高职电气自动化技术专业毕业论文【管理资料】

邢台职业技术学院毕业论文

光伏电源逆变器

专业：电气自动化技术

班级：电气125班

姓名：骆文兵

学号：12

指导老师：陈云飞

摘 要

随着传统的三大化石能源日渐枯竭，绿色能源的开发和利用将会得到空

前的发展，太阳能作为世界上最清洁的绿色能源之一，起并网发电备受世界

各国普遍关注。而光伏并网发电系统的核心部件，如何可靠的高质量地向电

网输送功率尤为重要，因此在可再生能源并网发电系统中起点能变换作用的

逆变器成为了研究的一个热点。为此本文仍然采用“全桥逆变+LC滤波+工频

升压”的逆变电源设计方案。整个系统设计分为SPWM波形产生电路、H桥

驱动及逆变电路、欠压过流保护电路。

在SPWM波形产生环节，本文采用脉宽调制芯片SG3525的为核心。由

文氏桥振荡电路产生50Hz的正弦波基准信号。然后经过精密整流、放大等

处理输入到SG3525的补偿信号端，从而输出SPWM波。最后进行死区延时，

输入到驱动电路中。

在驱动电路设计环节中，本文采用两片IR2110半桥驱动芯片构成全桥驱

动电路。输出侧逆变电路中开关管选用耐压值高的MOSFET。然后经过工频

变压器进行升压到市电，供家用电器使用。对输入、输出进行采样，实时监

控是否欠压、过流，进行保护动作。

最后，给出额定功率为500W（输入电压12V输出交流220V）的单相逆

变器样机的试验波形。

关键词：光伏电源，逆变器，SPWM，SG3525，IR2110

目 录

前 言 ................................................................................................................ 1

第1章 系统设计概述 ........................................................................................ 3

§ 光伏电源逆变器的基本结构和设计要求 ................................................... 3

§ 系统的基本结构 ..................................................................................... 3

§ 系统的基本设计要求 ............................................................................. 3

§ 系统电源设计 ............................................................................................. 4

§ 逆变电路 ..................................................................................................... 4

§ 逆变电路的基本工作原理 ...................................................................... 4

§ 电压型逆变电路 ..................................................................................... 5

§ SPWM调制技术 .......................................................................................... 5

§ 理论基础 ................................................................................................. 5

§ 单极SPWM调制方式 ............................................................................ 6

§ 双极性SPWM调制方式 ........................................................................ 7

第2章 SPWM调制电路 ................................................................................... 8

§ SG3525芯片介绍 ........................................................................................ 9

§ 功能结构 ................................................................................................. 9

§ SG3525特性 ......................................................................................... 9

§ 单极性SPWM调制电路 .......................................................................... 11

§ SPWM调制电路结构 ............................................................................ 11

§ 正弦波发生器 ....................................................................................... 11

§ 精密整流电路 ....................................................................................... 13

§ 误差放大及加法电路 ........................................................................... 14

§ SPWM调制 ........................................................................................... 15

§ 时序控制电路 ....................................................................................... 16

第3章 逆变电路 ............................................................................................. 19

§ IR2110芯片介绍 ....................................................................................... 19

.................................................................................................................. 19

§ IR2110特性 ........................................................................................... 20

§ 驱动电路设计 ........................................................................................... 21

§ 输出滤波器设计 ....................................................................................... 22

§ 保护电路设计 ........................................................................................... 24

第4章 系统调试 ........................................................................................... 278

§ 信号板电路的调试 ................................................................................... 27

§ 信号板与H桥联调 ................................................................................... 29

§ 保护电路调试 ........................................................................................... 30

结 论 .............................................................................................................. 32

参考文献 ........................................................................................................... 33

附 录 .............................................................................................................. 36

前 言

逆变器（INVERTER）就是一种直流电转化为交流电的装置，一般是把

直流电逆变成220V交流电。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛

适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、

电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等，应用十

分广泛。

[1]

