江 慧 房家陽
(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150040)
逆變電路已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(dāng)需要這些電源向交流負(fù)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(chǔ)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(lián)二極管組成,在直流側(cè)接有兩個互相串聯(lián)的足夠大的電容。
半橋逆變電路的優(yōu)點使簡單,使用器件少,并且其他復(fù)雜的逆變電路也是以半橋逆變的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)加以拓展,原理大致相同。因此學(xué)會如何設(shè)計電壓型半橋逆變電路及實現(xiàn)半橋逆變電路工作頻率的調(diào)節(jié)變得十分重要[2]。
系統(tǒng)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(gòu)成電路的主電路,指揮主電路中逆變橋正確工作的驅(qū)動電路和控制電路以及由電阻電容組成的保護(hù)電路(圖2)。
本方案采取的半橋逆變器由主電路,控制電路,驅(qū)動電路,保護(hù)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(gòu)成,驅(qū)動電路通過推挽電路來實現(xiàn),保護(hù)電路通過跨接電容電路實現(xiàn)。
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(chǎn)生一系列頻率可調(diào)的方波,通過與邏輯非門產(chǎn)生反相的方波,經(jīng)過推挽電路進(jìn)行放大構(gòu)成驅(qū)動電路驅(qū)動開關(guān)器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷[3]。在主電路側(cè)通以24V 的直流電壓可產(chǎn)生10kHZ-200kHZ 頻率可調(diào)的交流電壓,且通過電路中器件參數(shù)的設(shè)定實現(xiàn)固定工作頻率為85kHZ 的電壓輸出。在開關(guān)器件外加電容構(gòu)成保護(hù)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
2.1.1 控制電路設(shè)計圖
控制電路以555 定時器為核心,采用555 定時器構(gòu)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(chǎn)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(diào)頻率脈沖,由于驅(qū)動電流不夠,通過推挽電路將電流進(jìn)行放大,用放大后的兩個可調(diào)頻率脈沖控制主電路中IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷。控制電路設(shè)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(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓,當(dāng)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(fā)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(fā)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(fā)器置0,使輸出為低電平。
為了使555 定時器能產(chǎn)生一定頻率的方波,要使555 定時器工作于無穩(wěn)態(tài)工作模式,可輸出連續(xù)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(fā)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(zhuǎn),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(zhuǎn)。
無穩(wěn)態(tài)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(dá)到飽和,使輸出波形的低電平時間遠(yuǎn)大于上面計算的結(jié)果。
為獲得占空比小于50%的矩形波,可以通過給R2 并聯(lián)一個二極管實現(xiàn)[7]。這一二極管在充電時導(dǎo)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(dá)到減小充電時間降低占空比的效果。
經(jīng)過555 定時器輸出頻率可調(diào)的方波,經(jīng)過反相器74LS04構(gòu)成驅(qū)動電路可以使方波反相,但是輸出電流很小,其數(shù)值無法滿足IGBT 的啟動與關(guān)斷,因此需要加入推挽電路來進(jìn)行電流的放大,推挽電路的主要作用是增強(qiáng)驅(qū)動能力,為外部設(shè)備提供大電流。推挽輸出是用兩個晶體管或者場效應(yīng)管構(gòu)成的推挽電路(在模擬電路中應(yīng)用很廣泛如功放驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動等等),這個電路的特點就是輸出電阻小,所以能夠驅(qū)動大的負(fù)載[5]。
圖3 控制電路
圖4 推挽電路原理圖
推挽電路結(jié)構(gòu)為雙管工作在線性放大區(qū),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(fā)射極輸出;負(fù)半周信號由PNP 下管放大,發(fā)射極輸出;正半周時,下管截止,負(fù)半周時,上管截止,二管各負(fù)其責(zé)分工明確。輸出端的負(fù)載RL,將正負(fù)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(dá)到接近2A,這樣就可以驅(qū)動IGBT。
為了使555 定時器可以實現(xiàn)輸出10KHZ-200KHZ 的方波,需要設(shè)置555 定時器R1,R2 及C 的參數(shù)。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)。
總體電路通過Multisim 進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖5-6。
4.2.1 調(diào)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(xiàn)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(diào)試驅(qū)動電路:按照PCB連接74LS04 和推挽電路,在確保沒有出現(xiàn)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(diào)試總電路:按照PCB 連接所有電路后,在確保沒有出現(xiàn)問題后,再給主電路接通24V 電壓,用示波器測量負(fù)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
單相電壓型半橋逆變電路作為最基礎(chǔ)的逆變電路可實現(xiàn)直流電到單相交流電的轉(zhuǎn)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(diào)的交流電對驅(qū)動電路和控制電路有一定的要求。本設(shè)計采用555 定時器及推挽電路,結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,較好的完成了頻率可調(diào)的交流電的設(shè)計要求。