基于TDS2285的正弦波逆變器設(shè)計(jì)

陳萍+劉西安

摘要：針對無線電能傳輸設(shè)備對逆變器更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男枨螅O(shè)計(jì)了一種性價(jià)比較高的正弦波逆變器。采用純硬件電路，其推挽升壓電路是由SG3525芯片生成PWM信號來控制的，全橋逆變電路是由TDS2285輸出SPWM信號來控制。該設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的逆變器比較，具備控制電路設(shè)計(jì)簡單、成本較低且逆變波形完美、電流畸變率低等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：逆變器；PWM；SPWM

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0034-02

逆變器，英文名稱為Inverter，主要工作功能是把直流電轉(zhuǎn)換成交流電。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，逆變器也廣泛應(yīng)用于日常生活中，如空調(diào)、電腦、電視、風(fēng)扇、照明、錄像機(jī)等設(shè)備。與此同時(shí)，電源質(zhì)量的指標(biāo)要求也不斷的提高。為了滿足這種需求，研制了一種由純硬件來實(shí)現(xiàn)的正弦波逆變器。與軟硬件結(jié)合的一般逆變器相比，省去了編程環(huán)節(jié)，具有性能穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，不會死機(jī)的特點(diǎn)。按照先用升壓斬波電路將直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓，再利用H橋逆變器電路將得到的新直流電壓逆成為所需要的正弦波交流這種工作原理。采用 PWM控制芯片 SG3525 作為主控芯片，來控制升壓斬波電路。采用純正正弦波逆變控制TDS2285 作為主控芯片來調(diào)節(jié)H橋逆變電路。并對裝置的所有功能需求做了相應(yīng)的設(shè)計(jì)，使逆變器運(yùn)行安全高效。

1 系統(tǒng)組成

升壓和逆變是逆變電源最主要的兩個(gè)功率變換環(huán)節(jié)，主要有兩種形式可以實(shí)現(xiàn)此性能：一種是先進(jìn)行全橋逆變輸出，再進(jìn)行隔離升壓輸出，為此得加一個(gè)工頻變壓器，相對增加了電路的體積、重量和設(shè)計(jì)成本，且其噪聲影響較大。另一種是采用兩級式級聯(lián)結(jié)構(gòu)，輸入直流電壓經(jīng)過整流升壓變換后再進(jìn)行逆變輸出，與第一種方式相比，由于省去了工頻變壓器，相對減小了系統(tǒng)的體積、重量和噪聲污染，并且其轉(zhuǎn)換效率比第一種方式高，因此裝置選用第二種實(shí)現(xiàn)方式。

本設(shè)計(jì)整個(gè)逆變器由升壓電路、SPWM 波形發(fā)生電路、死區(qū)電路、驅(qū)動電路、H 橋逆變電路組成。該裝置運(yùn)用12V的蓄電池作為直流電源，利用逆變器將該蓄電池電壓轉(zhuǎn)換成220V/50Hz的交流電。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 DC-DC升壓模塊設(shè)計(jì)

在硬件電路DC-DC升壓模塊設(shè)計(jì)中，分析了主電路工作原理，并結(jié)合設(shè)計(jì)需求選取元件參數(shù)，并對反饋電路、保護(hù)電路、控制電路和高頻變壓器進(jìn)行了全面合理的設(shè)計(jì)。該逆變器升壓電路是利用SG3525芯片來搭建的。此芯片是電流控制型PWM控制器芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖是由振蕩器、PWM 比較器、誤差放大器、基準(zhǔn)電壓源、觸發(fā)器、鎖存器和輸出驅(qū)動等部分組成。該芯片的工作原理是在芯片內(nèi)部有一個(gè)誤差放大器和一個(gè)脈寬比較器。誤差放大器用來輸出信號，脈寬比較器用來比較輸入端的線圈信號和誤差放大器的輸出信號。通過對PWM波占空比的跟蹤和控制。可以實(shí)現(xiàn)控制誤差電壓信號的變化的同時(shí)該脈寬比較器的輸出電流也會跟著變化。SG3525可以在0-3000KHZ的寬范圍頻率中正常工作，在12 V標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓下，輸出可以達(dá)到360 V。SG3525可以輸出兩路互補(bǔ)的方波，分別由11和14管腳輸出。之后，需要進(jìn)行整流則用了個(gè)全橋整流橋。開關(guān)管交替輪流工作輸出電壓波形具有對稱性，在DC—DC升壓模塊中變壓器的作用是非常重要的。低壓脈沖使脈沖變壓器升到預(yù)定電壓值，在經(jīng)過脈沖整流濾波電路獲得高壓直流。

