工业出版社