基于555 定時器的半橋逆變電路設(shè)計

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)

1 半橋逆變電路的設(shè)計背景

1.1 半橋逆變電路的設(shè)計背景

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]。

1.2 半橋逆變電路的工作原理

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 半橋逆變電路的控制電路、驅(qū)動電路設(shè)計

2.1 控制電路設(shè)計

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。

2.2 驅(qū)動電路設(shè)計

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。

3 電路主要參數(shù)計算

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）。

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(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5-6。

4.2 調(diào)試過程

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

5 結(jié)論

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。