中心議題：

• 單相正弦脈寬調製逆變器的設計
• 驅動電路設計

解決方案：

• DC/AC變換采用全橋變換電路
• 采用主、控電路完全隔離的方法

• 利用SG3524生成SPWM信號

0 引言

當鐵路、冶(ye)金(jin)等(deng)行(xing)業(ye)的(de)一(yi)些(xie)大(da)功(gong)率(lv)非(fei)線(xian)性(xing)用(yong)電(dian)設(she)備(bei)運(yun)行(xing)時(shi)
，將(jiang)給(gei)電(dian)網(wang)注(zhu)入(ru)大(da)量(liang)的(de)諧(xie)波(bo)，導(dao)致(zhi)電(dian)網(wang)電(dian)壓(ya)波(bo)形(xing)畸(ji)變(bian)。根(gen)據(ju)我(wo)們(men)的(de)實(shi)驗(yan)觀(guan)察(cha)，在(zai)發(fa)生(sheng)嚴(yan)重(zhong)畸(ji)變(bian)時(shi)
，電(dian)壓(ya)會(hui)出(chu)現(xian)正(zheng)負(fu)半(ban)波(bo)不(bu)對(dui)稱(cheng)，頻(pin)率(lv)也(ye)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。這(zhe)樣(yang)的(de)供(gong)電(dian)電(dian)壓(ya)波(bo)形(xing)，即(ji)使(shi)是(shi)一(yi)般(ban)的(de)電(dian)力(li)用(yong)戶(hu)，也(ye)難(nan)以(yi)接(jie)受(shou)，更(geng)無(wu)法(fa)用(yong)其(qi)作(zuo)為(wei)檢(jian)修(xiu)、測試的電源。同時
，在這種情況下
，一般的穩壓電源也難以達到滿意的穩壓效果。為此，我們設計了該逆變電源。其控製電路采用了2片集成脈寬調製電路芯片SG3524
，一片用來產生PWM波
，另一片與正弦函數發生芯片ICL8038做適當的連接來產生SPWM波。集成芯片比分立元器件控製電路具有更簡單、更可靠的特點和易於調試的優點。

1 係統結構及框圖

圖1示出了係統主電路和控製電路框圖。交流輸入電壓經過共模抑製環節後
，再經工頻變壓器降壓
，然後整流得到一個直流電壓
，此電壓經過Boost電路進行升壓，在直流環上得到一個符合要求的直流電壓350V（50Hz/220V交流輸出時）。DC/AC變換采用全橋變換電路。為保證係統可靠運行,防止主電路對控製電路的幹擾，采用主
、控(kong)電(dian)路(lu)完(wan)全(quan)隔(ge)離(li)的(de)方(fang)法(fa)
，即(ji)驅(qu)動(dong)信(xin)號(hao)用(yong)光(guang)耦(ou)隔(ge)離(li)，反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)用(yong)變(bian)壓(ya)器(qi)隔(ge)離(li)，輔(fu)助(zhu)電(dian)源(yuan)用(yong)變(bian)壓(ya)器(qi)隔(ge)離(li)。過(guo)流(liu)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)采(cai)用(yong)電(dian)流(liu)互(hu)感(gan)器(qi)作(zuo)為(wei)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)元(yuan)件(jian)
，其(qi)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)快(kuai)的(de)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)
，能(neng)夠(gou)在(zai)MOS管允許的過流時間內將其關斷。
2 控製及保護電路

為了降低成本
，使用兩塊集成PWM脈衝產生芯片SG3524和一塊函數芯片ICL8038，使得控製電路簡潔

，易於調試。

2.1 SG3524的功能及引腳

圖2所示為SG3524的結構框圖和引腳圖。
SG3524工作過程是這樣的：

直流電源Vs從腳15接入後分兩路，一路加到或非門
；另一路送到基準電壓穩壓器的輸入端
，產生穩定的＋5V基準電壓。＋5V再送到內部（或外部）電路的其他元器件作為電源。
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振蕩器腳7須外接電容CT，腳6須外接電阻RT。振蕩器頻率f由外接電阻RT和電容CT決定，f=1.18/RTCT。本設計將Boost電路的開關頻率定為10kHz
，取CT=0.22μF
，RT=5kΩ；逆變橋開關頻率定為5kHz，取CT=0.22μF，RT=10kΩ。振蕩器的輸出分為兩路，一路以時鍾脈衝形式送至雙穩態觸發器及兩個或非門
；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相端，比較器的反向端接誤差放大器的輸出。

