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1、文 献 综 述题 目： 基于PIC16F877A的高功率 因数单相SPWM逆变器 2013年 11 月 23 日1 前言随着科技的不断发展与仪器的更新换代对电源的要求越来越高，各行各业对电气设备的控制要求也越来越高，对供电器件的要求也日益提高，可以说一种高性能的电源是科学研究与工业得以顺利进行的有力保障，从而出现了高频化开关电源、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的广泛使用1。逆变电源也应运而生，逆变电源技术是一门综合性的专业技术，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科。自20世纪60年代以来，电力电子技术迅猛发展，新型功率器件的开发促进了电源的高频化，功率MUSFET和IGBT可使
2、中小型逆变电源工作频率达到几百KHZ，软开关技术使电源高频化的实现有了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的效率；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使电源的动态性能和可靠性大大提高。在某种程度上可以说，这些相关技术的快速发展直接地带动了逆变电源技术发展。为实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性、减少体积和重量提供了坚实的基础。同时逆变电源的应用也越来越广泛，如：车载逆变电源、工频逆变电源、UPS等1。本系统的设计主要是基于16F877A核心处理器，设计采用软硬件结合的方法，利用面积等效法，并且基于PIC单片机的CCP模块实现对试验逆变系统的SP
3、WM控制。本系统的硬件主要包括：H桥整流滤波电路、功率因数校正电路、逆变电路、过流保护、死区电路、硬软件保护电路、驱动电路和自举电源。H桥整流滤波电路能快捷方便的产生文波较小的直流电压，提供给逆变电路进行DA转换；功率因数校正电路能够确保输入电压和电流的相位基本保持一致，减少交换功率的损失，提高电源效率；过流保护和硬软件保护电路用于保护整个逆变器的安全工作；SPWM信号通过死区电路后得到两路具有一定死区时间的反相SPWM信号，进而来控制驱动电路，使逆变电路不可能发生两路同时工作的情况。对比采用集成电路方法及其它的控制方法，具有易于扩展、控制灵活，便于调试等优点。2 主体单相变频电源的主电路采用
4、交一直一交电压型变频电路，主要由整流、滤波、功率因数校正、逆变组成。整流部分采用单相桥式整流模块，实现AC/DC的转换；滤波环节采用滤波电容来稳定直流电压；功率因数校正用于校正输入电压和电流的相位差，逆变部分采用单相桥式逆变模块，实现DC/AC的转换。变频电源的控制回路用来调节电源系统输出信号的频率和幅值，实现变压变频。为保证系统安全可靠，设置了过流保护电路、光耦隔离驱动电路、辅助电源电路等。2.1 主电路研究 主电路采用由整流电路、中间直流电路和逆变电路构成的间接交流变流电路，先将交流电整流为直流电，再将直流电逆变为交流电，是先整流后逆变的组合方式。整流部分有单相桥式全控整流、单相桥式半控整
5、流及单相桥式不可控整流，逆变部分有单相半桥逆变、单相全桥逆变，单相半桥逆变电路输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，适用于几kW以下的小功率逆变电源。而单相全桥逆变电路输出交流电压幅值为Ud，比半桥电路的幅值高出一倍。相比之下，全桥逆变电路在单相逆变电路中应用最多1。单相逆变器主电路的3种拓扑结构：半桥式、全桥式和推挽式。半桥电路输出端的电压波形幅值仅为直流母线电压值的一半，因此，电压利用率低，但是，可以利用两个大电容来进行自动补偿不对称波形；全桥电路和推挽电路的电压利用率是一样的，均比半桥电路大一倍，但二者都存在变压器直流不平衡的问题；推挽电路得管压降损失小
