基于高性能SHE-PWM的逆变电源设计

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 1 前言:

以单片机和DSP为核心组成的控制电路的逆变电源,能实现电源的全数字控制,但系统较复杂,软件工作量大,研制周期长。本设计采用一种高性能的基于SHE-PWM(有选择性的消谐波脉宽调制)的专用控制芯片及带自举电路的驱动芯片,结合IGBT构成的逆变桥,组成了性价比极高的一种逆变电源的设计方案。输出波形好,性能稳定可靠。并通过试验得到验证。

2 逆变器电路的构成及工作原理

2.1 系统的结构及框图

整个系统由以下几个部分构成:主电路、PWM产生电路、驱动电路和反馈电路几部分组成。如图1所示

图1逆变器电路系统框图

交流输入电压经过整流滤波后作为逆变器的输入,逆变器采用单相全桥电路。输出电压通过电压反馈到控制芯片来调节输出以达到稳压的目的。

2.2 自动稳压逆变芯片的功能及引脚

使用专用集成电路可使控制电路简单,缩小体积。本文采用鸿芯泰业公司的单相50HZ自动稳压逆变电源SHE-PWM控制芯片,该芯片外围电路元件少,调制比高,输出波形好,无需编制软件,性能稳定。SHE-PWM控制[1]是一种经过计算的PWM控制策略,基本方法是:通过PWM控制的傅里叶级数分析,得出傅里叶级数展开式,以脉冲相位角为未知数,令某些特定的谐波为零,便得到一个非线性方程组,该方程组即为消谐PWM模型,按模型求解的结果进行控制,则输出不含这些特定的低次谐波。

图2 中所示稳压型芯片的引脚图及外围电路,芯片7-10脚输出PWM信号PWM1~PWM4,芯片上电后,PWM1~PWM4正常输出PWM信号,当11脚为低电平时,PWM1~PWM4输出的信号为0000(1为高电平,0为低电平),当11脚为高电平时,PWM1~PWM4正常输出PWM信号。输出的PWM信号为正逻辑。12脚为反馈控制,反馈电压基准0.7VCC,反馈电压与基准电压比较来调节PWM的输出,从而达到稳压的目的。

图2自动稳压逆变芯片引脚及外围电路

2,3脚外接晶振12MHz。其中


2.3 IR2101

2.3.1 IR2101性能及结构

IR(International Rectifier)公司提供了多种桥式驱动集成电路芯片,R2110、IR2101、IR2102、IR2181等。该系列芯片是双通道、栅极驱动、高压高速功率驱动器,在芯片中采用了高度集成的电平转换技术,大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求,同时提高了驱动电路的可靠性。同时上管采用外部自举电容上电,使驱动电源数目较其他IC驱动大大减少,在工程上大大减少了控制变压器体积和电源数目,降低了产品成本,提高了系统可靠性。

本文采用IR2101,该芯片采用HVIC和闩锁抗干扰制造工艺,集成DIP、SOIC封装。其主要特性包括:悬浮通道电源采用自举电路;功率器件栅极驱动电压范围10V~20V;逻辑电源范围5V~20V,而且逻辑电源地和功率地之间允许+5V的偏移量;带有下拉电阻的COMS 施密特输入端,可以方便地与LSTTL 和CMOS 电平匹配;独立的低端和高端输入通道[2]。其内部结构如图4所示:

图3 IR2101内部结构图

图4 IR2101引脚

引脚7 和5是两路独立的输出,分别是LO(低端输出) 和HO(高端输出) ,引脚1 和8分别是VCC(低端电源电压) 和VB(高端浮置电源电压) ,引脚4 (COM) 是低端电源公共端,引脚6是VS(高端浮置电源公共端) ,引脚2 (HIN) 是逻辑输入控制端,引脚3 (LIN) 是低端逻辑输入。

2.3.2典型驱动电路应用[2]

图5 IR2101典型驱动电路

图5 中,C2 为自举电容,VCC 经D2、C2、负载、S2给C1 充电,以确保S2关闭、S1导通时,S1管的栅极靠C1 上足够的储能来驱动。

2.4电压反馈

电压反馈电路如图6所示。当逆变器正常工作时,逆变器的输出电压接反馈变压器,其二次电压经整流,滤波,分压得到反馈电压,此电压大小正比于逆变器的输出电压,调节R3可调节反馈电压的大小,从而调节逆变器输出电压。

图6 电压反馈电路

3试验结果及试验分析

基于前文所做的工作,搭建了试验样机,对逆变器的性能进行验证。主要技术参数如下:输入电压70~80V;输出电压55V;开关频率12.8kHZ;滤波电感2mH;滤波电容16uF;负载100欧姆;输出频率50HZ。

A

B

C
图7 实验波形

实验结果图7所示。其中A图带负载时的电压波形;B为突加负载时电压电流波形;C为突减负载时电压电流波形。实验分析该逆变电源在负载突变的情况下仍能够保持稳定电压输出。

4 结论

介绍了一种元件少、性价比高、无需编程的DC-AC电源设计方案。试验结果表明在负载变化激烈的情况下该逆变电源均能保持良好的输出波形及稳定的工作。