基于555 定時器的半橋逆變電路設計

江 慧 房家陽

(東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱150040)

1 半橋逆變電路的設計背景

1.1 半橋逆變電路的設計背景

逆變電路已經廣泛應用于工農業生產和生活中，對于蓄電池、干電池、太陽能電池等這些已有的直流電源，當需要這些電源向交流負載供電時，就需要逆變電路。而單相電壓型半橋逆變電路是最基礎也是最簡單的一種無源逆變電路，它有兩個橋臂，每個橋臂由一個可控器件和一個反并聯二極管組成，在直流側接有兩個互相串聯的足夠大的電容。

半橋逆變電路的優點使簡單，使用器件少，并且其他復雜的逆變電路也是以半橋逆變的結構為基礎加以拓展，原理大致相同。因此學會如何設計電壓型半橋逆變電路及實現半橋逆變電路工作頻率的調節變得十分重要[2]。

1.2 半橋逆變電路的工作原理

系統方案如圖1 所示，在電路原理框圖中，包含直流電源和半橋逆變電路分構成電路的主電路，指揮主電路中逆變橋正確工作的驅動電路和控制電路以及由電阻電容組成的保護電路(圖2)。

本方案采取的半橋逆變器由主電路，控制電路，驅動電路，保護電路四部分組成。

其中主電路為單相半橋逆變電路，控制電路由555 定時器和邏輯非門構成，驅動電路通過推挽電路來實現，保護電路通過跨接電容電路實現。

工作原理如下：控制電路以555 定時器為核心，利用可變電阻器產生一系列頻率可調的方波，通過與邏輯非門產生反相的方波，經過推挽電路進行放大構成驅動電路驅動開關器件IGBT的導通和關斷[3]。在主電路側通以24V 的直流電壓可產生10kHZ-200kHZ 頻率可調的交流電壓，且通過電路中器件參數的設定實現固定工作頻率為85kHZ 的電壓輸出。在開關器件外加電容構成保護電路，使電路能承受過電壓和過電流。

圖1 電路框圖

圖2 電路原理圖

2 半橋逆變電路的控制電路、驅動電路設計

2.1 控制電路設計

2.1.1 控制電路設計圖

控制電路以555 定時器為核心，采用555 定時器構成的多諧振蕩器，改變電阻電容的值就可以改變多諧振蕩器產生方波的頻率，通過對其輸出端加74LS04 反相器可得到相位相差180度的另一可調頻率脈沖，由于驅動電流不夠，通過推挽電路將電流進行放大，用放大后的兩個可調頻率脈沖控制主電路中IGBT的導通和關斷。控制電路設計如圖3所示。

2.1.2 555 定時器工作原理

555 定時器的功能主要由兩個比較器決定[4]。由圖3 可知，兩個比較器的輸出電壓控制RS 觸發器和放電管的狀態。在電源與地之間加上電壓，當5 腳懸空時，則電壓比較器C1的同相輸入端的電壓為2VCC/3，C2的反相輸入端的電壓為VCC/3。若觸發輸入端TR 的電壓小于VCC /3，則比較器C2 的輸出為0，可使RS觸發器置1，使輸出端OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則C1 的輸出為0，C2 的輸出為1，可將RS 觸發器置0，使輸出為低電平。

為了使555 定時器能產生一定頻率的方波，要使555 定時器工作于無穩態工作模式，可輸出連續的特定頻率的方波。電阻R1 接在VCC 與放電引腳(引腳7)之間，另一個電阻(R2)接在引腳7 與觸發引腳(引腳2)之間，引腳2 與閾值引腳(引腳6)短接[8]。工作時電容通過R1 與R2 充電至2/3VCC，然后輸出電壓翻轉，電容通過R2 放電至1/3VCC，之后電容重新充電，輸出電壓再次翻轉。

無穩態模式下555 定時器輸出波形的頻率由R1、R2 與C 決定。

對于雙極型555 而言，若使用很小的R1 會造成OC 門在放電時達到飽和，使輸出波形的低電平時間遠大于上面計算的結果。

為獲得占空比小于50%的矩形波，可以通過給R2 并聯一個二極管實現[7]。這一二極管在充電時導通，短路R2，使得電源僅通過R1 為電容充電;而在放電時截止以達到減小充電時間降低占空比的效果。

2.2 驅動電路設計

經過555 定時器輸出頻率可調的方波，經過反相器74LS04構成驅動電路可以使方波反相，但是輸出電流很小，其數值無法滿足IGBT 的啟動與關斷，因此需要加入推挽電路來進行電流的放大，推挽電路的主要作用是增強驅動能力，為外部設備提供大電流。推挽輸出是用兩個晶體管或者場效應管構成的推挽電路（在模擬電路中應用很廣泛如功放驅動電機驅動等等），這個電路的特點就是輸出電阻小，所以能夠驅動大的負載[5]。

圖3 控制電路

圖4 推挽電路原理圖

推挽電路結構為雙管工作在線性放大區，其共輸入端，共輸出端。輸入信號正半周信號由NPN 上管放大，發射極輸出；負半周信號由PNP 下管放大，發射極輸出；正半周時，下管截止，負半周時，上管截止，二管各負其責分工明確。輸出端的負載RL，將正負半周波形合成為一完整波形[6]。電路圖如圖4 所示。

通過推挽電路放大，使輸出電流可以達到接近2A，這樣就可以驅動IGBT。

3 電路主要參數計算

為了使555 定時器可以實現輸出10KHZ-200KHZ 的方波，需要設置555 定時器R1,R2 及C 的參數。通過公式計算頻率：

占空比可用以下公式計算：

通過計算可得出不同頻率下R1,R2,C1 的值（見表1）。

4 總體電路仿真

4.1 總體電路仿真及其波形圖

總體電路通過Multisim 進行仿真，結果如圖5-6。

4.2 調試過程

4.2.1 調試控制電路：按照PCB連接并檢查555 定時器線路，在確保沒有出現問題后將555 定時器接12V 電源，用示波器一端接定時器第三引腳，另一端接地。

4.2.2 調試驅動電路：按照PCB連接74LS04 和推挽電路，在確保沒有出現問題后, 將555 接通12V 電源，74LS04 接通5V 電源，用示波器測量反向后的電壓波形

4.2.3 調試總電路：按照PCB 連接所有電路后，在確保沒有出現問題后，再給主電路接通24V 電壓，用示波器測量負載兩端波形。

表1 不同頻率下阻值表

圖5 總電路仿真

圖6 總電路波形

5 結論

單相電壓型半橋逆變電路作為最基礎的逆變電路可實現直流電到單相交流電的轉換，針對于不同電路需要不同頻率的交流電，因此為得到頻率可調的交流電對驅動電路和控制電路有一定的要求。本設計采用555 定時器及推挽電路，結構簡單，操作方便，較好的完成了頻率可調的交流電的設計要求。