誤差放大器實際上是個差分放大器，腳1為其反向輸入端
；腳2為其同相輸入端。通常
，一個輸入端連到腳16的基準電壓的分壓電阻上（應取得2.5V的電壓）
，另一個輸入端接控製反饋信號電壓。本係統電路圖中，在DC/DC變換部分
，SG3524-1芯片的腳1接控製反饋信號電壓，腳2接jie在zai基ji準zhun電dian壓ya的de分fen壓ya電dian阻zu上shang。誤wu差cha放fang大da器qi的de輸shu出chu與yu鋸ju齒chi波bo電dian壓ya在zai比bi較jiao器qi中zhong進jin行xing比bi較jiao，從cong而er在zai比bi較jiao器qi的de輸shu出chu端duan出chu現xian一yi個ge隨sui誤wu差cha放fang大da器qi輸shu出chu電dian壓ya高gao低di而er改gai變bian寬kuan度du的de方fang波bo脈mai衝chong
，再zai將jiang此ci方fang波bo脈mai衝chong送song到dao或huo非fei門men的de一yi個ge輸shu入ru端duan。或huo非fei門men的de另ling兩liang個ge輸shu入ru端duan分fen別bie為wei雙shuang穩wen態tai觸chu發fa器qi和he振zhen蕩dang器qi鋸ju齒chi波bo。雙shuang穩wen態tai觸chu發fa器qi的de兩liang個ge輸shu出chu端duan互hu補bu，交jiao替ti輸shu出chu高gao低di電dian平ping，其qi作zuo用yong是shi將jiangPWM脈衝交替送至兩個三極管V1及V2的基極，鋸齒波的作用是加入了死區時間，保證V1及V2兩個三極管不可能同時導通。最後，晶體管V1及V2分別輸出脈衝寬度調製波，兩者相位相差180°。當V1及V2並聯應用時
，其輸出脈衝的占空比為0％～90％
；當V1及V2分開使用時，輸出脈衝的占空比為0％～45％
，脈衝頻率為振蕩器頻率的1/2
，在本係統電路圖（圖1）中
，兩塊SG3524都為並聯使用。當腳10加高電平時
，可實現對輸出脈衝的封鎖，進行過流保護。

2.2 利用SG3524生成SPWM信號

按照上述SG3524的工作原理，要得到SPWM波，必須得有一個幅值在1～3.5V，按正弦規律變化的饅頭波，將它加到SG3524-2內部，並與鋸齒波比較
，就可得到正弦脈寬調製波。我們設計的控製電路框圖
，以及實際電路各點的波形
，如圖3所示。
正弦波電壓ua由函數發生器ICL8038產生。ICL8038引腳和具體的接法如圖4所示。正弦波的頻率由R1，R2和C來決定，f=，為了調試方便，我們將R1及R2都用可調電阻，R2和R是用來調整正弦波失真度用的。在實驗中我們測得當f=50Hz時，R1＋R2=9.7kΩ，其中C=0.22μF。正弦波信號產生後，一路經過精密全波整流

，得到饅頭波uc
，另一路經過比較器得到與正弦波同頻率，同相位的方波ub。uc與1V基準經過加法器後得到ud
，ud輸入到SG3524-2的腳1
，腳2與腳9相連，這樣ud和鋸齒波將在SG3524-2內部的比較器進行比較產生SPWM波ue。分相電路用一塊二輸入與門74LS08和一塊單輸入非門74LS05所組成。ub和ue加到分相電路後就可以得到驅動信號uf和ug，再將uf和ug加到MOS管驅動電路的光耦原邊
，就可以實現正弦脈寬調製。

