一種新型單相全橋SPWM逆變器設計方法*

郭石壘，秦會斌

（杭州電子科技大學新型器件與應用研究所，杭州310018）

一種新型單相全橋SPWM逆變器設計方法*

郭石壘，秦會斌*

（杭州電子科技大學新型器件與應用研究所，杭州310018）

針對兩級式逆變器，在DC-AC逆變部分，采用單相全橋SPWM調制，再經過低通LC濾波，可輸出平滑正弦波。介紹了一種新型單相SPWM逆變器設計方法，通過驅動板產生單相脈寬調制正弦波，驅動板采用屹晶微電子的純正弦波芯片EG8010，驅動全橋回路，輸出經低通LC濾波，可輸出標準正弦波。逆變器驅動板和全橋拓撲以及外圍電壓反饋電路可實現正弦波逆變器的設計，制作了逆變器，試驗測試負載功率3 kW，輸出正弦波電壓波形較好。

SPWM；DC-AC逆變器；EG8010；LC濾波；全橋拓撲

在兩級式逆變器設計中，DC-AC逆變技術在生成正弦波時，多采用SPWM調制方式，調制輸出再通過低通LC濾波，可減小諧波含量，得到比較標準的正弦波［1-4］。

而實際設計逆變器時，產生SPWM驅動波方法較多，可以采用TDS2285專用芯片產生SPWM調制驅動波［5］，也有通過DSP編程產生SPWM驅動波［6，7］，在驅動電路板有時因布局產生問題。采用基于EG8010芯片的EGS002驅動板，可以對驅動電路直接整體更換，同時可以產生穩定SPWM驅動波，驅動全橋電路，經LC低通濾波，產生平滑正弦波。驅動板產生SPWM驅動信號，加上LC低通濾波，整機外圍器件少，運行穩定可靠。

1　驅動板介紹

驅動板EGS002是專門應用在單相純正弦波類逆變器驅動板，采用正弦波發生器芯片EG8010和IR2110s驅動放大芯片。給驅動板提供5 V電壓和10 V～15 V直流電壓，10 V～15 V直流電源可通過輔助電源得到［8］，即可輸出SPWM波，外加電壓反饋回路、溫度反饋和電流檢測回路即構成完整逆變器輸出，驅動板如圖1所示，各管腳功能介紹如表1所示［9］。

圖1EGS002驅動板及管腳圖

驅動板管腳描述如表1所示，管腳的序號和功能進行描述，如表1所示。

表1　驅動板管腳描述［9］

驅動板驅動上下開關管相互隔離，pin3、pin5、pin6為右橋臂驅動，pin8、pin9、pin10為左橋臂驅動［9］。

驅動板電路圖電路［9］如圖2所示。

圖2是驅動板的電路圖，由圖2可見，驅動板采用數字化純正弦波發生器芯片EG8010產生SPWM信號，引腳1-17，定義如表1所示，通過1LO和1HO輸出50 Hz基頻方波，如圖3中波形1所示；2LO和2HO輸出單極性調制波形，如圖3中波形2所示。

圖2　驅動板電路

圖3　驅動板驅動波形

其中1LO、VS1和1HO驅動逆變全橋的右橋臂，2LO、VS2和2HO驅動逆變全橋的左橋臂。

2　逆變部分全橋及濾波電路設計

2.1全橋拓撲及LC濾波設計

逆變器全橋拓撲結構如圖4所示，SPWM逆變器的諧波較高，需要采用二階LC低通濾波器，LC濾波器設計既要考慮濾波器的截止頻率，也要考慮濾波器的功率容量，濾波器可減小輸出電壓諧波含量且濾波阻頻特性好、濾波消耗功率少等特性［1-2，10-11］。

濾波器的傳遞函數為

式中：wL是LC諧振角頻率，是阻尼系數，Uin（s）是濾波器輸入電壓，Uout（s）是濾波器輸出電壓，S是Laplace算子。

圖4　單相SPWM拓撲

濾波器截止頻率遠小于PWM中所含最低次諧波頻率，且遠大于基波頻率（50 Hz），截止頻率選為載波頻率的1/10到1/5之間［1，12］。

w1為基波角頻率1/（2πf），Is是電感電流的基波有效值，Uo是電容電壓基波有效值，而濾波器的無功容量Q可用（3）式表示，

由式（2）的

對于電阻性負載，

結合上面各式，使無功容量Q最小且輸出功率最大，則可確定Uo和Io值。無功容量Q對L求導，可計算L數值，并確定電容C數值［1，10］。

2.2電壓反饋電路設計

電壓反饋采用工頻變壓器隔離反饋（相對于直接電阻反饋更穩定），經整流橋DB107S整流，通過調節可調電阻VAR值，VFB電壓約3 V，接驅動板的VFB管腳，可線性調節輸出電壓值，反饋電路如圖5虛線框所示［13］。

