PFC的单相桥式整流及逆变电源设计逆变部分
目 录
1 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 课题研究背景及意义 1
1.3 发展现状及趋势 1
1.4 本文研究的主要内容 2
2 系统的总体方案设计与选择 3
2.1 设计思路 3
2.2 DC-AC变换器 3
2.3 SPWM波实现的方案选取 6
2.4 MOSFET驱动电路方案论证 7
2.5 本章小结 7
3 系统硬件电路方案设计 8
3.1 DC-AC主电路的结构分析 8
3.2 DC-AC电路参数计算 10
3.3 驱动电路的设计 14
3.4 保护电路的设计 17
3.5 电压采集电路的设计 19
4 系统软件方案设计 20
4.1 PIC单片机CCP模块的配置 21
4.2 软件产生SPWM 22
4.3 数字PID控制算法及实现 25
5 实验仿真结果 27
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
附 录 34
1 绪论
1.1 概述
什么是逆变技术？逆变技术是变换电能以及控制电能的基础，它的功能是将直流电变成交流电[1]。如今的逆变技术已经非常成熟，该技术囊括了最新电力电子技术、电子技术（模拟部分和数字部分）、PWM技术和经典控制理论等多种非常适用的技术，己经被普遍的用在各行各业的各类功率和能量的转换系统中[1~2]。其中，电力电子开关器件是在逆变电源系统中不可或缺的一部分。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
/> 目前，在逆变电路系统中，晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管等电力电子开关器件应用最为普遍。由于它们的特点各不相同，所以对开关器件的使用要根据现实情况而定。随着工业经济的迅猛发展，各行各业都对电气设备非常依赖，这就促进了电力电子技术的快速发展，逆变技术应用的领域也越来越宽广。
1.2 课题研究背景及意义
逆变电源是从输入的直流电转换成特定频率的交流电，并且进行功率转换的一种装置[2]。近几年来，电力电子技术的发展非常迅速，带动了逆变电源的高速发展。在海、陆、空的交通运输和通信等领域中，逆变电源都得到了广泛的应用。由于逆变电源的好坏对整个电气电子系统有着举足轻重的影响，因此就要求逆变电源的质量更高、性能更加优良，才能适应时代需要。
逆变电源技术是一门专业性强、综合性高的技术。同时，它还能产生交流电。逆变电源有很多优点：①逆变电源可以净化有谐波污染的市电；②逆变电源可以使直流电转变成交流电；③实现单相交流电和三相交流电的互相转换；④可以改变交流电的周期达到用户的要求[2~4]。
1.3 发展现状及趋势
电力电子器件和逆变电源的发展是相辅相成的，器件的快速发展同时也加快了逆变电源发展的脚步。逆变电源诞生于20世纪60年代，那个时代正好是电力电子技术快速发展的时代。截至现在，逆变电源已经经过了三个发展的阶段。
第一代逆变电源：即可控硅逆变电源。晶闸管（SCR）作为该电源系统的开关器件。旋转型变流机组逐渐被淘汰，取而代之的是可控硅逆变电源。可是晶闸管的缺陷在于没有能力进行自关断，必须要借助反向电压才能迫使晶闸管关断。可是由于换流电路有结构很不简单、功耗大以及所占空间大等诸多缺点，从而产生出第二代逆变电源[4]。
第二代逆变电源：该逆变电源为弥补第一代逆变电源的不足，它的开关器件全部采用的是有自关断能力的器件。因此和第一代逆变电源相比，第二代逆变电源有很多先进之处：其一，大大的简单化了主电路；其二，提升了整个逆变电源的工作性能。由于在传输过程中，信号会受到负载的干扰而发生变化。此逆变电源采用的SPWM技术却忽略了这一问题。因此存在以下诸多的缺陷：其一，若负载为非线性负载时，该逆变电源的适应性差；其二，它的动态性也不好。
第三代逆变电源：采用了及时反馈控制技术。此技术优化了逆变电源的工作性能。近年来，电源控制技术迎来了其发展的黄金时期。有许多新型电源控制技术发展起来了，其中较有代表性的就是及时反馈控制技术。但是目前此技术仍然不成熟，需要进一步的研究和发展[4]。
1.4 本文研究的主要内容
（1）首先从项目的具体要求出发，研究确定了本次设计中的逆变电源的整体方案。
① 输入直流电压400V；
② 输出交流电压：220V±5%；
③ 功率电路运行可靠；
④ 基于PIC26F73单片机产生SPWM信号
⑤ 控制电路抗干扰能力强，PID闭环控制；
⑥ 辅助功能：过流，过压等保护。