我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能

资源开发利用的潜力非常广阔。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。在“光

明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉

动下，中国光伏发电产业迅猛发展。目前我国光伏发电系统主要是直流系统，

即将太阳能电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我

国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统

均为直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的不同

（如12V、24V、48V等），很难实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电

力，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市

场。另外，光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用逆变器，今后交流

光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。

逆变系统是光伏系统的核心环节。常用的逆变系统有电压型、电流型、

功率型等，我的设计是电压型逆变器。本设计具有很高的理论价值和现实意

义，世界各国都在努力发展太阳能的应用，预计在本世纪20年代用太阳能电

池构成发电系统或在家电设备上的应用将成为主流。这就体现了光伏逆变器

系统设计的理论意义和现实价值。

光伏阵列所发的电能为直流电能，然而许多负载需要交流电能。直流供

电系统有很大的局限性，不便于变换电压，负载应用范围也有限。除特殊用

电负荷外，均需要使用逆变器将直流电变换为交流电。逆变器除能将直流电

能变换为交流电能外，还具有自动稳压的功能，可以改善风光互补发电系统

的供电质量，在并网型光伏发电系统也需要使用具有并网功能的交流逆变器。

逆变器种类很多，根据逆变器线路逆变原理的不同，有自激振荡型逆变器、

阶梯波叠加逆变器和脉宽调制（PWM）逆变器等。根据逆变器主回路拓扑结

构不同，可分为半桥结构、全桥结构、推挽结构等。

在新世纪，太阳光发电系统逆变器，不仅要求其小型、重量轻、高品质、

高效率，还需满足对交流电网的电压、电流波形畸变和电压波动、瞬时停电

的种种补偿和抑制功能。形成的综合系统，由于技术含量高，将产生显著的

附加值。诚然，达到多功能的目标就会引起主回路的复杂化，不易实现价廉、

体积小、重量轻。所以，应尽可能使用简单的主回路来实现上述目标。SPWM

逆变器是目前应用最广泛和最普及的一种形式。因此，我国广大的电子工

[2]

程人员要尽早掌握这一先进技术，这不仅是提高设计效率的需要，更是我国

电子工业在世界市场上生存、竞争与发展的需要。

本文以500W光伏电源逆变器为研究设计对象。使用半桥驱动芯IR2110

简化了全桥驱动电路的设计，使用SG3525芯片利用SPWM调制技术实现

220V/50Hz正弦稳定输出。

具体要求指标如下：

(1) 输入电压额定为DCl2V，220V正弦交流输出。

(2) 输出功率额定为500W。

(3) 欠压、过流保护动作。

第一章介绍系统概述，阐述系统的基本结构以及系统设计的基本要求，

同时概述SPWM调制技术及H桥逆变电路。第二章详细叙述基于SG3525的

SPWM调制电路，并给出部分重要模块的Multisim仿真结果。第三章论述

IR2110驱动电路及输出滤波器设计。第四章给出系统调试过程及测试波形。

第一章系统设计概述

§1.1 光伏电源逆变器的基本

结构和设计要求

§1.1.1 系统的基本结构

控制电路SPWM调制产生SPWM波，经驱动电路加到H桥上实现全桥

正弦逆变。然后经LC滤波，工频升压输出220V交流电。由于是对光伏电源

进行逆变，光伏电池电量不足时表现出欠压，这就要求输入欠压保护；输出

端带载能力有限，这就要求输出过流保护。对输入输出进行采样，以实现输

入欠压保护，输出过流保护。系统基本结构框图如图1-1所示。

LC 滤波

DC输入

工频升压

AC输出

逆变电路

输入

采样

控制电路

输出采样

图1-1 系统框图

§1.1.2 系统的基本设计要求

根据设计要求，光伏电源逆变器的主要性能参数如表1-1所示。

表1-1 光伏逆变电源性能参数

直流电压 12V

输入 光伏电池指标 12V/10Ahx4

最大充电能力

电压（有效值） 220V

输出 输出额定电流

频率 50Hz

§1.2 系统电源设计

整个系统使用到NE5532集成运放，CMOS 4000系列的逻辑门电路，脉

宽调制芯片SG3525以及半桥驱动芯片IR2110等。这些芯片的供电电压全部

为+12V、-12V所以利用7812和7912两稳压片提供±12V的电压。电源系统

12

原理图如图1-2所示。

U67812VCC

13

Vin+12V

G

N

D

J1

D

4

3

2

1

CON4

C4104

104

C2C15

470uf100uf

C7

1

2

23

G

N

D

C3C6

104104

C1

470uf

Vin-12V

U57912-12

C14

100uf

图1-2 电源系统

电源电路

§1.3 逆变电路

§1.3.1 逆变电路的基本工作原理

C

单相桥式逆变电路为例：

S～S是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S、S闭合，

1414

S、S断开时，负载电压u为正S；S、S断开，S、S闭合时，u为负，

23o11423o

把直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。

电阻负载时，负载电流i和u的波形相同，相位也相同。阻感负载时，

oo

i滞后于u，波形也不同。

oo

t前：S、S通，u和i均为正。

114oo

t时刻断开S、S，合上S、S，u变负，但i不能立刻反向。

11423oo

i从电源负极流出，经S、负载和S流回正极，负载电感能量向电源反

o23

馈，i逐渐减小，t时刻降为零，之后i才反向并增大。（波形图如图1-3

o2o

所示）

B

图1-3 逆变电路及其波形举例

§1.3.2 电压型逆变电路

逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：电压型逆变电路或电压源

逆变电路，电流型逆变电路或电流源型逆变电路。

图1-4电路的具体实现。

图1-4 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）

电压型逆变电路的特点

(1) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。

(2) 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。

(3) 阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通

道，逆变桥各臂并联反馈二极管。

§1.4 SPWM调制技术

§1.4.1 理论基础

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相

同。冲量指窄脉冲的面积，效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相

[6]

同，低频段非常接近，仅在高频段略有差异(如图1-5所示)。

f (t)f (t)f (t)f (t)



(t)