6、，驱动电路简单，但是在中、大容量逆变器中多采用全桥结构，它的控制方式比较灵活3。2.2 功率因数校正研究所谓功率因数校正，就是指从电路上采取措施，使交流电源输入电流实现正弦，并与输入电压保持同相。传统的AC/DC变换采用二极管全桥整流，输出端直接接大容量电容滤波器，造成交流电源输入电流中含有大量谐波。本系统采用TI公司新近推出的一种功率因数校正芯片UCC28019，该芯片采用平均电流模式对功率因数进行校正，适用于宽范围通用交流输入，输出为100W至2KW的功率因数变换器。该芯片开关频率固定为65KHz，具有峰值电流限制、软过流保护、开环检测、输入掉电保护、输出过压/欠压保护等众多系统保护功能，
7、使输入电流的跟踪误差产生的畸变小于1%，实现了接近1的功率因数。2.3 控制电路研究控制电路的功能是按照要求调节并产生一系列控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，从而配合逆变主电路完成逆变功能。逆变控制电路的形式多种多样，从大的方面来划分，有模拟电路和数字电路。基本上是将检测到的模拟信号和数字信号反馈回单片机，根据预先设定的程序或控制策略进行计算，然后通过数模转换输出控制信号，经过放大后控制电力电子电路来实现DC-AC变换。2.4 驱动电路研究驱动电路是主电路与控制电路之间的接口电路，合理的驱动电路可以使开关管工作在较理想的状态，缩短开关时间，提高系统的运行效率外，有些保护措施往往设在驱动电路
8、中，或通过驱动电路来实现3。驱动电路的基本任务是将信息电子电路传来的信号转换为加在器件控制回路中得电压或者电流，应具有一定的功率，使器件能够可靠地开通或者关断。驱动电路往往需要提供电气隔离环节。 目前，广泛使用的电力电子器件是MOSFET和IGBT，在常用的驱动电路中，变压器隔离驱动的驱动脉冲的占空比必须小于50%，而采用SPWM调制方式开关管的驱动脉冲不可避免的超过50%，因此，小容量逆变器中电力MOSFET多采用高电压隔驱动的集成芯片，在大容量逆变器中，IGBT则采用厚膜集成驱动电路模块。驱动电路的作用是将控制输出信号放大、并驱动功率晶体管。驱动电路的设计与运用可以从功率器件、电气隔离、开
9、关信号的类型、开关信号的频率四个方面加以综合考虑2。其中，电压型控制器件对驱动的要求有：（1）为了加快器件的导通与关断，须减小输入电容的充放电时间；（2）为了确保场控功率器件的开通或关断，驱动电压幅值要大于开启电压；（3）为了抑制高频振荡，栅极引线尽量短，同时外串一个电阻；（4）为了防止静电使功率器件误导通，通常在栅源之间并接一个双向稳压管。满足以上要求的驱动电路有三类：非电气隔离式驱动电路、光耦隔离电路和磁耦隔离式驱动电路。2.5 保护电路研究电力电子开关器件均有安全工作区的限制，也就是说都有电流、电压和瞬时功耗的极限值。尽管在设计时会合理选择器件，但一些不可预见的故障会威胁到器件的安全，所
10、以必须采取保护措施。主要的保护技术有以下几种：过电流保护、输出过压保护、输入电压抑制、输入欠压保护、过温保护、自锁保护、死区保护和器件控制极保护。同时为了抑制开关器件的电压变化率和电流变化率，减少开关损耗，还增加了开通缓冲电路和关断缓冲电路。完善的保护技术能够确保逆变系统稳定、安全可靠的工作。2.6 脉宽调制技术 脉宽调制技术是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。它的应用十分广泛，各种逆变电路都采用了PWM技术，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM技术的基本原理是面积等效原理，PWM波可以分为等幅PWM波