（2）讨论了基于单片机的软件设计；并分析了其控制的死区。
（3）制定出了合理的控制方案：对逆变电源实行PID闭环控制。使逆变系统能够输出稳定的正弦波,最后对系统进行仿真并给出波形。
2 系统的总体方案设计与选择
2.1 设计思路
图2-1 系统结构框图
输入220V的交流电压，首先经过EMI滤波电路，从而通过整流电路进行整流。但是，会产生一定的谐波。因此要利用功率因素校正电路滤除谐波，使功率因素接近于1。最终输出400V的直流电压。最后再从输出端引出，采用单片机对逆变器进行控制。最终实现整个电路系统的运行。
2.2 DC-AC变换器
DC-AC变换器的电路有很多种结构，其中最为常用的是推挽式、半桥式和全桥式[5~7]。
2.2.1 推挽式变换器
图2-2 推挽式DC-AC变换器
上图中的两个功率开关管互相交替工作，会输出十分对称的电压波形，同时在工作周期内开关电源都为负载输出功率，因此，其输出电压的特性非常好，电流输出瞬间响应速度快。推挽式变换器的驱动电路不复杂，原因在于它的两个开关器件有一个公共接地端，此外，在所有的开关电源中，它的电压利用率是最高的。推挽式变换器即使在输入电压很低的情况下仍然可以输出很大的功率。它也有很多的缺点，其中最主要不足之处是两个开关器件必须要有非常高的耐压能力，它的耐压只应该达到工作时的电压的两倍以上，因此，在高电压的场合中，基本不会应用推挽式变换器。
2.2.2 半桥式变换器
图2-3 半桥式逆变器
和推挽式变换器一样， 半桥式变换器的两个开关管也是互相交替工作，同时在工作周期内开关电源都为负载输出功率，它所输出的功率比推挽式变换器多一倍。半桥式变换器有很多的优点，其中最大优点是：该变换器中的开关器件的耐压要求远远低于推挽式变换器，只有它的一半。在半桥式变换器开关电源中，如果输入电源电压值为 ，它的两个开关器件的工作电压只有 。其工作电压和反动势相加等于最高耐压值，近似是两倍的电源电压。半桥式变换器也有很多缺点：电源的利用率相对较低，仅为变压器一次侧电压的一半为 ；其开关器件的驱动信号比较复杂原因在于开关器件连接没有公共地；当两个控制开关工作在交替转换状态时，因为电容充放电不可能瞬间完成，在很短的时间内，两个开关器件将同时导通，这时，将会有大电流流过两个控制开关的串联回路，造成由开关管引起的功率损耗。
1 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 课题研究背景及意义 1
1.3 发展现状及趋势 1
1.4 本文研究的主要内容 2
2 系统的总体方案设计与选择 3
2.1 设计思路 3
2.2 DC-AC变换器 3
2.3 SPWM波实现的方案选取 6
2.4 MOSFET驱动电路方案论证 7
2.5 本章小结 7
3 系统硬件电路方案设计 8
3.1 DC-AC主电路的结构分析 8
3.2 DC-AC电路参数计算 10
3.3 驱动电路的设计 14
3.4 保护电路的设计 17
3.5 电压采集电路的设计 19
4 系统软件方案设计 20
4.1 PIC单片机CCP模块的配置 21
4.2 软件产生SPWM 22
4.3 数字PID控制算法及实现 25
5 实验仿真结果 27
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
附 录 34
1 绪论
1.1 概述
什么是逆变技术？逆变技术是变换电能以及控制电能的基础，它的功能是将直流电变成交流电[1]。如今的逆变技术已经非常成熟，该技术囊括了最新电力电子技术、电子技术（模拟部分和数字部分）、PWM技术和经典控制理论等多种非常适用的技术，己经被普遍的用在各行各业的各类功率和能量的转换系统中[1~2]。其中，电力电子开关器件是在逆变电源系统中不可或缺的一部分。
/> 目前，在逆变电路系统中，晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管等电力电子开关器件应用最为普遍。由于它们的特点各不相同，所以对开关器件的使用要根据现实情况而定。随着工业经济的迅猛发展，各行各业都对电气设备非常依赖，这就促进了电力电子技术的快速发展，逆变技术应用的领域也越来越宽广。
1.2 课题研究背景及意义
逆变电源是从输入的直流电转换成特定频率的交流电，并且进行功率转换的一种装置[2]。近几年来，电力电子技术的发展非常迅速，带动了逆变电源的高速发展。在海、陆、空的交通运输和通信等领域中，逆变电源都得到了广泛的应用。由于逆变电源的好坏对整个电气电子系统有着举足轻重的影响，因此就要求逆变电源的质量更高、性能更加优良，才能适应时代需要。