OOOt

a)b)

ttO

c)

d)

t

图1-5 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波N等分(如图1-6)，可看

成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等用矩形脉冲代替，等幅

不等宽，中点重合，面积(冲量)相等宽度按正弦规律变化SPWM波形即脉冲

宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形要改变等效输出正弦波幅

值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。

PWM电压波在每一时间段都与该时段中正弦电压等效，除每一时间段

的面积相等外，每个时间段的电压脉冲还必须很窄，这就要求脉波数量很多。

脉波数越多，不连续按正弦规律改变宽度的多脉冲电压就越等效于正弦电压。

u

a)

O

u



t

b)

O



t

图1-6 用PWM波代替正弦半波

§1.4.2 单极SPWM调制方式

+

U

d

u

u

c

u

r

V

1

C

V

2

V

3

VD

1

R

i

o

L

u

o

VD

2

V

4

VD

3

O



t

u

o

uU

ofd

u

o

VD

4

O

-U

d



t

-

图1-7 单极正弦波PWM调制方式

u=1 T1通

g1

当u>0

r

控制电压的分布：

（如图1-7，V1，

V2为频控臂）

当u<0

r

u=0T2断

g2

u=1 T2通

g2

u=0 T1断

g1

即Ug1和Ug2互为反相，并受Ur极性控制。其频率为调制信号的频率。

[7]

u>u, u=1, u=0, T关断, T导通

rcg4g334

V3,V4组成了暂控臂

u<u, u=0, u=1, T关断, T导通

rcg4g343

ug3，ug4互为反向，受ur和uc的幅值控制。

V

d

u=

o

0

u>0

c

u= u<0

oc

0

V

d

由以上分析，驱动信号产生示意电路如图1-8：

+

正弦波

三角波

v

c

v

r

+

-

A

-

+

V

A

-1

V,T

g11

V,T

g22

V

A

V

B

-1

+

-

B

-

V,T

g44

V,T

g33

V

B

图1-8 驱动信号产生电路

§1.4.3 双极性SPWM调制方式

+

U

d

u

uu

rc

V

1

C

V

2

V

3

VD

1

R

i

o

L

u

o

VD

2

V

4

VD

3

O



t

u

o

U

d

uu

ofo

VD

4

O

-U

d

6-6



t

-

图1-9 双极正弦波PWM调制方式

在Ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负（图

1-9），其幅值只有±Ud两种电平。同样在调制信号Ur和载波信号Uc的交点

时刻控制器件的通断Ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。T1、T4

和T2、T3两组相互导通。

[8]

1、当ur>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如io>0，

V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，uo=Ud。

2、当ur时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如io<0，

V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud。

相同的开关频率时，单极性SPWM开关动作次数相对少些，谐波情况好

些，多用于单相逆变。双极性SPWM谐波情况差些，用于三相逆变。

由以上分析，驱动信号产生示意电路如图1-10：

+

正弦波

v

r

+

-

V

g

V,V(T,T)

g1g414

三角波

c

v

-1

V,V(T,T)

g2g323

-

图1-10 驱动信号产生电路

第2章 SPWM调制电路

§2.1 SG3525芯片介绍

§2.1.1 功能结构

电压调节芯片SG3525具体的内部结构如图2-1所示。其中，脚16为SG

3525的基准电压源输出，精度可以达到（±1％）V，采用了温度补偿，而且

设有过流保护电路。脚5，脚6和脚7内有一个双门限比较器，内电容充放

电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525的振荡器。振荡器还

[11]

设有外同步输入端(脚3)。脚1及脚2分别为芯片内误差放大器的反相输入端、

同相输入端。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和

脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络。

图2-1 SG3525原理图

§2.1.2

S

G

3

5

25特性

1. SG3525基本特点

(1) 工作电压范围8-35V。

(2) ，精度±1%。

(3) 震荡频率范围100Hz-500KHz。

(4) 内置软启动开关。

图2-2 SG3525引脚图

(5) 逐个脉冲关断。

(6) 带滞回电压的输入欠压锁定。

(7) PWM锁定功能，禁止多脉冲。

2. SG3525各部分功能

(1) 基准电压源

基准电压源是一个三端稳压电路，其输入电压V可在(8~35)V内变化，

CC

通常采用+15V，其输出电压V＝，精度，采用温度补偿，作为芯片内部电

ST

路的电源，也可为芯片外围电路提供标准电源，向外输出电流可达400mA，

[12]

