专利名称：单级spwm逆变电源电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电学领域的逆变电源电路，尤其是涉及单级SP麵逆变电源电路。
背景技术：
在逆变电源领域，SPWM (Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的技术。SPWM 法就是以用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SP麵波形控 制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正 弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电 路输出电压的频率和幅值。
传统的逆变电源一般采用双极式SP丽方式，即采用一级P丽方式将直流电 压升压到380-400V左右的直流，然后再采用一级SP丽方式，将380V-400V直 流斩成220V交流输出。双极SWPM技术的优点在于每一极P観都是一个独立回 路，控制简洁，容易实现。但是两路P丽组合在一起，整个逆变过程控制复杂， 反馈响应较慢，需要调节每个回路的动态平衡，整机动态响应不佳，故障点多， 而且两级PWM转换导致整机转换效率低，在电气原理上难以实现更高的逆变转 换效率。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型基于目前的双极SP丽模式的缺点，创新性地 利用单级SP丽技术实现升压/整形为一体的逆变模式。具体来说，本方式是采 用SPWM技术，将直流升压和波形整形合二为一，在一次SP麵过程中，实现升压/整形的逆变电源的全部过程，从而达到控制简洁，响应迅速，转换效率高等 独特的技术优点。
本实用新型采用如下4支术方案
本实用新型的单级SPWM逆变电源电路包括
主控回路，发出基于正弦的数字离散信号，输出连接于基准正弦波电路；
基准正弦波电路，将所述的数字离散信号数模转化成标准基准正弦波，输 入连接于主控回路，输出连接于波形比较跟随电路；
波形比较跟随电路，基于基准正弦波波形和逆变输出波形比较反馈的差分 信号，控制输出SPWM升压驱动信号，输入连接于基准正弦波电路，输出连接于 SP窗驱动控制电路；
SP画驱动控制电路，将差分脉冲驱动信号送到升压电路的功率管驱动电路 上，输入连接于波形比较跟随电路，输出连接于升压电路；
升压电路，将输入的正弦信号电压升压，输入连接于SP丽驱动控制电路， 输出连接于整流滤波电路；
整流滤波电路，整流升压电路输出的正弦信号和滤除其中高谱谐波成分， 输入连接于升压电路，输出连接于正弦翻转电路；
正弦翻转电路，将正弦波信号负半周翻转后，输出完整的正弦波，输入连 接于整流滤波电路。
进一步的，所述的主控回路至少包括主控DSP芯片，逻辑处理并对SPM 波形控制和外围电路侦测控制，连接于辅助MCU;辅助MCU采样直流信号和控制 外围电路及控制显示；锁相环，锁相数字信号运算。
更进一步的，所述的主控回路还包括显示模块、逐脉冲保护电路、过载 保护电路、抗电磁干扰模块，均连接于所述的主控DSP芯片和辅助MCU上。进一步的，所述的基准正弦波电路至少包括串联的二阶低通检波电路和正弦波整流电路，所述的二阶低通检波电路滤出模拟的正弦波，再经由所述的正弦波整流电路整流成直流才莫拟正弦波，输出基准正弦波。
进一步的，所述的波形比较跟随电路包含比较跟随电路，接收基准正弦
波信号和逆变输出波形信号，比较输出至P丽管理模块；PWM管理模块输入端还
连接于电流反馈调整电路。
进一步的，所述的升压电路是推挽式升压电路。
更进一步的，所述的推挽式升压电路应用于输出功率1500VA以下。
进一步的，所述的升压电路是全桥式升压电路。
更进一步的，所述的全桥式升压电路应用于输出功率2000VA以上。本实用新型的技术方案采用SP麵技术，将直流升压和波形整形合二为一，
在一次SP丽过程中，实现升压/整形的逆变电源的全部过程，从而达到控制简
洁，响应迅速，转换效率高等独特的技术优点。