逆变电源技术是一门专业性强、综合性高的技术。同时，它还能产生交流电。逆变电源有很多优点：①逆变电源可以净化有谐波污染的市电；②逆变电源可以使直流电转变成交流电；③实现单相交流电和三相交流电的互相转换；④可以改变交流电的周期达到用户的要求[2~4]。
1.3 发展现状及趋势
电力电子器件和逆变电源的发展是相辅相成的，器件的快速发展同时也加快了逆变电源发展的脚步。逆变电源诞生于20世纪60年代，那个时代正好是电力电子技术快速发展的时代。截至现在，逆变电源已经经过了三个发展的阶段。
第一代逆变电源：即可控硅逆变电源。晶闸管（SCR）作为该电源系统的开关器件。旋转型变流机组逐渐被淘汰，取而代之的是可控硅逆变电源。可是晶闸管的缺陷在于没有能力进行自关断，必须要借助反向电压才能迫使晶闸管关断。可是由于换流电路有结构很不简单、功耗大以及所占空间大等诸多缺点，从而产生出第二代逆变电源[4]。
第二代逆变电源：该逆变电源为弥补第一代逆变电源的不足，它的开关器件全部采用的是有自关断能力的器件。因此和第一代逆变电源相比，第二代逆变电源有很多先进之处：其一，大大的简单化了主电路；其二，提升了整个逆变电源的工作性能。由于在传输过程中，信号会受到负载的干扰而发生变化。此逆变电源采用的SPWM技术却忽略了这一问题。因此存在以下诸多的缺陷：其一，若负载为非线性负载时，该逆变电源的适应性差；其二，它的动态性也不好。
第三代逆变电源：采用了及时反馈控制技术。此技术优化了逆变电源的工作性能。近年来，电源控制技术迎来了其发展的黄金时期。有许多新型电源控制技术发展起来了，其中较有代表性的就是及时反馈控制技术。但是目前此技术仍然不成熟，需要进一步的研究和发展[4]。
1.4 本文研究的主要内容
（1）首先从项目的具体要求出发，研究确定了本次设计中的逆变电源的整体方案。
① 输入直流电压400V；
② 输出交流电压：220V±5%；
③ 功率电路运行可靠；
④ 基于PIC26F73单片机产生SPWM信号
⑤ 控制电路抗干扰能力强，PID闭环控制；
⑥ 辅助功能：过流，过压等保护。
（2）讨论了基于单片机的软件设计；并分析了其控制的死区。
（3）制定出了合理的控制方案：对逆变电源实行PID闭环控制。使逆变系统能够输出稳定的正弦波,最后对系统进行仿真并给出波形。
2 系统的总体方案设计与选择
2.1 设计思路
图2-1 系统结构框图
输入220V的交流电压，首先经过EMI滤波电路，从而通过整流电路进行整流。但是，会产生一定的谐波。因此要利用功率因素校正电路滤除谐波，使功率因素接近于1。最终输出400V的直流电压。最后再从输出端引出，采用单片机对逆变器进行控制。最终实现整个电路系统的运行。
2.2 DC-AC变换器
DC-AC变换器的电路有很多种结构，其中最为常用的是推挽式、半桥式和全桥式[5~7]。
2.2.1 推挽式变换器
图2-2 推挽式DC-AC变换器
上图中的两个功率开关管互相交替工作，会输出十分对称的电压波形，同时在工作周期内开关电源都为负载输出功率，因此，其输出电压的特性非常好，电流输出瞬间响应速度快。推挽式变换器的驱动电路不复杂，原因在于它的两个开关器件有一个公共接地端，此外，在所有的开关电源中，它的电压利用率是最高的。推挽式变换器即使在输入电压很低的情况下仍然可以输出很大的功率。它也有很多的缺点，其中最主要不足之处是两个开关器件必须要有非常高的耐压能力，它的耐压只应该达到工作时的电压的两倍以上，因此，在高电压的场合中，基本不会应用推挽式变换器。
2.2.2 半桥式变换器
图2-3 半桥式逆变器
和推挽式变换器一样， 半桥式变换器的两个开关管也是互相交替工作，同时在工作周期内开关电源都为负载输出功率，它所输出的功率比推挽式变换器多一倍。半桥式变换器有很多的优点，其中最大优点是：该变换器中的开关器件的耐压要求远远低于推挽式变换器，只有它的一半。在半桥式变换器开关电源中，如果输入电源电压值为 ，它的两个开关器件的工作电压只有 。其工作电压和反动势相加等于最高耐压值，近似是两倍的电源电压。半桥式变换器也有很多缺点：电源的利用率相对较低，仅为变压器一次侧电压的一半为 ；其开关器件的驱动信号比较复杂原因在于开关器件连接没有公共地；当两个控制开关工作在交替转换状态时，因为电容充放电不可能瞬间完成，在很短的时间内，两个开关器件将同时导通，这时，将会有大电流流过两个控制开关的串联回路，造成由开关管引起的功率损耗。
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