2.3 驅動電路設計

設計的驅動電路如圖5所示，它由驅動脈衝放大和5V基準兩部分組成。脈衝放大包括光耦Vo1，R1和R2，中間級的VT1，推挽輸出電路VT2和VT3，對高頻幹擾信號進行濾波的C1；5V基準部分包括R4
，VZ1和C2，它既為MOS管提供－5V的偏置電壓，又為輸入光耦提供副邊電源。其工作原理是：

1）當光耦原邊有控製電路的驅動脈衝電流流過時，光耦導通
，使VT1基極電位迅速下降
，VT1截止，導致VT2導通，VT3截止
，電源通過VT2，柵極電阻R5
，使MOS管導通；
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2）當光耦原邊無控製電路的驅動脈衝電流流過時，光耦不導通，使VT1基極電位上升，VT1導通，導致VT3導通，VT2截止，MOS管柵極電荷通過VT3，柵極電阻R5迅速放電，－5V偏置電壓使之可靠地關斷；

3）電阻R5和穩壓管VZ2，VZ3用以保護MOS管柵極不被過高的正
、反向電壓所損壞；

4）光耦Vo1采用組合光敏管型光耦6N136，具有光敏二極管響應速度快，線性特性好，電流傳輸大的優點
，能滿足實驗的要求。

2.4 過流保護電路

過流保護是利用SG3524的腳10加高電平封鎖脈衝輸出的功能。當腳10為高電平時
，SG3524的腳11及腳14上輸出的脈寬調製脈衝就會立即消失而成為零。過流信號取自電流互感器（對SG3524-1芯片串接在工頻變壓器的副邊
，對SG3524-2芯片串接在濾波電路前），經整流後得到電流信號加至如圖6所示過流保護電路上。過流信號加至電壓比較器LM339的同相端。當過流信號使同相端電平比反相端參考電平高時，比較器將輸出高電平


，則二極管D2jiangcongyuanlaidefanxiangpianzhizhuangtaizhuanbianweizhengxiangdaotong，bingbatongxiangduandianweitishengweigaodianping，zheyibianhuajiangshidedianyabijiaoqiyizhiwendingshuchugaodianpingfengsuomaichong
，zeBoost電路停止工作，在正常狀態下，比較器輸出零電平，不影響Boost電路工作。
2.5 反饋調壓電路

反饋調壓電路圖如圖7所示。當逆變器正常工作時，逆變器的輸出信號接反饋變壓器，其二次電壓經整流，濾波，分壓得到反饋電壓uo，顯然，uo的大小正比於逆變器的輸出電壓。調節W1可調節負反饋電壓的大小
，從而調節逆變器輸出電壓的幅值。uo控製信號被送到SG3524-1芯片的誤差放大器的反相端腳1。誤差放大器的同相端腳2接參考電平。這樣，SG3524的輸出脈衝的占空比就受到反饋信號的控製。調節過程是這樣的，當逆變器輸出因突加負載而降低時，它會使加在SG3524-1的腳1的輸入反饋電壓下降，這會導致SG3524-1輸出脈衝占空比增加，從而使得Boost電路輸出電壓升高，逆變橋的直流電壓升高，逆變器輸出交流電壓升高。反之亦然。可見，正是通過SG3524-1的脈寬調製組件的控製作用，實現了整個逆變器的輸出自動穩壓調節功能。

3 逆變器的實驗結果

按本設計的SPWM逆變器方案試製了樣機，其額定輸出功率為300W
，濾波器參數取L=0.7mH，C=5μF，濾波效果較好，樣機的輸出電壓如圖8所示。從直觀看，電壓波形正弦度較好（因條件所限


，尚未測試THD）。用此樣機帶負載運行
，效果較好。實驗表明，本文提出的係統方案是切實可行的

，可以用在鐵路
、冶金等大功率非線性用電設備附近
，作為對電網輸入電壓要求較高的一類負載（如檢修、測試設備）的電源。另外
，為了滿足客戶的要求，本電路還可以提供60Hz/110V的正弦電源。