没有过流保护电路。

(2) 振荡电路

由一个双门限电压均从基准电源取得，其高门限电压低门限电压，内部

横流源向CT充电，其端压VC线性上升，构成锯齿波的上升沿，当时比较

器动作，充电过程结束，上升时间t1为：比较器动作时使放电

t0.67RC

1TT

电路接通，CT放电，VC下降并形成锯齿波的下降沿，当时比较器动作，放

电过程结束，完成一个工作循环，下降时间间t2为：，此时间即

t1.3RC

2DT

为死区时间锯齿波的基本周期T为：因为

T=t+t(0.67R1.3R)C

12TDT

RRtt

DT21

由上可见锯齿波的上升沿远长于下降沿，因此上升沿作为工

作沿，下降沿作为回扫沿。

(3) 误差放大器

由两级差分放大器构成，其直流开环放大倍数为80dB左右，电压反馈

信号从端子1接至放大器反相输入端，放大器同相输入端接基准电压。

(4) PWM信号产生及分相电路

比较器的反相端接误差放大器的输出信号ue，而振荡器的输出信号uc

则加到比较器的同相输入端，比较器的输出信号为PWM信号，该信号经锁

存器锁存，分相电路由二进制计数器和两个或非门构成，其输入信号为振荡

器的时钟信号，并用时钟信号的前沿触发，输出为频率减半的互补方波，这

些方波和PWM信号输入到或非门逻辑电路。其结果是，所有的输入为负时，

输出为正。这样的输出每半周期交替为正，其宽度和PWM信号的负脉冲相

等。脉冲很窄的时钟信号输入到逻辑或非门电路，可使两个门的输出同时有

一段低电平，以产生死区时间。

(5) 脉冲输出级电路

输出末级采用推挽输出电路，驱动场效应功率管时关断速度更快。11

[13]

脚和14脚相位相差180，拉电流和灌电流峰值达200mA。由于存在开闭滞后，

使输出和吸收间出现重叠导通。在重叠处有一个电流尖脉冲，起持续时间约

为l00ns。。

§2.2 单极性SPWM调制电路

§2.2.1 SPWM调制电路结构

50HZ 精密整 误差放 加法电 直流

正弦波 流电路 大 路 分量

u u

12

U

3

50HZ同 时序 SG3525

步方波 控制 调制

u u

45

Q1 Q2 Q3 Q4

图2-3 SPWM控制电路框图

如果想要得到正弦电压的输出，就要使逆变电路的控制信号以SPWM方

式控制功率管的开关，得到的脉冲方波输出再经过滤波就可以得到正弦输出

电压本系统方案通过SG3525来实现输出正弦电压，首先要得到SPWM的调

制信号要想得到SPWM调制信号，必须要有一个幅值在1~，将它加到SG3525

脚9，并与锯齿波进行比较，来得到正弦脉宽调制波，实现SPWM的控制电

路框图如图2-3所示。基准50Hz的方波由文氏桥产生正弦波再经过整流生成，

用来控制输出电压有效值和基准值比较所产生的误差信号，当电源输出电压

发生变化时，会改变正弦信号的幅值，使得SG3525输出脉宽也跟着发生相

应的变化。

§2.2.2 正弦波发生器

本设计采用文氏桥振荡电路产生50Hz正弦波(图2-5)，利用RC串并联

（图2-4）选频网络的选频特性。

R

C

U1

R

C

U2

图2-4 RC串并联网路

传输系数：

U

2

1

（2-1）

 F

11

U3j

100

RR//





jCjC



R//

1

jC



式2-1中：.



o



1

RC

分析上式可知：仅当=时，达最大值，且u2与u1同相，即网络具有



0

选频特性，决定于RC。震荡频率：

f

o

f1/2πRC

o

（2-2）

稳定振荡条件AuF=1，|F |=1/3，则

考虑到起振条件A>1，一般应选取R略大2R。如果这个比值取得

uFF1

过大，会引起振荡波形严重失真。

由式（2-2）得：

f1/2πRC1/23.141531.8101050HZ

o

37

由运放构成的RC串并联正弦波振荡电路不是靠运放内部的晶体管进入

非线性区稳幅，而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的。一般要在电

路中加入非线性环节。在R串联两个并联二极管，利用电流增大时二极管动

f

态电阻减小、电流减小时二极管动态电阻增大的特点，加入非线性环节，从

而使输入电压稳定。在Multisim仿真波形如图2-6。

23

C10

R30

31.8K

U2B

5

7

6

NE5532

D6

104

C531.8K4.7K8.2K

104

R29R31R32

1N4148

2.7K

R28

D5

50HZ

文氏振荡电路

1N4148

图2-5 50Hz文氏振荡电路

图2-6 50Hz振荡电路仿真波形

§2.2.3 精密整流电路

精密整流电路的功能是将微弱的交流电压转换成直流电压。但是本设

[14]

