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(diào)制，再經(jīng)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(chǎn)生單相脈寬調(diào)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(jīng)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(xiàn)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(diào)制方式，調(diào)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(chǎn)生SPWM驅動波方法較多，可以采用TDS2285專用芯片產(chǎn)生SPWM調(diào)制驅動波［5］，也有通過DSP編程產(chǎn)生SPWM驅動波［6，7］，在驅動電路板有時因布局產(chǎn)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(chǎn)生穩(wěn)定SPWM驅動波，驅動全橋電路，經(jīng)LC低通濾波，產(chǎn)生平滑正弦波。驅動板產(chǎn)生SPWM驅動信號，加上LC低通濾波，整機外圍器件少，運行穩(wěn)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(fā)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(shù)字化純正弦波發(fā)生器芯片EG8010產(chǎn)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(diào)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?nèi)珮虻挠覙虮郏?LO、VS2和2HO驅動逆變?nèi)珮虻淖髽虮邸?/p>

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(shù)為

式中：wL是LC諧振角頻率，是阻尼系數(shù)，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(shù)值，并確定電容C數(shù)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(wěn)定），經(jīng)整流橋DB107S整流，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻VAR值，VFB電壓約3 V，接驅動板的VFB管腳，可線性調(diào)節(jié)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(shù)，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(diào)制載波頻率為23 kHz，逆變器拓撲框架如圖4所示。

電路參數(shù)濾波器參數(shù)，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(jù)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(jīng)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(jīng)計算的LC濾波參數(shù)通過試驗調(diào)整，可輸出比較理想的正弦波波形電壓，經(jīng)試驗EGS002驅動板可應用在3 kW正弦波逆變器上?？刹灏悟寗影宓膽?，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(wěn)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(xiàn)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。

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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