圖5　電壓反饋框圖

3　設計實例

基于EGS002驅動板，設計一款單相電壓型SPWM逆變器，逆變器參數，MOSFET選用IRFP32N50K，輸入電壓E的變化范圍為360 V～370 V，輸入電壓E可通過DC-DC變換［14］，從低電壓得到，逆變器的輸出電壓220 V，容量3 kW，輸出的基波頻率為50 Hz，調制載波頻率為23 kHz，逆變器拓撲框架如圖4所示。

電路參數濾波器參數，截止頻率為載波頻率的十分之一左右［1，12］，約2 kHz，計算選取電感為1.5 mH，電容為2.2 μF。根據設計電路，進行試驗，波形衰減100倍，輸出電壓有效值219 V，頻率50 Hz，LC濾波前Ui電壓波形有大量諧波組成，如圖6所示，而經LC濾波后，輸出電壓Uo電壓波形為平滑正弦波，如圖7所示。

圖6　LC濾波器前電壓Ui波形

圖7　逆變器輸出電壓波形

3 kW逆變器實物圖，如圖8所示。

圖8　逆變器實物圖

4　結束語

文章提出一種新型單相SPWM逆變器設計方法，采用分離式的驅動板，經計算的LC濾波參數通過試驗調整，可輸出比較理想的正弦波波形電壓，經試驗EGS002驅動板可應用在3 kW正弦波逆變器上。可插拔驅動板的應用，對逆變器的后期維護和降低檢修成本提供較大便利。

在非隔離單相正弦波逆變器設計上，運用驅動波形穩定的SPWM驅動板和合適耐電壓和耐電流的N-MOSFET開關管，以及LC低通濾波器，可較快速地實現逆變器的設計制作，可插拔驅動板的使用，對單相逆變器設計及推廣有積極意義。

［1］俞楊威，金天均，謝文濤，等.基于PWM逆變器的LC濾波器［J］.機電工程，2007，24（5）：50-52.

［2］張立廣，劉正中.SPWM逆變電源LC濾波器的研究與設計［J］.電子設計工程，2014，22（6）：172-174.

［3］Michael J R，Robert D L.A Synchronous-Frame Controller for a Single-Phase Sine Wave Inverter［J］.IEEE，1997：814-818.

［4］Roberto G，Eugenio G，Jesús L，et al.Transformerless Single-Phase Multilevel-Based Photovoltaic Inverter［J］.IEEE Trans on Industrial Electronics，2008，55（7）：2694-2702.

［5］王宇.一種雙極性調制SPWM逆變器的研究與設計［J］.電力學報，2014，29（3）：240-243.

［6］羅進，汪敏.DC 110 V/AC 220 V單相逆變器的研制［J］.電源技術，2015，39（3）：583-585.

［7］孟建輝，石新春，付超，等.新型高效率兩級式單相光伏并網逆變系統的研究與應用［J］.電力系統保護與控制，2013，41（20）：87-92.

［8］王俠，王進軍.基于UC3842的三路輸出小功率開關電源設計［J］.電子器件，2015，38（4）：785-788.

［9］屹晶微電子.EGS002正弦波逆變器驅動板用戶手冊V1.0［Z］.20111-6.

［10］賀映光，任小洪，方剛，等.單相PWM逆變器輸出濾波器優化設計［J］.電氣傳動，2010，40（11）：33-35.

［11］于寧，苑海濤，盧曉東，等.單極性SPWM全橋電壓紋波補償［J］.電氣傳動，2014，44（5）：18-21.

［12］宋強，劉文華，嚴干貴，等.大容量PWM電壓源逆變器的LC濾波器設計［J］.清華大學學報（自然科學版），2003，43（3）.

［13］屹晶微電子.EG8010 SPWM芯片數據手冊［S］.2011.

［14］李國彬.基于脈寬調制器SG3525的一種新型車載電源設計［J］.電子器件，2007，30（2）：484-486.

郭石壘（1984-），男，碩士研究生，山東菏澤人，研究方向為中小功率逆變器，guoshilei361@163.com；

秦會斌（1961-），男，山東泰安人，博士，教授，博士生導師，研究方向為新型電子器件設計及應用、抗電磁干擾技術，qhb@hdu.edu.cn。

A Novel Design Method for Single Phase Full-Bridge SPWM Inverter*

GUO Shilei，QIN Huibin*
（Institute of Electron Devices&Application，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

For the two-step inverter，with single phase full-bridge SPWM and low-pass LC filter，standard sine waveform inverter can be made.A novel method to design single-phase SPWM inverter was introduced.With the singlephase pulse width modulation sine wave from the driving-board，and the driving-board using Yi Jingwei electronics' pure sine wave chip named EG8010，and with LC low-pass filter circuit，then a sine waveform inverter can be made，experiments with this inverter show that the maximum power of inverter can reach to 3 kW.

SPWM；DC-AC inverter；EG8010；LC filter；full-bridge topology

TN46

A

1005-9490（2016）05-1261-04

項目來源：浙江省科技計劃項目（2015F0024）

2015-11-02修改日期：2015-11-24

EEACC:836010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.046