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1、一个简单的小功率三相变频电压源设计 摘要: 目前，大多数三相SPWM的实现都靠专用芯片，而专用芯片成本较高，对于小功率的逆变器就显得比较昂贵。基于此目的，本文提出用简单的模拟电路实现逆变器正弦脉宽调制的方案，并用此方法实现了小功率三相变频电压源的设计，得到较好的效果。关键词: 正弦脉宽调制 电压源 变频A Simple Design of Three-phase Small Power ConverterAbstracts: At present, most of the three phase SPWM technology are realized by special chips, bu
2、t those special chips cost very highly, especially for the small power converter. Based for the purpose, this paper develops a simple way named analogue circuit to realize SPWM control. This new way is proved in the design of three- phase small power converter and get good effect. Keywords: SPWM， po
3、wer supply，conversion1 引言正弦脉宽调制电路是随着脉宽调制技术的快速发展而成熟起来，它跟脉宽调制技术相比有很多优点 1，2。SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)脉冲信号的产生是一切变频装置的非常重要的一环，许多技术上的创新都集中在如何调制精确、工作稳定、性能优异的SPWM脉冲上。SPWM波的产生主要有三种方式：模拟电路，数字电路，大规模集成电路。数字电路是通过微处理器，借助于编程手段，通过实时控制或数据存储查表法，输出需要的SPWM波形。但是随着脉宽调制技术的广泛应用以及大规模集成电路的产生，国际上出现了多种专用的能够产生SPWM
4、波的大规模集成电路芯片。这种芯片对于提高系统的可靠性，减小实验单元体积在硬件方面提供了保证，但是造价高，有些芯片的价格竟高达两百多，这样对于一些试探性实验和要求成本低的小功率正弦逆变器就很不实用。模拟电路是用振荡器产生正弦波和三角波，通过比较器给出信号，来控制逆变电路中桥臂上下开关元件的导通与关断。这种电路虽然元件多、线路复杂、精度不高，但是因为它比较容易自行搭建，而且成本比数字电路和集成芯片都低。对于一些小功率并且精度要求不高，而成本要求低的逆变电源，模拟电路方法还是具有其可行之处。本文目的是设计一个三相小功率正弦变频电源，主要参数为：输入单相直流电压Vin =12V，输出三相正弦交流，每相
5、电压值Vo=40V，输出交流频率fo在20100Hz范围内可调。为了降低设计成本，本文就是用模拟电路完成三相小功率变频电压源控制电路的设计。2 主电路方案本文目的是设计一个三相变频电压源，需要选择合适的逆变主电路。三相桥式逆变电路可以把直流电变换成频率和电压大小均可调的三相交流电形式。它是由三个单相逆变电路组合而成，所以直流侧需要两个电容器串联，还需要控制两个电容器电压的均衡，因此常用于小功率负载的情况下，所以主电路选择三相桥式逆变电路3。本文从12V不可能直接逆变到40V，所以还有一个升压环节，有两种方案：（1）选择先Boost升压后逆变；（2）直接先逆变成低频正弦电压然后用低频变压器升压。
6、两种方案比较显然选择前者，这样可以避免使用低频变压器，导致逆变器的总重量增加。所以总体设计原理框图如图1， 图1 系统原理图Fig.1 The principle block diagram of design图2为三相桥式逆变电路的主电路拓扑。图2三相全桥逆变电路主电路结构Fig .2 The main circuit of three-phase full-bridge inverter3 控制方案设计本文设计的小功率变频电压源的控制电路主要由两个部分构成：（1）Boost升压控制部分（2）SPWM脉冲信号产生部分。其中Boost变换电路的控制可以直接用普通PWM芯片实现，本文用TL494
7、芯片，只要控制好芯片输出脉冲的占空比就可以得到理想的脉冲，这里就不再赘述。关键部分是三相桥式逆变控制电路的设计，本文主要目的在于用简单方法实现三相小功率变频电压源,选择模拟电路实现SPWM控制比较简单。模拟电路实现SPWM控制也包括两个部分：三相正弦信号产生部分和脉宽调制部分。主要控制电路图如下：图3 三相逆变电路的控制部分缩略图Fig. 3 Part of the control circuit of three-phase converter该控制电路元器件很普通，主要用六个运放和三个TL494组成，由于每相电路都一样，图4只给出了其中一相A相的详细电路图。图中三相正弦信号是由RC移相振荡
8、产生，该电路可输出Va、 Vb、Vc三相电压。三相振荡器是由三个参数一样的恒幅移相器A4、A5 和A6环形串接而成。为了减少移相器间的影响，又加入了三个电压跟随器A1、A2 和A3。变频调节是通过调节电阻R10、R11和R12和电容C1、C2和C3的大小实现。该电路输出频率计算公式如下 ： f=1/ (2RC)只要适当选择R和C的参数，就可以得到不同频率的正弦信号4，但是必须保证这三个电阻或者三个电容同时调节，且大小保持一致。当C1、C2和C3的值取为0.039F时：R10、R11和R12三个电阻从120K到20K的范围内变化时就可以保证频率变化范围为20100Hz，正弦信号的频率变化就可以使
