單相H橋逆變控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文章針對(duì)全橋逆變電路，提出了一種解決上橋臂為N溝道的控制方法，采用理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)主電路和控制驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并用Saber仿真軟件對(duì)所提方案進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：H橋逆變 SPWM控制 N溝道MOS管

1 概述

根據(jù)輸入逆變電路的電源性質(zhì)，可以將逆變電路分為電流型和電壓型兩種電路形式，通常采用電壓型逆變電路。本設(shè)計(jì)為單相逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，單相電壓型逆變電路有半橋逆變電路和全橋逆變電路兩種，其中半橋逆變電路有兩個(gè)橋臂，只有上橋臂，由兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成；而全橋逆變電路有上下兩個(gè)橋臂，由四個(gè)開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成。相對(duì)而言，半橋逆變電路更好控制，但卻較難實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)兩個(gè)電容的均壓?jiǎn)栴}，輸入側(cè)不均壓導(dǎo)致輸出交流電的質(zhì)量低，并且輸出交流電的幅值只能為輸入直流電的一半；而對(duì)于全橋逆變電路則存在上橋臂開(kāi)關(guān)管控制問(wèn)題，由于P溝道的耐壓相對(duì)N溝道較低，當(dāng)選擇耐壓較高的N溝道開(kāi)關(guān)管作為上橋臂的開(kāi)關(guān)器件時(shí)，存在寄生電容充放電等問(wèn)題，針對(duì)以上問(wèn)題，本文主要研究設(shè)計(jì)單相全橋逆變系統(tǒng)的控制。

2 系統(tǒng)方案確定

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本部分首先給出單相全橋逆變電路的主電路結(jié)構(gòu)并計(jì)算主電路參數(shù)，再給出控制驅(qū)動(dòng)電路方案。

2.1 主電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)要求輸出電能的質(zhì)量高，并有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，因此選擇單相全橋逆變電路作為主電路，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。單相全橋逆變電路的工作原理可以簡(jiǎn)單概括為：當(dāng)開(kāi)關(guān)管M3和M2導(dǎo)通、M1和M4閉合時(shí)，負(fù)載上的輸出電壓U0為負(fù)值；當(dāng)開(kāi)關(guān)管M1和M4導(dǎo)通、M3和M2閉合時(shí)，負(fù)載上的輸出電壓U0為正值；這樣輸出電壓U0就從直流電變成了交流電。通過(guò)改變各開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率，對(duì)四個(gè)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行時(shí)間上的配合控制，就可以實(shí)現(xiàn)輸出交流電的功能。

對(duì)于全橋逆變電路的主電路，主要選擇的器件是開(kāi)關(guān)管型號(hào)。而對(duì)于阻感性負(fù)載的電路，為防止電感中儲(chǔ)存的能量回流，導(dǎo)致同一個(gè)橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，造成短路，常在開(kāi)關(guān)管兩側(cè)并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管。現(xiàn)如今，逆變電路常用的全控型器件是電力MOSFET和IGBT，其中IGBT多用在大功率的場(chǎng)合，且內(nèi)部沒(méi)有寄生二極管；考慮到本設(shè)計(jì)對(duì)輸出功率要求不大，且MOSFET內(nèi)部已經(jīng)集成了寄生二極管，可以不用再額外設(shè)計(jì)續(xù)流二極管，因此，為了方便設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化計(jì)算，本設(shè)計(jì)采用MOSFET作為全橋逆變電路的開(kāi)關(guān)管。

2.2 控制電路設(shè)計(jì) 逆變電路常采用PWM和SPWM控制方式。PWM控制技術(shù)，就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行控制的技術(shù)，而SPWM控制技術(shù)基于PWM控制繁衍而生，原理相似，根據(jù)面積等效原理，將要求輸出的波形用一系列等副不等寬的脈沖代替，得到作用效果相同的新波形。現(xiàn)今，人們已經(jīng)不滿(mǎn)足于方波，而是希望輸出純凈的正弦波，也就是采用以正弦波作為調(diào)制信號(hào)、三角波作為載波的SPWM控制技術(shù)，故本設(shè)計(jì)采用以EG8010作為逆變電路控制芯片的SPWM控制技術(shù)作為全橋逆變電路的控制手段。

