正弦波逆变电源的设计——毕业设计

1、哈尔滨理工大学学士学位论文正弦波逆变电源的设计摘要 此正弦波逆变电源的设计，用10-14.5V的直流电作为输入电压，输出电压为36V，频率为50HZ，额定满载输出功率为50W的正弦波交流电。该正弦波逆变电源以TMS320芯片为控制核心，由Boost升压电路和全桥逆变电路构成系统主电路，逆变部分采用SPWM调节方式，利用闭环反馈调节控制输出电压。在控制电路上，以TMS320控制驱动电路，驱动DC/DC变换电路以及DC/AC变换电路，TMS320还控制SPWM的计算和实时电压、电流采样运算；在保护上，电路具有欠压、过压、过流保护、输出短路自恢复和频率可调，以及输出电压可调等功能。其系统效率高，性能稳定，该电源很好的完成了各项指标，输出功率达到49.6HZ,THD为1.6%，逆变效率达到93%，欠压保护点8.9V,过压保护点16.2V；当欠压时，输出关闭。关键词 ：正弦波； SPWM； 升压 ； 逆变器 Research on the single-phase sine wave inverter powerAbstractThis design of sine wave inverter,

2、 with 10 to 14.5V DC as the input voltage .The sine wave AC output voltage is 36V,the frequency is 50HZ, and its rated full load output power is 50W. The sine wave inverter is using TMS320 chip as the control core. Its system main circuit is consist of the Boost circuit and full-bridge inverter circuit,The inverter part adopts SPWM adjustment method, and use closed-loop feedback to control the output voltage .At the control circuit, with TMS320 to control drive circuit, driving DC / DC converter

3、 circuit and DC / AC converter circuit, TMS320 also controls SPWM computing and real-time voltage and current sampling operation. In the protection, the circuit has undervoltage, overvoltage, over-current protection, output short circuit self-recovery and frequency is adjustable, and the output voltage is adjustable functions. Its system has high efficiency and stable performance. the power finishes every indicators very well, the output power reaches 49.6HZ, THD reaches 1.6%, inverter efficienc

4、y reaches 93%, the undervoltage protection point reaches 8.9V, overvoltage point reaches 16.2V; when it is overvoltage, the output is off.Keywords: sine wave; SPWM； boost； inverter目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题背景11.2 研究现状及趋势21.3 逆变电源的概述41.3.1 电源的特点41.3.2 逆变电源的概念41.4 逆变原理51.4.1逆变器的性能指标与分类51.4.2 逆变电路的分类51.4.3逆变电路用途51.4.4逆变电路的工作原理61.5 课题研究的内容及完成的工作61.6本章小结7第二章 主电路的设计82.1系统结构框图82.2 系统主电路方案的选择82.3 逆变器主电路的拓扑选择92.4 电源系统主控制器的选择102.4.1 TMS320F28027简介102.4.2 TMS320F28027器件特性112.5 本章小结13第三章 分析与计算133.1 DC-DC变

5、换电路133.2 DC-AC变换电路153.3 LC滤波电路163.4 采样电路173.5 控制程序设计183.6 本章小结19第四章 测试实验194.1 欠压、过压、过流、短路等测试194.2 频率调节测试214.3 本章小结21第五章 SPWM调制原理215.1 SPWM的概念225.2 单极性SPWM法225.3 双极性SPWM法225.4 实施SPWM的基本要求225.5 本章小结23第六章 总结23第一章 绪论1.1 课题背景 随着现代社会电子产品的飞速发展，人类生活中几乎每一件事情都要用到电子设备，一切电子设备都要用到电源，依靠电源提供电量。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整正弦波逆变电源是连续控制的线性正弦波逆变电源 。这种传统正弦波逆变电源技术比较成熟,并且已有大量集成化的线性正弦波逆变电源模块,具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点、但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都不得和很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗

6、较大，电源效率很低，一般只有45%左右。另外,由于调整管上消耗较大的功率,所以需要采用大功率调节器整管并装有体积很大的散热器,很难满足现代电子设备发展的要求。在近半个多世纪的发展过程中，正弦波逆变电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛的应用，正弦波逆变电源技术进入快速发展期。 目前市场上正弦波逆变电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用MOSFET的正弦波逆变电源转抽象频率可达几百千赫。为提高开关频率，必须采用高速开关器件。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是正弦波逆变电源的主要发展方向。高可靠性正弦波逆变电源的使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高的可靠性。所以，要从设计方面着眼，尽可能使较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。正弦波逆变电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。 总之，人们在正弦波逆变电源技术领域

7、里，边研究低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进并推动着正弦波逆变电源以每年过两位数的市场增长率向小型、薄型、高频、低噪声以及高可靠性方向发展。1.2 研究现状及趋势现代电力电子技术的迅猛发展，使逆变电源广泛应用于各个领域，同时对逆变电源输出电压波形质量提出了越来越高的要求。逆变电源输出波形质量包括稳态精度高、动态性能好以及负载适应性强。这种结构简单动静态性能优良和负载适应性强的逆变电源，一直是研究者在逆变电源方面追求的目标。逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。逆变电源技术是一门综合性的专业技术，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域。逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世纪60年代，到目前为止，它已经历了三个发展阶段。第一代逆变电源是采用晶闸管(SCR)作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电源。可控硅逆变电源的出现虽然可以取代

8、旋转型变流机组，但由于SCR 是一种没有自关断能力的器件，因此必须增加换流电路来强迫关断SCR，但换流电路复杂、噪声大、体积大、效率低等原因却限制了逆变电源的进一步发展。第二代逆变电源是采用自关断器件作为逆变器的开关器件。自20世纪70年代后期，各种自关断器件相运而生它们包括可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能，逆变器采用自关断器件的好处是：简化了主电路。由于自关断器件不需要换流电路，因而主电路得以简化、成本降低、可靠性提高；提高了性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而使逆变桥输出电压中低次谐波含量大大降低，因而使输出滤波器的尺寸得以减小，逆变电源的动态特性及对非线性负载的适应性也得以提高。在自关断器件当中，IGBT以其开关频率高、通态压降小、驱动功率小、模块的电压电流等级高等优点已成为中小功率逆变器的首选器件。IGBT逆变电源已成为中小型逆变电源的主流。第二代逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的SPWM 控制技术。图1-1

9、是第二代逆变电源典型控制方法示意图，输出电压有效值或平均值反馈控制使逆变电源输出电压幅值稳态无差。图1-1单一的电压有效值反馈控制方法示意图第二代逆变电源所采用的控制方法具有结构简单、容易实现的优点，但由于它所采用的SPWM 控制技术只注重如何通过恰当设计开关模式来实现逆变器输出频谱的优化，没有考虑信号传输过程中开关点的变化及负载的影响，所以存在以下缺点：对非线性负载的适应性不强。当逆变电源输出带非线性负载时，负载电流中的低次谐波电流将流过电源的内阻，引起输出电压波形畸变；死区时间的存在将使SPWM波中含有不易滤掉的低次谐波，使输出电压波形发生畸变；动态特性不好。负载突变时输出电压调整时间长。之所以出现这种情况，是因为系统中仅存在电压平均值或有效值反馈，而没有瞬时值反馈；给定电压与输出电压之间的相位差受负载影响较大，在三相电源中，三相输出之间的相差不易满足120 要求。第三代逆变电源采用了实时反馈控制技术，使逆变电源的性能得到提高。实时反馈控制技术是针对第二代逆变电源对非线性负载的适应性不强及动态特性不好的缺点提出来的，它是近十年来发展起来的新型电源控制技术，目前仍在不断地完善和发展之中，实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。实时反馈控制技术多种多样，主要有以下几种：重复控制、谐波补偿控制、无差拍控制、单一的电压瞬时值控制、带电流内环的电压瞬时值反馈控制。其中以第五种控制方法因实现方便，逆变电源动态性能优越和对负载的适应性强等优点而被广泛采用。1.3 逆变电源的概述1.3.1 电源的特点 常见的电源是干电池(直流电)与家用的110V-220V 交流电源。电源自“磁生电”原理，由水力、风力、海潮、水坝水压差、太阳能等可再生能源，及烧煤炭、油渣等产生电力来源。根据输入

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