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3以关断信号,这时如>,0,则V1,V4通,如果<,0,则VD1和VD4通,不管哪种情况都是输出电压等于.当<,时,给V2和V3以导通信号,给V1和V4以关断信号,这时<,0,则V2和V3通,如>,0,则CD2和VD3通,不管哪种情况都是等于-.图3-6双极性PWM控制方式波形
可以看出,单相桥式电路既可采取单极性调制,也可采取双极性调制,由于对开关器件通断控制的规律不同,它们的输出波形也有较大的差别.
3.3正弦波脉宽调制技术的实现方法
3.3.1软件生成法
由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易,因此,软件生成法也就应运而生.软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法,其有两种基本算法,即自然
自然采样法是以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法.其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制.
规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的,这种方法称为对称规则采样.当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非对称规则采样[7].
规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦.其缺点是直流电压利用率较低,线性控制范围较小.
除上述两种方法外,还有一种方法叫做等面积法.该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释,用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算
3.3.2硬件调制法
硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形.其实现方法简单,可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制,就可以生成SPWM波[8].而且随着电力电子技术的发展,现在已经产生了多种可以产生SPWM波的芯片,如TL494,SG3525A等,这些集成芯片的出现使得电路的设计大大简化,而且功能更加齐全.本次设计就采用硬件调制法,通过使用脉冲调制芯片来产生所需要的正弦脉冲调宽波.
图3-5单极性SPWM波波形示意图
4逆变电源元器件特性及各部分电路设计
4.1逆变电源主要分立元件及其应用
4.1.1场效应管
图4-1MOSFET代表符号图
场效应管是一种适应开关电源小型化,高效率化和高可靠性要求的理想器件.它是利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件.其代表符号如图4-1.这种器件不仅兼有开关速度快,无存储时间,体积小,重量轻,耗电省,寿命长等特点,而且还有输入阻抗高,噪声低,热稳定性好,抗辐射能力强和制造工艺简单等优点,因此大大的扩展了它的应用范围,特别是在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用.MOSFET开关较快而无存储时间,故在较高工作频率下开关损耗较小,另外所需的开关驱动功率小,降低了电路的复杂性.本设计采用的是N沟道增强型MOSFET.只有在正的漏极电源的作用下,在栅源之间加上正向电压(栅极接正,源极接负),才能使该场效应管导通[10].当>,0时才有可能有电流即漏极电流产生,即当时MOS管才导通.
4.1.2稳压管
图4-2稳压管代表符号
稳压管又称齐纳二极管,是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管,其代表符号如图4-2所示.这种管子的杂质浓度比较大,空间电荷区内的电荷密度也大,因而该区域很窄,容易形成强电场.当反向电压加到某一定值是,反向电流激增,产生反向击穿.稳压二极管工作在反向击穿状态时,其两端的电压是基本不变的.利用这一性质,在电路里常用于构成稳压电路.稳压二极管构成的稳压电路,虽然稳定度不很高,输出电流也较小,但却具有简单,经济实用的优点,因而应用非常广泛.
图4-4与门代表符号
表4-174LS08功能表
输入输出ABY等于ABLLLLHLHLLHHH
4.1.4变压器
图4-5变压器代表符号
开关电源变压器是加入了开关管的电源变压器,在电路中,除了普通变压器的电压变换功能,开关电源变压器还兼具绝缘隔离与功率传送功能.开关电源变压器一般用在开关电源等涉及高频电路的场合开关电源变压器和开关管一起构成一个自激(或他激)式的间歇震荡器,从而把输入直流电压调制成一个高频脉冲电压.起到能量传递和转换作用.在反激式电路中,当开关管导通时,变压器把电能转换成磁场能储存起来,当开关管截止时则释放出来.在正激式电路中,当开关管导通时,输入电压直接向负载供给并把能量储存在储能电感中.当开关管截止时,再由储能电感进行续流向负载传递
开关变压器一般都是工作于开关状态,当输入电压为直流脉冲电压时,称为单极性脉冲输入,如单激式变压器开关电源,当输入电压为交流脉冲电压时,称为双极性脉冲输入,如双激式变压器开关电源,因此,开关变压器也可以称为脉冲变压器,因为其输入电压是一序列脉冲,因为开关变压器还分正,反激输出.
开关电源变压器分单激式开关电源变压器和双激式开关电源变压器,两种开关电源变压器的工作原理和结构并不是完全一样的.单激式开关电源变压器的输入电压是单极性脉冲,并且还分正反激电压输出,而双激式开关电源变压器的输入电压是双极性脉冲,一般是双极性脉冲电压输出.另外,为了防止磁饱和,在单激式开关电源变压器的铁芯中一般都要留气隙,而双激式开关电源变压器的铁芯磁通密度变化范围相对来说比较大,一般不容易出现磁饱和现象,因此,一般都不用留气隙.
单激式开关电源变压器还分正激式和反激式两种,对两种开关电源变压器的技术参数要求也不一样,对正激式开关电源变压器的初级电感量要求比较大,而对反激式开关电源变压器初级电感量的要求,其大小却与输出功率有关.
双激式开关电源变压器铁芯的磁滞损耗比较大,而单激式开关电源变压器铁芯的磁滞损耗却比较小.这些参数基本上都与变压器铁芯的磁化曲线有关开关变压器使用的磁性材料为软磁铁氧体,按其成分和应用频率可分为MnZn系和NiZn系两大类.前者具有高的导磁率和高的饱和磁感应,在中频和低频范围具有较低损耗.磁芯的形状很多,如EI型,E型,EC型等等于/≥等于311V.(4-1)
因电路有一定的损耗,考虑一定的裕量,故设定直流输出电压320V,为变压器原边绕组匝数,为升压变压器副边绕组匝数,为原边直流电压,为交流电压输出有效值220V.
考虑全桥电路每个桥臂上的开关管导通压降为1V,输出的肖特基整流管的导通压降为0.5V,则有公式:
等于[(-2)/-1]2(4-2)
设定本逆变电源系统功率的传递效率为,所以,从而计算变压器副边和原边的匝数比为:/等于22
4.1.5电流互感器
图4-6电流互感器原理图
在供电用电的线路中电流电压大大小小相差悬殊从几安到几万安都有.为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流,另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的.电流互感器就起到变流和电气隔离作用.微型电流互感器二次电流为毫安级,主要起大互感器与采样之间的桥梁作用.微型电流互感器称之为"仪用电流互感器".
电流互感器原理线路图微型电流互感器与变压器类似也是根据电磁感应原理工作,变压器变换的是电压而微型电流互感器变换的是电流罢了.绕组N1接被测电流,称为一次绕组(或原边绕组,初级绕组),绕组N2接测量仪表,称为二次绕组(或副边绕组,次级绕组).微型电流互感器一次绕组电流I1与二次绕组I2的电流比,叫实际电流比K.微型电流互感器在额定工作电流下工作时的电流比叫电流互感器额定电流比,用Kn表示Kn等于I
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