单相变频电源设计

单相变频电源设计内容摘要：

，在太阳能及风能发电领域，逆变器有着不可替代的作用。 单相桥式逆变电路如图 22 所示。 第 2 章 变频电源的理论基础 9 图 22 单相桥式逆变电路 S1～ S4 是桥式电路的 4 个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 S S4 闭合，S S3 断开时，负载电压 U0 为正 S1； S S4 断开， S S3 闭合时， U0 为负，把直 流电变成了交流电 [7]。 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 10 第 3章 变频电源系统方案设计 系统方案选择 此次变频电源系统方案的制定主要包括专用逆变电源芯片的选择，变频电源中逆变电路的选择。 下面针对各自的选择方案做简要说明。 逆变专用芯片选择方案 随着经济的飞速发展，变频电源在各行各业中扮演着重要的角色，如车载逆变器，变频调速器等等，变频专用测试电源等。 正因为如此大量的纯正弦波逆变发生器芯片应运而生，常见的控制芯片比如 SG3524 、 SG3524N、 SG352TL494CN、 TDS2285 等。 当然也有通过软件编程控制输出 SPWM 的芯片比如：PIC16F877A、 dspic30f4011 和最新版的 dspic33XX 系列微处理器等。 本次变频电源系统中纯正弦波逆变发生器芯片选择 EG8010，它是一款数字化的、功能很完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片，应用于 DCDCAC两级功率变换架构或 DCAC 单级工频变压器升压变换架构，外接 12MHz 晶体振荡器，能实现高精度、失真和谐波都很小的纯正弦波 50Hz或 60Hz逆变器专用芯片。 此芯片与上述其他纯正弦波逆变发生器芯片的最大不同之处在于 EG8010 芯片不仅可以定频输出 50HZ、 60HZ， 而且还能通过外围电路的设计改变其输出频率，输出频率可调节范围 0~400HZ。 根据 EG8010 参考手册可知，通过改变芯片引脚 FRQADJ 的电压可以改变输出频率。 但是手册中采用的方式是通过调节可变电阻来调节引脚 FRQADJ 的电压，而本次设计采用的是微机控制系统控制方式调节引脚 FRQADJ 的电压进而改变输出频率，具体的微机控制系统详见第五章。 本文以 EG8010 为核心控制芯片对电源系统包括变频控制电路、保护电路以及驱动电路做的设计 [8]。 下面对逆变专用芯片EG8010 做简单的介绍。 第 3 章 变频电源系统方案设计 11 EG8010芯片的描述 EG8010 是一款数字化的、功能很完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片，应用于 DCDCAC 两级功率变换架构或 DCAC 单级工频变压器升压变换架构，外接 12MHz 晶体振荡器，能实现高精度、失真和谐波都很小的纯正弦波 50Hz 或 60Hz 逆变器专用芯片。 该芯片采用 CMOS 工艺，内部集成 SPWM 正弦发生器、死区时间控制电路、幅度因子乘法器、软启动电路、保护电路、 RS232串行通讯接口和 12832 串行液晶驱动模块等功能。 下面是 EG8010 的整体封装结构及各管脚的功能。 EG8010 系统封装结构如图 31 所示。 图 31 EG8010 系统封装结构 EG8010 芯片基本模块由以下几个部分组成：电源模块；晶体振荡模块；状态控制器模块，包括 SPWM 输出上下管死区的设置、频率模式的选择、变频变压模式选择、 PWM 输出类型选择、风扇控制输出、 LED 指示输出等； SPWM 发生器模块； 12832 液晶显示模块；串口通讯模块；反馈信号处理模块，包括电压反馈、电流反馈、温度反馈等。 EG8010 结构框图如图 32 所示。 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 12 图 32 EG8010 结构框图 EG8010 是一款数字化的、功能很完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片，应用于 DCDCAC 两级功率变换架构或 DCAC 单级工频变压器升压变换架构，外接 12MHz 晶体振荡器，能实现高精度、失真和谐波都很小的纯正弦波 50Hz或 60Hz逆变器专用芯片。 EG8010的特点与应用领域 该芯片采用 CMOS 工艺，内部集成 SPWM 正弦发生器、死区时间控制电路、幅度因子乘法器、软启动电路、保护电路、 RS232 串行通讯接口和 12832 串行液晶驱动模块等功能。 