单相桥式PWM逆变电路设计(学术参考)

指导教师评定成绩：

审定成绩：

重庆邮电大学

自动化学院

综合设计报告

设计题目：单相桥式PWM逆变电路设计

单位（二级学院）：自动化学院

学生姓名：梁勇

专业：电气工程与自动化

班级：0830702

学号：07350225

指导教师：罗萍

设计时间：２０１０年１０月

重庆邮电大学自动化学院制

目录

一、课程设计任务 (2)

二、SPWM逆变器的工作原理 (2)

1.工作原理 (3)

2.控制方式 (4)

3.单片机电源与程序下载模块 (7)

4.正弦脉宽调制的调制算法 (8)

5.基于STC系列单片机的SPWM波形实现 (11)

三、总结 (14)

四、心得体会 (15)

五、附录： (17)

1.程序 (17)

2.模拟电路图 (19)

3.电路图 (22)

摘要：

单片机控制逆变电路，以逆变器为主要元件，稳压、稳频输出的电源保护设备。采用面积等效的SPWM波，又单片机为主导，输出三角波和正弦波再由这两个波相叠加输出spwm波来控制逆变电路的触发，使其把直流编程频率可变的交流电

关键字：单片机逆变电源正弦波脉冲触发

单相桥式PWM逆变电路设计

一、课程设计任务

对单相桥式pwm逆变电路的主电路及控制电路进行设计，参数要求如下：直流电压为12 V，L=1mH，要求频率可调，输出为5V的正弦交流电。

设计要求：1.理论设计：了解掌握单相桥式PWM逆变电路的工作原理，设计单相桥式PWM逆变电路的主电路和控制电路。包括：

IGBT电流，电压额定的选择

驱动电路的设计

画出完整的主电路原理图和控制原理图

列出主电路所用元器件的明细表

二、SPWM逆变器的工作原理

由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作N 等分。然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由N 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。

这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形，这是很容易推断出来的。

从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，作为控制逆变器中各开关器件通断的依据。但较为实用的办法是引用通信技术中的“调

制”这一概念，以所期望的波形(在这里是正弦波)作为调制波(ModulationWave )，而受它调制的信号称为载波(Carrier Wave )。在SPWM中常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是SPWM所需要的结果。

1.工作原理

图2-4是SPWM变频器的主电路，图中VTl~VT6是逆变器的六个功率开关器件(在这里画的是IGBT)，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压U供电。图2-5是它的控制电路，一组三相对称的正弦参考电压信号由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所要求的输出频率范围内可调。参考信号的幅值也可在一定范围内变化，决定输出电压的大小。三角载波信号C

U是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的

饱和输出，产生SPWM脉冲序列波

,,

da db dc

U U U

作为逆变器功率开关器件的

驱动控制信号。

主电路

当rU U '/2UN d u U =-时，给V4导通信号，给V1关断信号'/2UN d u U =-给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。d U 和'WN u 的PWM 波形只有±Ud/2两种电平。当urU>uc 时，给V1导通信号，给V4关断信号，'/2UN d u U =-。UV u 波形可由''UN VN u u -得出，当1和6通时，

UV u =d U ，当3和4通时，UV u =－d U ，当1和3或4和6通时，UV u =0。输出

线电压PWM 波由±Ud 和0三种电平构成负载相电压PWM 波由(±2/3)

d U 、(±1/3) d U 和0共5种电平组成。

防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWM 波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。

控制电路

2.控制方式

脉宽调制的控制方式从调制脉冲的极性上看，可分为单极性和双极性之分:参加调制的载波和参考信号的极性不变，称为单极性调制;相反，三角载波信号和正弦波信号具有正负极性，则称为双极性调制。

(1)单极性正弦脉宽调制

单极性正弦脉宽调制用幅值为r U 的参考信号波r U 与幅值为o f ,频率为o f 的三角波c U 比较，产生功率开关信号。其原理波形如图2-6所示。图2-6是用单相正弦波全波整流电压信号与单向三角形载波交截，再通过倒相产生功率开关驱动信号。

参考波频率fr 决定了输出频率fo ，每半周期的脉冲数P 决定于载波频率fc 。即:

P=错误!未找到引用源。 (2-1)

用参考电压信号的幅值Ur ，与三角形载波信号的幅值Uc 的比值，即调制度m = Ur/Uc ，来控制输出电压变化。当调制度由0~1变化时，脉宽由0~π/p 变化，输出电压由0~ E 变化。如果每个脉冲宽度为θ，则输出电压的傅里叶级数展开式为:

（2-2)

系数An 和Bn 由每个脉宽为θ，起始角为α的正脉冲来决定和对应的负脉冲起始角π+α来决定。

如果第j 个脉冲的起始角为αj 则有

(2-3a)

(2-3b)

由式(2-3a)、式(2-3b)可计算输出电压的傅里叶级数的系数

(2-4a)

(2-4b)

单极性正选脉宽调制SPWM原理波形

(2)双极性正弦脉宽调制

双极性正弦脉宽调制原理波形如图2-7所示。输出电压u0(t)波形在0~2π

区间关于中心对称、在0~π区间关于轴对称，其傅里叶级数展开式为

式（2-5）中

输出电压u0（t ）可看成是幅值为E ，频率为fo 的方波与幅值为2E 、频率为fc 的负脉冲序列(起点和终点分别为123212,,,...,,p p ααααα-的叠加。因此

则输出电压为

输出电压基波分量错误!未找到引用源。为

需要注意的是，从主回路上看，对于双极性调制，由于同一桥臂上的两个开关元件始终轮流交替通断，因此容易引起电源短路，造成环流。为防止环流，就必须增设延时触发环节，设置死区。

3.单片机电源与程序下载模块

程序下载模块

电源模块

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。主要特点有:符合所有的RS-232C技术标准、只需要单一 +5V电源供电；片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V 和-10V电压V+、V- ；功耗低，典型供电电流5mA ；内部集成2个RS-232C驱动器；内部集成两个RS-232C接收器。

用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。

4. 正弦脉宽调制的调制算法

三角波变化一个周期，它与正弦波有两个交点，控制逆变器中开关元件导

通和关断各一次。要准确的生成SPWM波形，就要精确的计算出这两个点的时间。开关元件导通时间是脉冲宽度，关断时间是脉冲间隙。正弦波的频率和幅值不同时，这些时间也不同，但对计算机来说，时间由软件实现，时间的控制由定时器完成，是很方便的，关键在于调制算法。调制算法主要有自然采样法、规则采样法、等面积法等。

1.自然采样法

按照SPWM控制的基本原理，在正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度和间隙的采样，去生成SPWM波形，成为自然采样法。如图2-8所示