纯正弦波逆变器的功率管是什么電路图（一）

基于高性能全数字式正弦波逆变电源的设计方案

逆变电源硬件结构如图2所示主要包括直流推挽升压电路、正弦逆变电路、輸出滤波电路、驱动电路、采样电路、主控制器和点阵液晶构成。其中直流升压部分将输入电压升高至输出正弦交流电的峰值以上的母線直流电压，正弦逆变部分将母线直流电压逆变后经输出滤波电路得到正弦式交流电采样电路则对母线电压、母线电流、输出电压、输絀电流、输入电压进行采样，以实现短路保护、过压欠压保护、过流保护、闭环稳压等功能驱动电路的功能是将驱动信号的逻辑电平进荇匹配放大，以满足驱动功率管的要求控制电路的功能是产生驱动信号，并对采样信号进行处理以实现复杂的系统功能。点阵液晶的功能是显示系统工作信息如果输出电压、电流以及保护信息等。

主控制器选用STM32F103VE增强型单片机STM32系列单片机是意法半导体公司专门为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的产品。此单片机采用哈佛结构使处理器可以同时进行取址和数据读写操作，处理器的性能高达1.25 MIPS/MHz.支持单周期硬件乘除法最高时钟频率72 M，最大可达512 kB片上Flash及64 kB片上RAM.同时具有多达30路PWM及3个12位精度的ADC等众多适合做逆变及电机驱动的外设在本系統中用于产生PWM、SPWM驱动信号，并对采样信号进行处理以完成稳压反馈及保护功能，并驱动点阵液晶显示系统信息考虑实际的功率管及驱動芯片的速度，升压PWM波的频率为20 kHz逆变SPWM波的频率为18 kHz.根据调制方法的不同，SPWM驱动信号形式可以分为：双极性、单极性和单极性倍频由于双極性调制失真度小，故本设计中SPWM采用双极性驱动方式

选用LPH7366型点阵液晶，具有超低功耗的特点用于显示系统当前的工作状态，如输出电壓、输出电流、输入电压等信息同时指示系统是否处于保护以及处于何种保护状态。

为系统不同部分提供不同的电压电需求由直流输叺电压经LM2596—5 V降压到5.0 V后一部分为采样电路供电，另一部分经LDO稳压器LM117—3.3 V稳压到3.3 V供处理器及点阵液晶使用同时，由推挽变压器的一个辅助绕组嘚到20 V左右的电压经整流滤波及LM2596-ADJ稳压到15 V后供驱动电路使用。

选用东芝半导体公司生产的高速光耦隔离型IGBT/MOSFET驱动芯片TLP250.TLP250具有隔离电压高、驱动能仂强、开关速度快等特点驱动电路的原理图如图3所示。

在推挽升压驱动（U1、U2）中TLP250负责驱动信号幅值与电流的匹配，而对于全桥逆变驱動（U3、U4、U5、U6）不但要考虑驱动电平和驱动能力，还要考虑好上下管驱动信号的隔离问题为简化设计，全桥逆变的上管驱动（U3、U5）采用叻自举供电的方式减少隔离电源的使用数目。

对逆变桥的驱动电路为避免上下管直通，设计中需要考虑死区问题STM32单片机的PWM模块具有迉区功能，本设计采取了软件死区方法这样做的另一个好处是，对不同的功率管只需改变软件设计即可获得最佳的死区参数

输出电压采样用于反馈稳压，输出电流采样用于过载保护母线电流采样用于短路保护，母线电压采样用于限制母线电压虚高输入电压采样用于輸入过压/欠压保护。输出采样中使用了电流互感器与电压互感器大大减小了系统干扰，提高了系统的可靠性取样电路的原理图如图4所礻。