该芯片有以下特点： 1)、 5V 单电源供电； 2）、引脚设置 4 种纯正弦波输出频率： 50Hz纯正弦波固定频率、 60Hz纯正弦波固定频 率、 0100Hz纯正弦波频率可调、 0400Hz纯正弦波频率可调。 3)、单极性和双极性调制方式； 4)、自带死区控制，引脚设置 4 种死区时间： 300nS 死区时间、 500nS 死区时间、 死区时间、 死区时间。 5)、外接 12MHz晶体振荡器， PWM 载波频率 ； 第 3 章 变频电源系统方案设计 13 6)、电压、电流、温度反馈能实时处理，有过压、欠压、过流、过热保护功能； 7）、引脚设置有软启动模式 3S 的响应时间； 8)、串口通讯可以设置输出电压、频率等参数，外接串口 12832 液晶显示模块可以显示逆变器的电压、频率 、温度和电流等信息。 现已被以下行业广泛使用。 例如单相纯正弦波逆变器、光伏发电逆变器、风力发电逆变器、不间断电源 UPS 系统、数码发电机系统、中频电源、单相变频器、单相电机调速控制器、正弦波调光器、正弦波调压器、正弦波发生器、逆变焊机等。 EG8010的变频模式 EG8010 是一款数字化的、功能很完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片，可以通过设定芯片 FRQSEL1， FRQSEL0 引脚高低电平和改变 FRQADJ 引脚的电压来改变频率，此芯片的使用使得变频电源系统设计进一步简单而高效。 EG8010 频率模 式分为固定频率模式和可调频率模式，可调频率模式下 EG8010 仅采用了单极性调制方式，即可调频率模式下需将引脚 (20)MODSEL 接低电平。 频率模式通过引脚 FRQSEL1， FRQSEL0 设定，固定频率模式为“ 00”是输出 50Hz频率，“ 01”是输出 60Hz频率 ,固定频率模式下 FRQADJ 功能无效，工作在双极性调制模式下引脚（ 16）将作为 VFB2 电压反馈电路；可调频率模式为“ 10”是输出频率范围 0～ 100Hz 可调 ,“ 11”是输出频率范围 0～ 400Hz 可调，可调频率由 FRQADJ引脚调节电路如图 ， FRQADJ引脚的输入电压从 0～ 5V变化，对应的基波输出频率从 0～ 100Hz 或 0～ 400Hz 变化，此功能结合 VVVF 引脚可以应用在单相变频器系统。 EG8010 频率调节电路如图 33 所示。 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 14 图 33 EG8010 频率调节电路 [8] 其工作原理 不采用手动调节可变电阻方式，而是采用温度自动控制输入 0~5V的值到 EG8010 芯片以达到变频的目的。 从频率调节电路原理图可以看出 16 脚采集的电压是呈线性关系的。 具体调节方式是通过 DS18B20 温度采集到相应的数据，然后传输到 AT89C51 单片机上，单片机通过系统程序自 动把对应温度转换为模拟电压输出到数模转换器 DAC0832 上，然后再 DAC0832 上接上一个运算放大器使输出模拟电压得以放大到 0~5V，以提供 EG8010 的 16 引脚的输入，使得整个系统得以正常运行。 变频电源中逆变电路的方案 逆变电路 是指将低电压变为高电压 ,把直流电变为交流电的电路 ,它与整流电路相对应 ,是通用 变频器 的核心部件之一 ,有非常重要的作用 .它的基本作用是在控制电路的控制下 ,将中间的直流电路输出的直流 电源 转换为频率和电压都任意可调的 交流电源。 下面以常见的单相电压型逆变电路举例分析说明。 半桥逆变电路 半桥逆变电路结构及其工作波形如图 34 所示。 第 3 章 变频电源系统方案设计 15 图 34 半桥逆变电路 V1 和 V2 栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。 uo 为矩形波，幅值为Um=Ud/2， io 波形随负载而异，感性负载时，图 b， V1 或 V2 通时， io 和 uo 同方向，直流侧向负载提供能量， VD1 或 VD2 通时， io 和 uo 反向，电感中贮能向直流侧反馈， VD VD2 称为反馈二极管，还使 io 连续，又 称续流二极管。 优点：简单，使用器件少。 缺点：交流电压幅值 Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于几 kW 以下的小功率逆变电源。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。 全桥逆变电路 全桥逆变电路结构及其工作波形如图 35 所示。 图 35 全桥型逆变电路 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 16 全桥逆变电路共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组而成。 