中北大学2012届毕业设计说明书
4 逆变电源及其控制系统电路分析
逆变电源主电路图如
图4.1 逆变电源主电路原理图
由4个IGBT开关器件组成全桥逆变电路，采用一片IR2110驱动芯片实现自举式浮充驱动方式，结合浮充电容和快速恢复二极管，可以在一个驱动电源的条件下实现同一个桥臂上两个开关管的驱动，节省驱动电源数目。逆变器在开关管的消谐PWM控制下，低阶谐波已经得到了有效控制，在输出通过一级LC低通滤波，便可以输出较为理想的正弦波电压。在逆变电路直流输入侧取样电压和电流信号送到控制电流，可以实现输入过电压、欠电压、输出过电流、短路等保护功能。
以单片机为主的控制系统主要用来产生全桥逆变电路中开关管的驱动信号，并通过对线路电压和电流的实时采样来实现调节和保护。经过主电路分压获得的逆变电路直流母线侧输入电压信号，经过一级有运算放大器组成的射极跟随器后，送到窗口比较器。与设定的上下两个窗口阈值比较，如果窗口范围内则电压正常，负责输出过电压或欠电压故障信号；串联在直流母线上的电流采样电阻，其两端电压送运算放大器放大和抗干扰滤波处理后，与设定的过电流阈值比较，监视逆变器的输出或内部电路是否过电流。上述几种保护信号经过逻辑处理，送到单片机的外部中断请求输入脚，无论何种方式引起的故障信号，均可以向单片机提出中断请求，单片机响应中断，通过封锁所有开关管
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的驱动信号来实现保护，同时给出故障信号。
本实例选择以AT89C2051为主控制芯片，AT80C2051控制芯片是20引脚的小型CPU，具有15根I/O线、两个16位定时器、2KB存储器、128BRAM，是一种成本低、集成程度高的MCU芯片。将逆变器输出频率给定值以编码的方式输入，CPU根据读入的输出频率代码确定应选择的消谐PWM控制数据，并通过内部定时控制，按此规定的PWM控制数据对开关器进行切换，从CPU的I/O端口逆变桥开关管的驱动信号，实现消谐控制。 4.1 输入滤波、整流部分
该部分电路图如下图所示。单相电源经R13、滤波电容 C19、共模滤波电感和共模滤波电容C10、C11后，至整流桥，其中R22和C19组成差模滤波电路，而共模滤波电感和C10、C11构成共模滤波电路，输出地交流电经过R22、C19、共模滤波电感、C10、C11组成的、具有一定差模和共模抑制能力的EMI滤波器。而整流部分由整流桥和滤波电容C12、C13组成。而整流桥可将交流输入转换为直流电压，大电容C12、C13对直流输出电压进行滤波即可获得比较平稳的直流电压，作为后级逆变电路的输入电压.
图4.2 逆变电路的输入滤波、整流部分
4.2 电压和电流反馈测量部分
电压测量功能用作电压分压，及测量滤波、整流部分电路所属出的直流电压。电
流测量部分是采样电阻，由该电阻的压降来反映逆变电源主回路的电流大小。电压测量信号由BH端子给出，而电流测量信号（实际上是与电流成正比的一个输出电压）由端子Y2和Y1输出，这些测量信号输出到逆变电源的控制系统部分，为控制系统
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进行整个电路正常工作提供电压反馈信号。 4.3 电路电源部分
该部分电路如下图。电路包括电感、整流桥、滤波电容和稳压器件(7805)构成线性电源。这部分电路的作用给逆变电源的数字和模拟电路提供+15V和+5V的工作电压。
图4.3 逆变系统的电源部分
电感的作用是将经EMI滤波后的交流信号隔离传送到整流桥，然后得到波动较大的直流电压，经过滤波电容C8稳压后得到较为稳定的+15V直流电压;该+15V直流电压经稳压芯片7805稳压，并经过滤波电容C6 、C7整形后得到稳定的+5V直流电压。 4.4 驱动电路
驱动电路是根据控制系统的逻辑控制信号输出具有足够驱动能力的开关信号，使开关器件得到可靠的驱动信号而稳定工作。分立的电阻、电容和二极管都是集成器件IR2110的辅助元件，采用IR2110作为驱动器件的原因还在于该芯片能实现自举式浮充驱动方式，即用一个电源就能可靠驱动同一桥臂上的两个开关器件。以下对IR2110以及其自举式浮充驱动的原理进行进行详细介绍。
（1）IR2110芯片介绍 IR2110的特点：输出驱动隔离电压可达500V；芯片自身的门输入驱动范围位10-20V；输入端带施密特触发器；可实现两路分立的驱动输出，可驱动高压高频器件，如IGBT、功率MOSFET等。
（2）自举式浮充驱动的原理 根据以上对IR2110芯片的描述 这里对自举式浮充驱
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动的原理说明。
在下图中，MOS管V1-V4为IR2110中输出端的4歌驱动管。一般情况下，要驱动同一桥臂的上下两个开关管需要两个相互隔离的电源，但使用IR2110后，只需要一个电源即可。其基本原理是：由于V1和V2是互补驱动的，即V1、V2的驱动信号与V3、V4的驱动信号是相反的，这个容易做到。当给V3、V4正的驱动信号时，V3导通，V4关闭，则VCC通过V3、R2驱动V2开关管导通工作。当给V3、V4零驱动信号时，V3关断，切断V2的门极驱动，V4导通使V2处于关断状态。此时，VCC通过VD1给电容C充电，使电容C储存足够的电荷，为开关管V1的驱动提供足够的驱动能量。当给V1、V2正的驱动信号时，V1导通，V关断，C此时相当于一个电压源，通过V1、R1驱动开关管V1导通；而当给V1、V2零驱动信号时，V1关断、V2导通，开关管V1则关断。当V1导通时，BUS线上的主电压会串接再电容C上，使电容C的电位达到主电路电源电压值，该电压必须依靠非门DN1来阻断，因此二极管的反向耐压值高于主电路的直流母线电压。
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图4.4 IR2110的自举式浮充驱动的原理图
由此可知，自举电路必须在IR2110输人信号不断的高低电平变化中，且自举电容反复充、放电时，才能起到正常的自举作用，而当IR2110的输人信号是直流电平信号时，自举电容将不能完成电荷的储存，即不能得到正常的充电，因此也不能为高端二极管提供驱动信号。如果不解决IR2110此功能的不足，则当电机负载实际工作在占空比为1，负载两端电压为零时，电机将停止工作；同时也会给功率开关管带来很大的电流变化率，从而影响功率管的使用寿命和长期可靠性。
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