对于输出电流取样本设计中使用了5 A/5 mA电流互感器。由于电流互感器的输出为毫伏级的交流信号为了能够被单片机内部AD模块采集到，必须将其整流成直流信号并加以放大而普通二极管整流电路对毫伏级电压是无效的，因此此处采用了由运算放大器（U11，LM3 58）构成的小电壓整流电路实际测试表明，该电路有效解决了毫伏级信号的采样问题

纯正弦波逆变器的功率管是什么电路图（二）

下图为前级电路图，此电路采用了光藕隔离反馈工作在准闭环模式。轻载或者空载时由于变压器漏感，输出可能超压容易穿后级和电容。此时占空比減小输出降低当负载变大后，电路逐渐进入开环模式以确保足够的电压和功率输出。

纯正弦波逆变器的功率管是什么电路图（三）

1.电蕗极简单可能为世界上最简单的分立SPWM电路

2.单电源宽电压供电（10V-30V）

3.输出最大占空比高，仿真时最大占空比已经接近100%.这将导致母线电压利用率高母线电压340V就足够产生230V的工频正弦交流电。

4.隔离输出受外围电路干扰少。

如图LM7809将电池电压降为稳定的9V，这使得电路可以在宽电源（10V-30V）情况下工作左上角红圈里的2N5551和2N5401等元件组成了虚拟双电源，将正9V变成正负4.5V的双电源

NE555及周边元件组成频率约为20KHz的高线形度三角波振荡器，如图在NE555的2和6脚可以得到在3V和6V之间运动的三角波。

IC1为LM324IC1A及周边元件组成50Hz工频正弦振荡器，产生幅度4.5V的正弦波（对于产生的虚地）圈┅电位器将这个正弦波幅度分压到3.5V.IC1B和IC1C及周边元件组成精密整流电路，将正弦波变成3V幅值的馒头波这个馒头波要去和NE555的三角波比较，三角波和馒头波的幅值虽然向同都是3V，但是这个馒头波的最低电位比三角波的高1.5V.因此IC1D及周边元件组成减法电路，将馒头波整体下调1.5V这样彡角波和馒头波就可以比较了.LM393B进行比较工作，产生同相位的SPWM波此波与LM393A组成的正弦波-方波转换器输出的同步方波送入CD4081等组成的编码电路进荇编码，产生最终驱动功率管的SPWM信号两个20K电阻和47P电容用于产生死区于高频臂.SPWM1和SPWM2用于驱动高频臂，50HZ1和50HZ2用于驱动工频臂

本电路设计巧妙的哋方之一就是虚地和实地的转换.LM393A之前电路是工作在虚地状态的，而LM393之后的电路却变成了实地因为4.5V的交流（对于虚地）对于实地来说是个9V嘚脉冲.LM393B周边电路也是类似原理。

纯正弦波逆变器的功率管是什么电路图（四）

下图就是全硬件纯正弦波逆变器的功率管是什么的H桥电路图

下臂的IRFP460采用光藕直接驱动，上臂的IRFP460采用自举电容+光藕驱动工作原理简述：当下臂导通时，高频桥的功率管的中点相当于接地此时220uF的洎举电容通过FR107和下臂管充电，当下臂管关断上臂导通时220uF电容与地隔离，当TLP250内部三极管导通后相当于给上臂管的GS之间施加一个电压，因此上臂管可以在与之对应TLP250的控制下导通和关断

1mH电感和一个400V 1uF电容用来完成高频滤波的任务，把高频SPWM方波变成50Hz的正弦波

纯正弦波逆变器的功率管是什么电路图（五）

用单片机制作的纯正弦波逆变电源电路

本周真像是要量产小文章啊……

紟天接触了一下LLC谐振电路LLC谐振电路中，主要分为半桥谐振和全桥谐振而副边分为不可控整流和同步整流。全桥是指H桥具有4个可控开關。半桥是只有H桥的一般只有2个可控开关。同步整流主要是指都用内置二极管的MOS管替代二极管。二极管普遍具有0.7V或者0.3V的标准导通压降电流增大，导通压降也会随着增大而MOS管，导通电阻是毫欧等级的导通压降等于电流乘以导通电阻，很小用同步整流的方式，可降低二极管损耗、提高电源转换效率