计整流输出并未经过滤波环节，故仅把正弦波整为馒头波。精密整流电路的

原理图如图2-7，整流电路的输出保持输入电压形状，而仅仅改变输入电压

相位。输入电压为正弦波是，输出电压波形如图2-8中u所示。U3A，U3B

2

组成一个精密整流电路，其特点是，经它整流的正弦馒头波，失真很小，能

满足SPWM的要求。图中R14，R15，R16，R17，R18的阻值一定要一致，

否则，出来的馒头波会上下波动。在Multisim仿真波形如图2-8。

345

R18

10K

D8

1N4148

R17

10K

U3BU4B

55

7D107

66

1N4148

R1636K

10K

NE5532NE5532

R37

精密整流电路

R15

10K

VCC1N4148

D7

R19

10K

输出

R21

10k

R20

10k

4

U3A

50Hz正弦波

2

R14

10K

1D9

3

1N4148

NE5532

8

-12

图2-7 精密整流电路

图2-8 精密整流电路仿真波形

Title

§2.2.4 误差放大及加法电路

345

SizeNumber

B

U4B起到正弦误差放大作用，从精密整流电路出来的馒头波进入U4B

Date:27-May-2010

File:C:Documents and SettingsAdministra

的同相端，经其放大(如图2-9)。U4A是一个加法电路：从U4B出来的馒头

波进入U3A的同相端，同时U3A的同相端也接在一个直流电位上，。在

Multisim仿真波形如2-10。

0

234

图2-9 误差放大及加法电路

图2-10 误差放大及加法电路仿真波形

§2.2.5 SPWM调制

PP值馒头波

L1

SPWM

波形产生

C8

104

U7

116

215

314

413C13

51210nF

611

710

89

100uH

R27C16C9

33022104

VCC

R25

10K

CT

RT

SPWM

波形

SG3525

C11

10uf

R26

2K

图2-11 SPWM波形产生电路

SG3525由一个双门限电压均从基准电源取得，其高门限电压低门限电

压，内部横流源向C充电，其端压V线性上升，构成锯齿波的上升沿，当

TC

时比较器动作，充电过程结束，上升时间t为：

1

（2-3）

t0.67RC

1TT

比较器动作时使放电电路接通，C放电，V下降并形成锯齿波的下降

TC

沿，当时比较器动作，放电过程结束，完成一个工作循环，下降时间间t为：

2

234

（2-4）

t1.3RC

2DT

此时间即为死区时间锯齿波的基本周期T为：

（2-5）

T=t+t(0.67R1.3R)C

12TDT

因为因此上升由上可见锯齿波的上升沿远长于下降沿，

RRtt

DT21

沿作为工作沿，下降沿作为回扫沿。

主芯片SG3525的接法和一般常规接法有点不同，因为3525的11、

[15]

14脚是图腾柱输出，把11、14脚接地，屏蔽了图腾柱的下管，并在13脚接

一个上拉电阻做负载，这样做的目的是把原11、14脚的信号合并在一起输出，

以大幅度地提高最大占空比。母线电压的利用率也大幅度提高了，可以在94%

以上。但从13脚出来的脉冲，是反向的SPWM波，所以要用一个4069把它

反回来。震荡电容C取10nF震荡电阻R取10K的电阻，如图2-11中C13，

T

T

R25所示，另一端直接接地。5端与7端直接短接，由式(2-5)的锯齿波的频

率为：。

f=1/(0.67R1.3R)C1510Hz

TDT

3

把15K的锯齿波信号和100Hz的馒头波信号进行比较，从而产生SPWM

波形。

§2.2.6 时序控制电路

用一片NE5532即U1A、U1B组成一个50Hz同步方波发生电路（图2-12）。

从文氏桥正弦波振荡器过来的正弦波信号(约12VPP值)，经二个电压比较器

U1A、U1B后，产生二路带死区时间的低频同步波，电路中R1，R2决定二

1234

路方波的死区时间。经试验，当用NE5532时，R1、R2取510欧姆时，

[16]

死区时间大约为100。U1A，U1B用358时死区时间为200。

VCC

正弦波输入

-12D

R510KR12

47K10K

R11

VCC

R6

47K

U1A

R3

680

NE5532

D3D4

1N4148R21N4148

510R1

50HZ

同步波形发生电路

U1B

51

72

6

NE5532

R4

680

3

510

-12

4

8

C

456

图2-12 50Hz同步波形发生电路

对于采用单极性调制的SPWM控制而言，逆变桥一个桥臂上下两只开关

管互补开关。由于开关管在开通和关断时都存在延迟时间，如果驱动脉冲以

严格互补的方式驱动这两只管子，可能出现两只管子同时开通的情况，造成

逆变桥桥臂直通短路，烧毁开关管。为了防止这种情况发生，就必须在互补

的驱动脉冲之间加入一定的死区时间。

获得死区时间的简单方法是驱动信号的下降沿不延时，仅延时驱动信号

的上升沿。这样，死区时间设置电路就可以通过数字电路实现了（图2-13）。

高频波死区时间调整电路，由四组电阻、电容组成，死区时间选择2-3，

可以按RC时间常数2设置，电阻可选择47K，电容选择47pF，电容应该

选择低温度系数介质的，如聚酯电容器、COG介质的陶瓷电容器等。在

Multisim仿真波形如图2-14。这样经过这种保护措施的综合运用，就可以防

止桥臂短路故障的出现。

131212

4069

U8F

U10D

13

4071

R10

47K

U8AU9D

4081

11812

C21

11

左上臂

VCC47

U10C

9Q2

10Q113

4071

左下臂

Q3

Q4C20

SPWM

波

4069

12

R9

847

94

U9CU8B47K

4081

10345

4069

R8

47K

U10B

6

C19

4071

右上臂

47

1

U10A

2

4071

3

右下臂

R7

47K

C18

47

图2-13 死区延时电路

Title

SizeNumberRevision

B

Date:28-May-2010Sheet of

File:C:Documents and SettingsAdministratorDrawn 3By:525_protel.ddb

456

桌面终极

图2-14 死区延时电路仿真波形

第3章 逆变电路

§ IR2110芯片介绍

§

图3-1 IR2110功能结构图

LO(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

图3-2 IR2110引脚图

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采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，DIP14脚封装。具

[17]