由于所采用的MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)型開(kāi)關(guān)管，因此加在MOSFET柵極上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓值應(yīng)大于柵極和源極之間的開(kāi)啟電壓。對(duì)于所選型號(hào)為FQPF8N90C的MOS管導(dǎo)通信號(hào)電壓應(yīng)該在10V左右。然而，EG8010芯片的供電電壓僅為+5V，驅(qū)動(dòng)能力不夠，應(yīng)考慮在控制電路與主電路之間加上一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，增加輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，保證MOS管正常工作。實(shí)際應(yīng)用中，往往還要考慮在控制信號(hào)與MOS管的柵極之間設(shè)置隔離，常用的隔離方法有光耦隔離與變壓器隔離。考慮到本設(shè)計(jì)既需要增強(qiáng)控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，又需要設(shè)置隔離，因此驅(qū)動(dòng)部分采用較常用的半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2110，它可以使輸出信號(hào)達(dá)到15V，又兼有電磁隔離和光耦隔離的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的選擇。由于IR2110是半橋驅(qū)動(dòng)芯片，而本設(shè)計(jì)需要驅(qū)動(dòng)的是全橋電路，故采用兩個(gè)IR2110芯片配合使用，實(shí)現(xiàn)全橋逆變電路的驅(qū)動(dòng)，如圖2所示。為保證電壓平滑無(wú)波動(dòng)，需在IR2110的+5V、+15V的直流電經(jīng)過(guò)一個(gè)0.1uF的普通電容和一個(gè)10uF的電解電容濾波后再供給IR2110的VDD和VCC引腳。

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圖2 IR2110驅(qū)動(dòng)單相全橋逆變電路結(jié)構(gòu)圖

IR2110芯片的VB引腳與VS引腳之間的自舉電容可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來(lái)選取，本設(shè)計(jì)采用10uF的電解電容作為自舉電容；VB引腳與VCC引腳間的自舉二極管選取FR107作為快恢復(fù)二極管。當(dāng)上半橋選擇N溝道的MOS管時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)MOS管，而是在驅(qū)動(dòng)信號(hào)與MOS管的柵極之間接一個(gè)柵極電阻，柵極電阻阻值與驅(qū)動(dòng)速度成反比，實(shí)際硬件電路中，需在柵極電阻上并聯(lián)一個(gè)二極管加快驅(qū)動(dòng)速度。而且為了消耗掉MOS管中的寄生電容并防止同一橋臂的兩個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通，需在柵極與源極之間接一個(gè)下拉電阻。

3 系統(tǒng)仿真與分析

在前面已經(jīng)確定了逆變系統(tǒng)的主電路和控制驅(qū)動(dòng)電路方案的基礎(chǔ)上，此部分以輸出60Hz頻率交流電為例，在Saber環(huán)境中對(duì)已設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了系統(tǒng)搭建與仿真分析，如圖3所示。由于控制信號(hào)與MOSFET的柵極之間需要進(jìn)行隔離，故接線圖中采用VCVS實(shí)現(xiàn)隔離功能，仿真輸出波形如圖4所示。由圖4可知，按照設(shè)計(jì)方案原理所做的仿真電路負(fù)載兩側(cè)的輸出電壓為正弦波，經(jīng)測(cè)量，波形的頻率為60.042HZ，故由仿真結(jié)果可知，本文所設(shè)計(jì)的EG8010控制全橋逆變實(shí)現(xiàn)逆變功能的方案可行。并且根據(jù)第三章所介紹的控制原理與方法可知，采用本設(shè)計(jì)方法將能夠很容易地實(shí)現(xiàn)調(diào)頻控制。

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圖3 單相全橋逆變電路仿真圖

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圖4 負(fù)載兩側(cè)電壓輸出波形圖

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)單相全橋逆變系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行分析與探討，驗(yàn)證了本文所提出的單相逆變系統(tǒng)控制方案具有可行性，解決了上下橋臂均為N溝道MOS管的導(dǎo)通問(wèn)題，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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基金項(xiàng)目：黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12531524）。

作者簡(jiǎn)介：王中鮮（1982-），男，黑龍江哈爾濱人，工程師，博士研究生，主要從事電力電子技術(shù)、電機(jī)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究。