9、输出电压频率变化，达到变频的目的。当R=47K，频率为50Hz。另外在三相振荡电路中，除了一个负反馈外还在负反馈电路上并联了一个电阻和两个反向串联稳压二极管，稳压二极管的参数选为3.3V，目的是为了减少非线性失真，和稳压二极管相串联的电阻R13、R14和R15的取值有一定的要求，它要比反馈电路的电阻大得多，这样可以保证对负反馈影响不大而又可以抑制非线性失真。同时电路中电阻应选精密电阻，移相电容选用D级云母电容R4、R5和R5的阻值在100101K之间。在本控制电路中由三相振荡器产生的三相正弦信号电压Va、 Vb、Vc没有直接去和TL494芯片内部产生的锯齿波比较，而是接了一个调压电阻，如图4中
10、所示，因为在电路衔接的时候需要注意控制正弦信号的幅值，使之不超过锯齿波的最大幅值，否则就没法比较出脉冲。4 驱动电路的设计驱动电路控制主要是实现脉冲放大和保护开关管，可以采用TTL自举电路，本设计的开关管是用MOSFET，它是电压型控制器件，驱动电路相对电流型来说简单，驱动功率小。对本设计只要求上下两管有一定的死区不能同时导通就可以。图4就是本设计的自举电路拓扑，为三相驱动电路的拓扑中的一相电路结构。图4 MOSFET的驱动电路Fig.4The drive circuit of MOSFET该电路采用一个辅助的开关管V0的导通和关断延时来使上下桥臂V1、V2获得一个死区时间。具体工作原理是：当
11、信号脉冲一到，开通V0和V2，但并不是两个MOSFET同时导通，必须保证V0比V2导通快。如果使V0和V2同时开通时，而V1还没完全关断时，V2就开通，会导致V2和V1同时导通类似于短路状态，容易烧毁器件。所以为了电路安全工作，用辅助开关管V0先开通来使V1迅速被短路而关断。设置V0的栅极电阻R4=510，而V2的栅极电阻R5=2K，当驱动脉冲到来，MOSFET管V0、V2的栅极电容通过各自的栅极电阻充电，显然V0的充电时间常数小（电容充放电时间常数=RC），如按4.0V的栅极电压即开通MOS管计算：对于V0管，假设栅极电容充电电压12V，即栅极电容充满，充电电阻1k，根据一阶电路暂态和稳态的
12、表达公式，和电容的充放电瞬时电压计算公式，可得V0管的导通延迟时间如下：式中C=910pF为本设计所用到MOSFET管IRF530的栅极电容。V0管导通后，V1上的栅极电压就通过栅极电阻经V0在极短时间内放完，V1管迅速截止，其延迟时间可以忽略不计。对于V2管，假设充电电压10V，充电电阻1.8k，则V2的导通时间：由上面比较可见，这样设计电阻就可以使V2比V0导通的慢。V1管截止0.47S后，V2管才开始导通，则它们间有0.47S的死区时间。所以V0先于V2开通。V0一开通，直流母线电压一方面通过二极管D1和电阻R1、 开关管V0直接将V1短路，此时V2再开通，就比较安全；另一方面直流母线电
13、压又通过二极管D1给1mF的电容充电，为V1 的开通做好准备。 当驱动脉冲进入低电平期间，V2必须比V0先关断，主要原因也是为防止V1 、V2上下桥臂同时导通。此时V2的栅极放电电阻为10，所以关断时从栅极抽出电流速度很快，这样迅速放电，其延迟时间可以忽略不计。而V0管栅极放电电阻0.51k。放电时间约为：若忽略V1管的开通时间，即V2管关断0.2S后，V1管才开通。这样设置就相当于给V2和V1的开通和关断提供了至少0.2S死区时间。在本文的驱动电路中还有一个二极管D1如图4所示，此二极管的设计目的是防止逆变的直流电压微小变化时影响驱动电路。当V1 、V0导通的同时，直流电压通过二极管给电容充
14、电。当V1 、V0都关断时，电容通过电阻给V1栅极供电。因此，此电容必须足够大使得所充的电足够使V1导通，电容的取值通常必须满足C10Ciss，（其中Ciss为是场效应管漏源极短路时的输入电容）本文设计时选IRF530的Ciss为910pF，为了保证电容量足够大，本设计取 C=1mF。另外场效应管的栅源电压UGS的绝对值不能超过20V，因为栅源之间的绝缘层很薄，一旦栅源电压过大就会导致绝缘层击穿。5 仿真结果本文用4个TL494实现脉宽调制，驱动电路用了3个辅助开关管。另外升压开关管选用通流较大的IRF540。在SIMetrix仿真软件上得到的相应的波形如下，图5为控制电路主要输出波形：(a)
15、 R=47K,C=0.039F,频率为50Hz RC移相正弦信号产生电路输出波形(b)三相信号中的一相SPWM调制电路输出波形图5 控制电路输出波形Fig.5 The waveform of control circuit图6三相变频电压源输出波形Fig.6The output waveforms of three-phase full-bridge inverter6 结论本文针对三相逆变器提出了一种简单实现SPWM的控制方法。该方法设计特点就是思路简单,电路方便易实现。从仿真结果可以看出三相逆变器用本文提出的简单实现SPWM控制的方法得到很好的效果，用普通的PWM调制芯片就实现了SPWM控
16、制，可以大大减少逆变器的成本，具有很好的应用价值。参考文献1Hava A M,Kerkman R J, Lipo T A .Simple analytical and graphical methods for carrier based PWM-VSI drivers .IEEE Trans. Power Electronics,1999,14(1):49 -612王永，沈颂华，吕宏丽，曹宇. 基于简单电压空间矢量三相逆变器的研究. 电工技术学报，2005，第20卷第10期：25-293刘凤君. 正弦波逆变器.科学出版社，2000: 319-3304彭介华电子技术课程设计指导高等教育出版社,1997: 64-70 5李宏. 电力电子设备用器件与集成电路应用指南(第2册). 机械工业出版社,2001