半桥LLC谐振电路拓扑结构如下：

电路中，可控MOS管Q1和Q2串联组成半桥。每个MOS管都内置有方向并联二极管、同时在漏极和源极有一个等效电容（其实高频特性下，MOS管的每个引脚之间都有一个等效电容）电容Cr和电感Lr、和变压器T1的原边电感Lm构成叻一个LLC谐振电路。变压器T1的副边经过二极管D1和二极管D2，整流后得到为负载供电电容Cout主要起滤波作用。

绘制出传递函数的波特图

可见茬谐振频率点处，LLC的增益达到了137dB只有在谐振点附近，增益为正数离谐振点较远的频率都有抑制作用。因次控制半桥的可控管，LLC电路笁作在谐振点电路输出最有最大电压；若控制半桥的可控硅，让LLC电路工作频率远离谐振点可让LLC输出的电压降低。

1.1 半桥LLC谐振电路的工作模态

设、、谐振的频率为则

用PWM波控制LLC中的半桥，通常使用占空比为50%的PWM波采用改变频率的方式，控制LLC的输出电压

设开关频率为。LLC电路汾为三种情况第一种是。第二种是第三种是。

以为例介绍本电路的工作模态（找了几篇参考论文，都没把各种工作频率下的工作模態介绍完全）

 

 在PSIM软件中对电路进行了仿真。
 
 

 
 
 

 
 

 
 

 闭环控制比较难仿真逻辑较复杂因此，先做开环控制的仿真通过自行改变三角波的频率，观察输出电压的变化
 
 

 
 

 
 
 

 
 

 
 
 

 
 

 
 
 

 
 

 
 
 

 
 

 
 
 

 仿真结果显示，三角载波由80KHz下降到160K输出电压也呈现下降趋势。
 
 

 全桥LLC的拓扑结构如下：
 
 

 
 
 

 和上面半桥LLC的区别是谐振电路的输入端是一个H桥全桥电路。
 
 

 

 全桥LLC电路同样分为三种情况第一个频段是。第二个频段是第三个频段是。详见参考文献[1]
 
 

 

 主要器件的信号波形如下：
 
 

 
 
 

 

 主要器件的信号波形如下：
 
 

 
 
 

 
 

 

 同样，仿真软件使用PSIM9.0
 
 

 
 
 

 
 

 
 
 

 
 

 
 
 

 
 

 
 
 

 
 

 
 
 

 
 

 
 
 

 
 

 
 
 

 仿真结果显示三角载波由80KHz下降到250K，输出电压也呈现下降趋势
 
 

 
 

 
 
 

 在参栲文献[2]中，设计的服务器电源的LLC拓扑就是本拓扑全桥拓扑中，变压器的原边电路中电容C2和二极管D2都是MOS管Q2所内置的；电容C4和二极管D4都是MOS管Q4所内置的。
 
 

 本拓扑中的变压器原边中使用了两个谐振电容和两个二极管，分别替代全桥LLC中的MOS管Q2和MOS管Q4
 
 

 同时，本拓扑中变压器的副边，比传统的LLC拓扑移动了一下元器件的位置。并采用同步整流以降低二极管的开关损耗
 
 

 参考文献[2]中介绍大的是一款效率符合Titanium（钛金级）標准的电源。但是没具体介绍单片机实现的方式另外找到了一款符合Platinum（铂金级）标准的电源请见参考文献[3]。主要是后者这款具有部分數字化逻辑框图。
 
 

 电路的硬件连接方式如下图：
 
 

 
 
 

 所需要采集的信号量为：1、谐振电感的电流；2、负载电压；3、负载电流；4、变压器中心抽頭的电压
 
 

 

 先做开环仿真验证系统是否可行：