2.2 DC-AC逆變模塊設(shè)計(jì)

在硬件電路DC-AC 逆變電路的設(shè)計(jì)中。首先對主電路的工作原理和控制原理進(jìn)行相應(yīng)的分析，然后確定主電路中的元件參數(shù)，根據(jù)需求設(shè)計(jì)了控制電路和驅(qū)動保護(hù)電路。此逆變電路是采用TDS2285芯片來實(shí)現(xiàn)SPWM 控制的。此芯片是一款基于 PIC 單片機(jī)開發(fā)的純正弦波逆變控制芯片，由5V電源供電，20mA 輸出引腳連續(xù)負(fù)載能力。該芯片內(nèi)部構(gòu)成電路簡單，有短路保護(hù)電路，可以控制交流電壓、電流反饋，同時(shí)可以完成工作狀態(tài)指示，并且精度可以達(dá)到20位。TDS2285芯片先經(jīng)過改良的雙極性SPWM調(diào)制，再經(jīng)過外部死區(qū)時(shí)間生成后，輸入經(jīng)MOSFET和IGBT.驅(qū)動電路至H逆變橋電路，輸出經(jīng)過簡單的濾波即可得到高品質(zhì)的純正正弦波電源。

TDS2285最大的特點(diǎn)是該芯片的核心電路很簡單。主要體現(xiàn)在三方面。第一，它是用程序產(chǎn)生SPWM波的芯片，所以省去了產(chǎn)生SPWM波的外部電路。第二，反饋電壓調(diào)節(jié)器是取輸出回路的直流信號經(jīng)整流進(jìn)行穩(wěn)壓的，所以穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路也非常簡單。第三，不需要考慮相移補(bǔ)償，所以電路大大簡化，元件的數(shù)量也大大減少。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

前 級 DC-DC 電 路 采用SG3525 芯片產(chǎn)生的 PWM 波 形 如 圖 3所 示 ，輸出兩路互補(bǔ)的 PWM 波形。

后 級 實(shí) 驗(yàn) 波 形 主 要 為 SPWM 的 測 試 和 交 流 輸 出 的 波形，如圖4所示為兩上橋臂 SPWM 互補(bǔ)驅(qū)動信號。 均無毛刺，可知 SPWM 波形輸出良好。

4 結(jié)束語

在無線電能傳輸技術(shù)的研究中，高頻逆變電路的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)難點(diǎn)，為了研制一種相對傳統(tǒng)逆變器來說，控制電路設(shè)計(jì)簡單，成本較低且逆變輸出波形品質(zhì)好的一種性價(jià)比較高的正弦波逆變器。本文設(shè)計(jì)了一種能達(dá)到要求的逆變器，其正弦波逆變器中的推挽升壓電路選用芯片SG3525生成PWM信號來控制，全橋逆變電路采用單片機(jī)TDS2285產(chǎn)生SPWM信號來控制。該逆變裝置能夠適應(yīng)高溫環(huán)境，滿足電子裝置的用電需求、技術(shù)復(fù)雜程度。對無線電能傳輸技術(shù)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，搭建了一臺無線電能傳輸裝置實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行了相應(yīng)的系統(tǒng)測試。分析了系統(tǒng)的 PWM 驅(qū)動波形和 SPWM 驅(qū)動波形，以及不同功率負(fù)載時(shí)的輸出電壓、頻譜響應(yīng)等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文設(shè)計(jì)的逆變器輸出波形圓滑而規(guī)整，所以基本可以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

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