有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可

达500V，dv/dt=±50V/ns，15V下静态功耗仅为116mW；输出的电源端（脚

3，即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10~20V；逻辑电源电压范围（脚

9）5~15V，可方便地与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地

之间允许有±5V的偏移量；工作频率高，可达500KHz；开通、关断延迟小，

分别为120ns和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。IR2110的内部功能框图

如图3-1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。

§ IR2110特性

1. IR2110基本特点

(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；

(5) 匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有1V的便移量；

(6) 工作频率高，可达500KHz；

(7) 开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；

(8) 图腾柱输出峰值电流2A。

2. 高压侧悬浮驱动的自举原理

IR2110用于驱动半桥的电路如图3-3所示。图中C1、VD1分别为自举

电容和二极管，C2为VCC的滤波电容。假定在S1关断期间C1已充到足够

的电压（VC1≈VCC）。当HIN为高电平时VM1开通，VM2关断，VC1加到

S1的门极和发射极之间，C1通过VM1，Rg1和S1门极栅极电容Cgc1放电，

Cgc1被充电。此时VC1可等效为一个电压源。当HIN为低电平时，VM2开

通，VM1断开，S1栅电荷经Rg1、VM2迅速释放，S1关断。经短暂的死区

时间（td）之后，LIN为高电平，S2开通，VCC经VD1，S2给C1充电，迅

速为C1补充能量。如此循环反复。

图3-3 IR2110驱动半桥

4. 设计电路应注意以下问题：

1）UC3637的RT和CT要适当选择，避免RT上的电流过大，损坏片子；

2）驱动电路中C2值要远远大于上管的栅源极之间的极间电容值；

3）IR2110的自举元件电容的选择取决于开关频率，VDD及功率MOSFET

的栅源极的充电需要，二极管的耐压值必须高于峰值电压，其功耗应尽可能

小并能快速恢复；

4）IR2110的驱动脉冲上升沿取决于Rg，Rg值不能过大以免使其驱动

脉冲的上升沿不陡，但也不能使驱动均值电流过大以免损坏IR2110；

5）当PWM产生电路是模拟电路时可以直接把信号接到IR2110；当用

采数字信号时要考虑隔离；

6）注意直流偏磁问题

§ 驱动电路设计

采用功率开关管的变换器电路中，开关管的驱动电路性能的好坏直接关

系到变换器的工作可靠性。因此，在变换器设计中，要对功率开关管的驱动

进行精心的设计。与晶体管驱动电路不同，对功率MOS管的控制实质上是

对MOS管的输入电容C进行充、放电控制，同时驱动电路还要为MOS管的

栅-漏电容，亦称米勒电容提供渡越电流CdV/d，所以驱动电路的负载为

GDGD

t

容性网络由于电容上的电荷的保持作用，当器件开通后驱动电路无需继续提

供电流。根据上面的分析，得出功率MOS管对驱动电路的要求如下：

[19]

(1) 驱动电路延迟时间小；

(2) 驱动电路峰值电流大；

(3) 栅极电压变化率dv/dt大。

综上所述，理想的功率MOS开关管驱动电路应同时具备高速开关和高

峰值电流能力。逆变电路采用了全桥式结构，对于全桥式电路而言，桥臂上

下功率管的驱动需采用隔离驱动电源。可采用光电耦合

器，但是为了提高驱动电路工作可靠性，采用专用于驱动桥式结构电路的集

成电路IR2110可以简化驱动电路设计、提高系统性能。

1234

J1

2

1

CON2

D

D1IN4148

D2

IN4148

D3

IN4148

22

R4

4IRF6408

6IR2110VCC

0.47uF

C1

76

5710INH_R

D10

OUT2OUT1VCC3INH_L10512INL_R

D8IN4148D9

D5IN4148214

1DIODE11

214

Q3Q4

IRF640

D6

D7

IRF640

22

R6

DIODE1INL_L123VCC11

D4IN4148

DC_IN

U1

849

VCCVDD

C2

0.47uF

9

VBHO

HOVSHI

C

HIVSVCCLI

LIVCCLOSD

LOSD

COM

C3

0.47uF

22

R3

Q1Q2

IRF640

U3IR2110

VB

VDD

COM

H

桥式电路

C4

0.47uF

V

S

S

II

NN

44

11

44

88

22

1

3

R5

OUT

1

3

V

S

S

图3-4 IR2110驱动电路

B

IR2110驱动电路原理框图如图3-4所示，其中左上臂HIN_L、左下臂

LIN_L、右上臂HIN_R右下臂与LIN_R输入信号分别是Q1、Q2、Q3、Q4，

四路单极性的SPWM波形可以保证H桥臂的四个MOS管两两交叉导通，这

样实现输出电流的反向，从而使输出端为交流的高频SPWM信号。原理图中

A

Title

MOS管选用耐压值较高，开关速度快的IRF540，IRF540的漏源耐压可达

SizeNumberRevision

A4

毕设资料终极

100V。为了保护其不被烧坏，必须在四只MOS管上加上四个散热片。HO、

1234

Date:10-Jun-2010Sheet of

File:H:protel——3525_protel.ddbDrawn By:

LO端的二极管使用开关管1N4148，实现自举电路的二极管用快恢复二极管。

芯片工作电压为+12V，开关管D极电压也为+12V。

§ 输出滤波器设计

输出滤波器将逆变器输出的脉冲宽度调制的功率脉冲转化为模拟电压。

当逆变器的输出不加滤波电路时，其输出波形只是SPWM调制波，其中既包

含了50Hz基波，又包含了高于50Hz的谐波。为了削弱高次谐波，就需要设

置输出滤波器。

A

S1

S3

v

0

C

L

v

1

C

R

V

D

S2

B

LC滤波

D

S4

图3-5 LC滤波器

滤波器是一种具有选择性的四端网络，它允许某些频率信号通过，而不

允许另一些频率信号通过。允许通过的信号频率范围称为通带，不允许通过

的信号频率范围称为阻带，通带与阻带交界的频率称为截止频率。从H桥

[20]

的输出为高频交流信号，要用工频隔离变压器对其进行变换，这就需要先将

高频信号转换为50Hz工频信号，此部分通过LC滤波（如图3-5）实现，也

可当作以低通滤波器，与小信号电路的低通滤波器不同的是，逆变器的输出

滤波器不仅要滤除不需要的高频分量，而且还要在滤除不需要的高频分量的

同时，使通过的频带所传输的功率产生的损耗尽可能的低。因此，传统的RC

低通滤波器在这里不能应用。而需要采用几乎没有损耗的LC低通滤波器。

它的设计原则是对50Hz低频呈低阻抗特性，基本不产生基波压降，而对高

频分量呈高阻抗特性。

由傅立叶分析可知：

Usintsin3tsin5t

i

4V

d



11









35

（3-1）

逆变电路输出的n次谐波有效值Vn经LC滤波后在负载上的n次谐波电

压为：

V

Ln

V

Ln

VV

nn

nL



VVV

nnn

nLC



22

1

nc



V

1

ncnLC1



（3-2）

22

Ln





n







0

2

2

()

n



（3-3）



0

2

由上此可见n次谐波衰减了倍。

n

2

逆变器输出电压的频率成分以基频50Hz和开关频率f=15KHz为主。选

择截至频率为开关频率的1/10，即150Hz。这样开关频率中更高频的交流分

量将被衰减40dB以上，.

