安阳师范学院 SPWM信号发生器的设计
（安阳师范学院 物电学院，河南 安阳 455000）
摘 要：随着电力电子技术的不断发展，逆变电路在现实生活中的重要越来越凸显，SPWM控制技术更是以在交流调速变频器和不间断电源中获得了广泛的应用，且取得广泛而成功的应用。
本系统采用比较和振荡电路来产生带一定死区延时的SPWM信号波，以给逆变主电路提供驱动信号。采用模拟电路来产生带有一定死区延时的SPWM信号，系统主要由SPWM产生电路模块以及保护电路组成，采用以分立元件ICL8038和CD4538组成的比较和振荡电路产生SPWM信号，以单片集成函数发生器ICL8038为核心，首先产生频率可以从0.001HZ到500KHZ范围变化的三角波和正弦波，通过集成运算放大器LM311比较后再通过一个非门即可得到上下两路互补对称的SPWM波形。为了使最后得到的SPWM波形带有一定的死区延时时间，在电路设计上将波形分别通过以单稳态触发器CD4528为核心的外围电路以产生几微秒死区时间以供给驱动电路驱动逆变器开关管关和断，改变信号发生器的频率和幅值就可以改变SPWM的频率和调制比，从而改变波形的频率和幅度； 关键词：SPWM；ICL8038；死区延时；CD4538
1 前言
1.1课题简介
新型电力电子器件和高性能微处理器的出现和发展，使得PWM技术已成为电力电子技术中非常重要的组成部分，而且全控型电力电子器件驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高，在中大容量整流和逆变电路领域如家用电器、办公设备电源、汽车电器及高科技领域得到了广泛的应用。PWM控制技术在逆变电路中的广泛而成功的应用，使PWM技术在整流电路中也开始应用，并显示了突出优越性，而SPWM控制技术可以很好的控制逆变电路中开关器件的导通与关断，从而得到良好的输出波形。 1.2 电力电子简介
随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外绝缘材料的缺陷也是一个问题。在现有的正弦波输出变压变频电源
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产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。本次课程设计研究采用模拟电路产生逆变所需SPWM控制信号，通过该模拟电路给单相桥式逆变主电路提供驱动信号。 1.3设计内容和要求 1.3.1主要内容：
1.设计一个能产生两路SPWM信号的系统，为逆变主电路提供控制信号； 2.产生的SPWM波带有几微秒的死区时间； 3.制做相关电路及装置；
4.结合逆变主电路进行整体调试；
1.3.2主要技术指标：
1.以实用、易用、成本低为目的，完成系统设计所列出的功能及参数； 2.基本技术指标：生成两路SPWM信号；
3.发挥部分功能：实现对主电路的保护，程控调节信号频率，扩展键盘
输入、显示功能。
2 系统方案论证
由于本课题与单相桥式逆变电路是相关配套课题，即：该课题为单相桥式逆变主电路提供两路SPWM控制信号。把希望输出的波形作为调制信号，把接收调制的信号作为载波，通过调制得到所需要的PWM波形，载波一般采用等腰三角波，当它与任何一个平稳变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻控制逆变器件IGBT或者MOSFET的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求，当调制信号波为正弦波时所得到的便是SPWM波形。SPWM的产生方式又分多种：
方案一：采用数字化规律采样法，将正弦波信号和三角波信号分别存于ROM中，然后将正弦波数据与三角波数据进行比较，输出两路SPWM信号，随着近几年来PLD器件不断换代更新，结合数字频率合成技术DDS，产生一种新的SPWM形成方法，推动了变频技术发展。DDS技术是一种直接数字合成方法，不需要震荡和锁相环节，直接将波形函数进行数字离散化，以时间为地址,幅度为量化数据,依次存入波形存储器，使连续的数据流通过数模转换器产生需要的波形。DDS使用基准时钟和相位累加技术控制存储器地址的变化,从而达到控制输出波形的相位,频率,幅度的变化。以往的DDS大多使用专用芯片，然而在某些场合，专用DDS芯片在控制方式、调节频率等方面与系统的要求差距很大，需要一种更加灵活的控制方式来达到这种要求。FPGA(现场可编程门阵列)以其可靠性高、功耗低、保密性强、灵活的程序设计等特点，在电子产品设计中得到广泛的应用，使系统设计工程师可根据自己的需要设计专用集成电路芯片(ASIC)。简化了系统的组成,同时极大的提高了系统组态的灵活性。目前市场上常用的FPGA芯片中都包括几K字节的静态RAM，这样的设计完全符合了DDS技术对存储空间的要求，从而利用 DDS技术，可在FPGA内部完成SPWM正弦脉宽调制波的形成。在具体程序设计时，使用Altera公司的MAX+PLUS II软件。采用此方案价格较贵，不符合性价比的要求。
方案二：利用具有的PWM发生电路的专用微处理器芯片（如80C196MC、TMS320F240等）产生PWM调制波，采用此方案同样价格较贵，不符合性价比的要求。
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方案三：采用比较和振荡电路产生SPWM信号，即利用模拟电路对三角载波与正弦调制波进行比较，采用以分立元件ICL8038和CD4538组成的比较和振荡电路产生SPWM信号，以单片集成函数发生器ICL8038为核心，首先产生频率可以从0.001HZ到500KHZ范围变化的三角波和正弦波，通过集成运算放大器LM311比较后再通过一个非门即可得到上下两路互补对称的SPWM波形。为了使最后得到的SPWM波形带有一定的死区延时时间，在电路设计上将波形分别通过以单稳态触发器CD4528为核心的外围电路以产生几微秒死区时间，CD4528或者CD4538的Q和Q非输出有缓冲，输出特性对称。该器件工作时，需外接一个电阻 Rx和一个电容 Cx，调节 Rx和Cx 数值，可得到两个不同宽度地单稳态脉冲，既可以调节Rx和Cx 数值久可以改变死去时间，就可以并且传输延迟时间不受Rx 和 Cx 变化地影响。最后产生上下互补对称的且带有2-4微秒死区延时的SPWM 波形以供给驱动电路驱动逆变器开关管关和断，改变信号发生器的频率和幅值就可以改变SPWM的频率和调制比，从而改变波形的频率和幅度；
在这几种方法中，模拟比较法特点是：电路设计简单，成本低廉，但与数字控制器接口不便，难以满足复杂要求。后者虽然简单，但是成本较贵。综合上述三种系统方案，考虑到题目对频率要求和成本等因素，最后采用模拟比较法来产生SPWM脉冲，以满足逆变主电路对驱动信号的要求。以下部分将详细介绍采用模拟电路产生SPWM信号波的原理及软件仿真实现。
3 仿真结果
3.1 载波和调制信号波的protues仿真
信号发生电路以单片集成函数发生器ICL8038为核心组成，该芯片仅需很少的外部元件就可以正常工作，用于发生正弦波、三角波、方波等，通过调节外接电容C1可以使频率从0.001HZ到500KHZ范围变化。以下是仿真部分：
三角波仿真原理图
仿真阶段经过多次参数调整，当选择以上各参数时得出三角波形较为理想，以下是仿真结果：
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三角波仿真波形图
正弦波仿真原理图
仿真阶段经过多次参数调整，当选择以上各参数时（C1取400—2000pf）得出50HZ正弦波形较为理想，以下是仿真结果：
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正弦波仿真波形图
3.2 SPWM信号波的multism仿真
4 模拟电路产生SPWM电路设计
通过以上对主电路的仿真，从而验证了该方案的理论的正确性，以下部分是对SPWM电路原理的具体实现。 4.1 PWM控制的基本原理
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