图l是本实用新型的主电路原理图；图2是本实用新型的主控回路原理图；图3是本实用新型的基准正弦波电路原理图；图4是本实用新型的波形比较跟随电路原理图；图5是本实用新型的SPWM驱动控制电路原理图；图6是本实用新型的全桥式升压电路原理图；图7是本实用新型的推挽式升压电路原理图；图8是本实用新型的整流滤波电路原理图；图9是本实用新型的正弦翻转电路原理图。
具体实施方式
现结合附图说明和具体实施方式
对本实用新型进一步说明。
本实用新型就是基于目前流行的双极SPWM模式的缺点，创新性地利用单级SP丽技术实现升压/整形为一体的逆变模式。具体来说，本方式是采用SP観技术，将直流升压和波形整形合二为一，在一次SPWM过程中，实现升压/整形的逆变电源的全部过程，从而达到控制简洁，响应迅速，转换效率高等独特的技术优点。
在技术实现上，我们采用全桥或推挽的硬件拓朴架构，具体分为主电路和驱动部分。主电路一般由高性能MOSFET组成，电路简单易于实现。驱动部分是我们单级SP丽模式的核心部分，我们首先采用数字方式产生一个纯正可调的正弦波，我们叫它参考正弦波，这个是我们输出波形的参照基础。之所以用数字方式，是便于调整和控制这个参考正弦波的幅值和波形曲线。在得到参考正弦波后，我们使用比较跟随电路和PWM脉冲控制电路相结合的方式，将输出波形的采样电路和参考正弦波比较后的结果作为PWM脉冲控制电路的差动输入，控制SPWM脉宽输出，从而达到控制逆变电源正弦波的升压和整形。
为了达到更好的转换效率和动态特性，我们一般采用100K以上的SP画频率，在全桥或推挽式主电路的次级经过桥式整流后，我们得到的是含有较多高次谐波的直流正弦波，在经过合适的LC滤波后，可以得到高品质的直流纯正弦波，再由工频翻转电路输出得到交流纯正弦波。
由于采用单级方式，可以很容易地在推挽或全桥拓朴的两侧实现电气隔离，这样可以实现直流侧与交流侧的完全电气隔离，而不必作额外的电气隔离处理，对于现今的逆变应用，对于直流侧和交流侧的电气隔离越来越强调和重视，单级SPWM技术对此有先天的优势。我们还可以通过提高整机SPM的开关频率和应用软开关的方式，提高单级SP丽的转换效率，在应用现有可能技术的前提下，单级SPWM技术的逆变转换效率可以达到95%-97%,对于逆变这种控制复杂的电力转换技术而言，这几乎已经达到转换极限，而对于双极SPWM技术下平均82%-85°/。的转换效率而言，这将无异于是一个飞跃。主电路结构说明
如图1所示，本实用新型的单级SPWM模式的主电路结构由主控回路1(主控制芯片回路)、基准正弦波电路2、波形比较跟随电路及SPWM驱动控制电路3、升压电路4、整流电路51、滤波电路52、正弦翻转电路6等几个部分组成。其基本工作原理如下
Stepl.由主控回路1的CPU发出基于正弦波的数字离散信号，由基准正弦波电路2数模转化成标准基准正弦波。
Step2.由波形跟随及SPWM控制回路3基于基准正弦波波形和逆变输出波形比较反馈的差分信号控制输出SPWM升压驱动信号。
St印3.在SPWM升压驱动信号控制下，升压电路4将直流升压到320V BUS电
压并同时产生正弦波形。
Step4.将升压后的正弦波整流滤波后，输出干净纯正的正弦直流馒头波。Step5.将正弦直流波形经50/60Hz的工频逆变电流翻转后，得到纯正弦交流波形。
本实用新型的核心是基准正弦波形的产生和波形比较跟随及SPWM控制电路等部分。工作单元介绍
1. 主控回i 各(主控制芯片回路)主控芯片是逆变电源的核心数据处理单元，它采用高性能的MCU或DSP来完成工作单元逻辑处理，SPWM波形控制，外围电^4贞测和控制，保护和通讯电路控制等等。如图2所示，是基于单级SP丽技术的新型逆变电源控制部分逻辑框图。可以看到，我们采用了两极控制单元，即辅助MCU12和主控DSPll。辅助MCU12用来作为直流侧信号采样和外围电路控制及基本显示控制。主控DSPll主要用作复杂的SPWM控制单元，输出波形反馈控制和锁相数字信号运算及实时保护控制等。
2. SPWM基准正弦波生成
基准正弦波是逆变电源SPWM输出控制的基础。正是由基准正弦波决定了输出正弦波的波形，辅助，频率等一切细节。所以，基准正弦波的产生和维护是单级SPWM技术的核心之一。