把桥臂 V1 和V4 作为一对，桥臂 V2 和 V3 作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对桥臂各导通 180176。 与半桥逆变相比，全桥逆变输出电压 Um的幅值高出一倍，即 Um=Ud。 根据以上 两种逆变电路的特点和变频电源系统中对 EG8010 芯片的设计要求，选择目前在单相逆变电路中应用较多的全桥逆变电路作为该变频电源的逆变电路。 第 4 章 系统变频电路设计 17 第 4章 系统变频电路设计 整体系统框图如图 41 所示。 整个变频电源系统电路模块包括：整流滤波电路、变频控制模块、驱动模块、功率主板模块、保护模块 (电压、电流、温度保护 )等。 变频系统框图如图 41 所示。 图 41 变频系统框图 其工作原理是市电输入经过整流滤波模块输出稳定直流高压，为后续的逆变电路做漏极的输入。 蓄电池的电压经过转换后为 EG8010 芯片供电，使得变频控制系统模块正常工作；通 过驱动模块的输出驱动功率主板发生逆变；紧接着经过 LC滤波电路输出 220V 交流电压。 反馈部分包括微机控制系统和保护模块。 其中微机控制系统主要目的是：随着外界温度的变化而输出 0~5V 的模拟电压以自动调节变频控制系统，使之输出频率为 20HZ~100HZ 范围内可调的稳定交流电，当温度低于或高于设定值时，停止输出；反馈回路中的保护模块是为了输出能安全、正常的运行而必须设定的，其中包括电压保护、电流保护、温度保护。 当其中一项或者多项发生时，系统能自动断开输出，以保证设备不被损坏。 下面针对变频电路系统中的各个模块做详细 介绍。 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 18 整流滤波电路设计 整流滤波电路目的是为了得到后级的直流高压，以配合驱动电路进行逆变。 下面是我所设计的整流滤波电路的原理图和简要分析。 整流滤波电路原理见图 42 所示。 图 42 整流滤波电路 整流滤波电路电路原理是： 首先要考虑的是电网中的交流电具有不稳定性，有不同程度的谐波干扰，加上电网的电压偶尔会超过正常值，所以我们必须在此安装一个合适的保险管，以保护核心设计部分不被损坏；根据输出功率可选择 F1 取值为 250V、 2A 的管子。 热敏电阻 RT1，利用 NTC 热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制，构成 RC振荡器 稳幅电路，延迟电路和保护电路，选择型号为 MF7205D100。 压敏电阻 RV，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害，选择的型号为 07D431k。 共模电感 L2，共模电感，也叫共模扼流圈，常用于电脑的 开关电源 中过滤共模的电磁干扰信号。 在板卡设计中，共模电感也是起 EMI 滤波的作用，用于抑 制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。 整流桥 D1 可以用整流 二极管 将交流电转换为直流电，整流桥选型（ KBP307）第 4 章 系统变频电路设计 19 3A 800V。 滤波电容 C C6，以降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出的一种储能器件，选型大小为 470uF/450V， L2 与 C4， C5 组成共模干扰电路； C2， C1 组成串模干扰电路； R2 是泄放电阻；整流输出电压 VH=*220V=310V。 采用辅助电源 U3， U78L05 把 VBT12V 的电池电压转换为 Vcc+5V 电压以便为控制芯片 AT89C52 和 EG8010 供电。 控制模块设计 此次设计采用了 EG8010 是一款数字化的、功能很完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片，应用于 DCDCAC 两级功率变换架构或 DCAC 单级工频变压器升压变换架构，外接 12MHz 晶体振荡器，能实现高精度、失真和谐波都很小的纯正弦波 50Hz或 60Hz逆变器专用芯片。 下面介绍本次变频控制模块的详细工作过程。 变频控制模块如图 43 所示。 图 43 变频控制模块 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 20 芯片电源 VCC 由 U78L05 输出，经过滤 波电容 C12 和 C13 提供 +5V 电源。 具体控制方式通过设置引脚 PWMTY 接高电平，代表负极性 PWM 输出，输出应用于死区电平为同时高电平场合 ,如驱动 TLP250 等光耦器件的阴极。