11、和不等幅PWM波。由于PWM波和正弦半波是等效的，则SPWM波就是脉冲的宽度按正弦波规律变化的等效PWM波形。控制方式有单极性和双极性两种，调制方式有同步调制和异步调制，生成方法有规则采样法和自然采样法。42.7 单片机应用研究由美国Microchip公司推出的PIC单片机系列产品，较51单片机有更多的优点(PIC单片机Peripheral Interface Controller是一种用来开发的去控制外围设备的集成电路（IC）)。首先采用了RISC结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LED驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。其中PIC16F877A6单片
12、机还具有专用功能模块：（1）串行通信和并行数据传送模块（2）捕捉比较脉宽调制模块（3）AD转换器（ADC）模块。2.8 课题研究构思 一种基于PIC系列单片机的SPWM逆变电源10中叙述了一种基于PIC系列单片机设计的SPWM逆变电源。该电源以12 V直流电压为输入,通过升压环节与SPWM逆变环节,得到了设定频率与电压的优质正弦交流电。应用开关电源的设计原理,在直流推挽升压模块中,采用了电压负反馈,使得升压后的高电压具有良好的稳定性;逆变部分采用单片机数字化SPWM控制方式,以尽可能地减少谐波。采用了基于单片机的数字化技术,使得电源调节灵活、性能可靠,为性能要求高的仪器设备提供了一种高品质的交
13、流电源。基于PIC单片机控制的正弦波逆变电源11主要介绍了采用PIC单片机来实现SPWM数字化调制控制的逆变电源设计方法， 给出了该逆变器的硬件电路工作原理、SPWM波形的产生方法以及PI控制算法，并通过PIC单片机完成了正弦波逆变控制器电源的设计与实验，结果证明，该电源调节灵活、性能稳定可靠。2.9 现状与发展目前的PWM逆变器研究领域中，输出变压器和交流滤波器的体积重量占主要部分。为了减小输出变压器和交流滤波器的体积重量、提高逆变器的开关频率，软开关逆变技术成为当今电力电子领域最活跃的研究内容之一。纵观逆变技术将不同形式的直流电能变换成不同的稳定或变化形式的交流电能供给用户，可以灵活地调节
14、输出电压或者电流的幅值和频率，控制速度快，保护性能好，使用电设备小型化、高效节能、具有更好的稳定性。3 总结结合各方面的文献资料对于现研究的单相SPWM逆变电源课题的初步构思有了大概的了解，而我个人认为采用双极性的PWM控制方式会比较符合逆变桥臂对角一组开关管同时工作的合理性，不至于半周期控制使得有一组开关管一直处于工作状态，以致散热不好，开关管烧毁的现象。驱动电路还应采用光耦隔离型的专用集成芯片，同时辅助电源可以采用自举电路，不仅电路结构简单，而且可以交替供给两组开关管工作。至于死区保护，我主观认为还是采用硬件电路实现方案好，若用软件来实现，程序容易错乱，会出现上下桥臂直通的问题。4 参考文
15、献1 张兆安，黄俊编著电力电子技术北京：机械工业出版社，2010.72 陈道炼编著DC-AC逆变技术及其应用北京：机械工业出版社，2003.113 杨荫福，段善旭编著.电力电子装置及系统M. 北京：清华大学出版社，2006.94 刘凤君编著.现代逆变技术及应用M. 北京：电子工业出版社，2006.95 谢运祥、欧阳森编著电力电子单片机控制技术北京：机械工业出版社，2007.16 李荣正，刘启中、陈学军编著.PIC单片机原理及应用（第2版）M. 北京：北京航空航天大学出版社，2005.17 童诗白、华成英主编模拟电子技术基础.第四版高等教育出版社，2006.58 阎石主编数字电子技术基础.第五版高等教育出版社，2005岁末9 张华林，周小方编著电子设计竞赛实训教程北京：北京航空航天大学出版社，2009.710周俊杰、钱晓耀、陈上挺.一种基于PIC系列单片机的SPWM逆变电源J.中国期刊数据库, 2008.4,25(4)：100-107.11谈扬宁、朱兆优、 王海涛.基于PIC单片机控制的正弦波逆变电源J.中国期刊数据库, 2009.8,11(8)：4-7.