R=220V/=88

L



输出滤波电容的容量为：

C0.85uf

11

（3-4）

2R2882150

L0



输出滤波电感量为：

L2213.2mH

R

L



0

88

（3-5）

2150

§ 保护电路设计

为保证电力电子系统正常工作，除了合理设计电路之外，增设电路保护

措施是很有必要的。这是因为在装置实际运行时，有许多随机出现的干扰信

号。这些干扰会导致系统工作不正常，甚至损坏系统。在电力电子系统中，

功率开关管的保护是必不可少的。功率开关管是整个设备正常工作的核心部

件，同时也是最容易受损坏的元件。而对于由蓄电池供电的逆变电源而言，

蓄电池也需要有必要的保护，因为蓄电池过度放电会损坏蓄电池本身。

下面针对本文设计的逆变电源，阐述在设计中对开关管和蓄电池采取的

保护措施。在功率开关管的保护整个装置中，功率开关管是最易损坏的元件，

电路中出现的过流会导致其损坏，应该具有相应的过流保护。对于由蓄电池

供电的逆变电源而言，蓄电池过度放电会损坏蓄电池本身，当蓄电池电量不

足时，应该相应欠压保护。

对于桥式逆变电路，如果发生桥臂直通短路或负载发生短路时，流过开

关管上的电流迅速增大，若不采取措施在很短的时间内，功率开关管被烧毁。

短路与过载是两种性质不同的故障状态，短路故障一经出现，装置就应该立

即停止工作，因为短路电流在很短的时间内就会升到很高的幅值，可在瞬间

损坏电路元件。对于短路故障必须立刻停机，这功能可以由串接在主功率回

路中的快速熔断器F2实现。与短路故障不同，系统短时的过载属于正常工

作状态，如果过载一发生就停机则不利于系统的正常运行。

同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性，电子电路作为第

一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在

电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

J1

2

1

CON2GDQ

DC_IN

R1

95KK1

F1

50A

输入采样

R2

20K

RELAY-SPST

CY1

T1

L1

13.2mH

C5

F2

3A

J5

1

2

HEADER 2

LCAC_OUT

滤波

0.85uf

TRANS5

工频升压

CY224

3

D14

C6

470uf

C7

104

BRIDGE1

输出采样

图3-6 输入输出采样电路

1

如图3-6所示，对于电路过载，设计中将取样绕组，经过整形、滤波间

SizeNumberRe

接检测其电流是否过大，电压取样CY2直接输入到滞环比较器LM393的同

B

Title

相输入端（如图3-7），其反相端为设定的参考电压值。正常情况下，参考电

Date:30-May-2010Sheet of

压值小于电压采样值，比较器输出低电平，系统开始正常工作。

456

File:C:Documents and SettingsAdministratorDrawn 3By:525_pro

桌面终极

欠压保护是为了保护蓄电池，直接通过分压电阻采样，得到输入采样电

压CY1，电压取样CY1直接输入到滞环比较器LM393的反相输入端（如图

3-7），其同相端为设定的参考电压值。正常情况下，参考电压值大于电压采

样值，比较器输出低电平，系统开始正常工作。

保护电路中，采用滞环比较器叫的作用是防止比较器的输出在保护点附

近反复跳动。滞环宽度取为2V。。。系统才能够恢复正常工作。

VCC

B

R8

4

U2A

CY12D12

2k

1GDQ

4148

3

LM393

VCC

10k

D11

2.5V

R7

8

VCC

欠压过流保护

R95.1V

2k

U2B

6D13

7

CY25

4148

LM393

图3-7 欠压过流保护电路

213

D15

A

第4章 系统调试

§4.1 信号板电路的调试

在设计中存在输出滤波电感、功率变压器、隔离变压器、等磁性元件，

隔离变压器初次级之间存在寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容耦合到次

级；功率变压器由于绕制工艺等原因，原、次级耦合不理想而存在漏感，漏

感将产生电磁辐射干扰，为了避免这些电磁干扰，我将基于SG3525的SPWM

波形调制电路绘制在一张PCB板，不妨称之为信号板；把H桥逆变电路及

滤波、升压绘制在另一张PCB板上。本章给出调试步骤及各测试点的波形。

1. 在J1上接上+12V和-12V电源，则电源指示发光二极管D1，D2应该

亮，测一下电流，+12V应该在50mA左右，-12V应该在60mA左右，说明

电路基本正常。

2. 用示波器测S1点，应该看到正弦波，频率在50Hz左右，若没有波形

（如图4-1），则文氏边路未起振，把R32()换成一个10K的滑动变阻器，使

其放大倍数略大于3，则可使S1点为12Vpp的正弦波，振荡器就基本调好

了。

图4-1 S1测试点正弦波振荡器输出波形

3. U3A，U3B组成一个精密整流电路，其特点是，经它整流的正弦馒头

波，失真很小，，R15，R16，R17，R18的阻值一定要一致，否则，，应该看

到馒头波，馒头波的幅度约在4Vpp（如图4-2），一般大于11V就会出现削

顶，这样精密整流电路就调好了。

图4-2 S2整流电路输出馒头波

4. 用示波器测S3点波形，也应该是馒头波（如图4-3），，再调滑变R33

使馒头波的谷点离开直流底线2V，这样，加法器电路就基本调好了，等接上

H桥再细调。

图4-3 加法电路输出馒头波

5. 主芯片SG3525的第9引脚输出为测试点S4，用示波器观察S4点的

波形，看是否为SPWM波，此测试点应为频率15K的SPWM信号。

6. 用一片NE5532即U1A、U1B组成一个50Hz同步方波发生电路。从

文氏桥正弦波振荡器过来的正弦波信号(约12Vpp值)，经二个电压比较器

U1A、U1B后，产生二路带死区时间的低频同步波，电路中R1，R2决定二

路方波的死区时间。用双通道数字示波器观察S5、S6两测试点的波形（如

图4-4），应该是互为反相的50Hz方波，其死区时间约为100。

图4-4 S5、S6测试点输出的50Hz同步方波

§4.2 信号板与H桥联调

1. 先把信号板上J2插头用引线与逆变板连接起来。

2. 这时用双通道数字示波器观查MOS管IRF540的G极波形（如图4-6、

图4-7），是否有高频波死区延时2左右（如图4-5）。

图4-5 H桥驱动波形及高频波延时

3. 光伏电池(12V)可以用实验台DG01上三相调压输出17Vpp值的交流

电，经整流桥，滤波得到12V左右的直流电（切忌用试验台上+12V直接输

入，由于试验台上的+12V线性稳压源最大输出功率不足30W）用来模拟光

伏电池。

4. 把示波器的探头打在10：1档，夹在H桥AC输出的二个端子上，再

接上一点负载，接一个100W的220V的灯泡。

5. 接通信号板电源，H桥应该有正弦波输出，灯泡会亮。

6. 细调信号板上的R33，让正弦波上下二个半波的过渡光滑自然，没有

阶梯感；再调R35，慢慢调大，正弦波会出现削顶，再稍回调一点，让正弦

波顶部光滑自然，这样整个系统就基本调试好了，观察空载与帯载波形（如

图4-8）。

图4-6 H桥左上管和左下管的驱动波形

图4-7 H桥左上管和右下管的驱动波形

§4.3 保护电路调试

1. 欠压保护测试：

(1) 首先接一个100W的220V的灯泡，让电路正常工作；

(2) 调节实验台上的交流输出大小，使得直流输入降为10V，保护电路

动作，继电器打开，灯泡灭；

(3) 使实验台上的交流输出恢复，，保护电路动作，继电器关闭，灯泡亮。

2. 过流保护测试

(1) 首先接一个500W的220V的灯泡，让电路正常工作。

(2) 由于设定的额定功率为500W，此时再并联一个100W的灯泡，负载

过重，电流过大，快速熔断器F2烧断，灯泡熄灭。