图3所示的是基准正弦波产生原理电路，首先由主控单元将标准正弦波离散数字化，然后输出包含SPWM波形信息的数字信号，由基准正弦波的二阶低通检波电路滤出模拟的正弦波性，在整流成直流模拟正弦波，即产生了基准正弦波。
由于基准正弦波是由控制单元输出的离散数字信号产生，控制单元可以根据侦测到的逆变回路变化调整SPWM数字信号的输出，从而达到调整基准正弦波以便影响回路波形变化的目的。
3. 正弦波波形比较跟随
在产生基准正弦波后，我们需要将回路上实际的输出逆变波形与基准正弦波作比较，然后产生差分信号控制SP丽驱动脉冲，从而驱动升压电路产生相应的正弦波形。本电路也是单级SP丽技术的核心电路之一。图4就是正弦波形比较跟随电路31。所述的波形比较跟随电路31包含比较跟随电路311，接收基准正弦波信号和逆变输出波形信号，比较输出
至PWM管理模块312; P丽管理模块312输入端还连接于电流反馈调整电路313。由此电路将控制单元产生的基准正弦波和逆变回路上输出波形的比较差分后转化成SPWM驱动脉冲，控制升压电路产生和调整波形。在输出加栽或卸载或冲击产生波形变化时，回路立即将此变化反馈到主控单元，同时反4贵到正弦波比较跟随电路，在主控单元调整基准正弦波的同时，正弦波比较跟随电路将此波形变化和基准正弦波比较后调整SPWM驱动脉冲的频率和脉宽，从而达到调整升压回路输出的逆变波形，形成完整快速的波形动态响应。
4. SP丽驱动控制在正弦波比较跟随电路产生差分SPWM控制脉冲后，必须由SPWM驱动控制电路，将此差分脉冲驱动信号送到升压电路的功率管驱动电路上。
如图5所示即基本的驱动控制电路，由于升压主回路的选择，我们可能需要将SP丽信号分解成两路或四路驱动信号，才能正确地驱动升压回路上的功率管。即在主升压回路选择推挽模式时，需要分解成两路驱动信号。如果主升压回路选择全桥模式，需要驱动电路输出四路驱动信号。由于直流驱动側有可能和SP窗控制侧不在同一个基准，所以绝大部分时候，还需要SPWM驱动控制回路做成隔离驱动模式。
5. SPWM升压电路拓朴选择
单级SPWM升压电路是单级SP丽技术逆变部分的主要功率回路。它一般有推挽和全桥两种模式，如图6和图7所示。
一般输出功率在1500VA以下的逆变电源，我们可以逸择如图7所示的推挽模式的升压主电路，可以获得比较好的性价比。而在2000VA以上的逆
10变电源中，由于大功率系统的动态稳定性要求和功率器件的选择， 一般我们采用如图6所示的全桥升压电路可以获得很好效果。
不管推挽模式还是升压模式，基本的工作原理都是一致的。即在接到正弦波差分跟随电路产生的SPWM脉冲后，升压电路即驱动推挽或全桥功率管，产生SP丽高频脉冲回路，在变压器的次级耦合出包含完整正弦信息
的專lr出波形。
6. 整流滤波
在升压回路主变压器的次级产生的正弦波形包含了大量的高频谐波，我们需要选择合适的LC滤波回路来做滤波。基于LC滤波的需要，我们先将此正弦波形整流，然后选择合适参数的LC滤波回路滤波，即可产生纯正干净的直流正弦波形。
如图8所示的基本的整流滤波电路，我们可以看到，升压电路输出的大量包络高频谐波成分的正弦波形在LC滤波输出后的波形已经是纯正干净的标准直流正弦波形了。此为公知技术电路，于此不再赘述。
7. 工频正弦翻转
图9所示，在LC滤波输出的标准直流正弦波后，我们需要的就是一个简单的工频50Hz或60Hz的逆变翻转电路，将正弦波形负半周翻转后，即可得到完整的交流纯正弦波输出。此为公知技术电路，于此不再赘述。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。
权利要求1.单级SPWM逆变电源电路，其特征在于其包含主控回路(1)，发出基于正弦的数字离散信号，输出连接于基准正弦波电路(2)；基准正弦波电路(2)，将所述的数字离散信号数模转化成标准基准正弦波，输入连接于主控回路(1)，输出连接于波形比较跟随电路(31)；波形比较跟随电路(31)，基于基准正弦波波形和逆变输出波形比较反馈的差分信号，控制输出SPWM升压驱动信号，输入连接于基准正弦波电路(2)，输出连接于SPWM驱动控制电路(32)；SPWM驱动控制电路(32)，将差分脉冲驱动信号送到升压电路的功率管驱动电路上，输入连接于波形比较跟随电路(31)，输出连接于升压电路(4)；升压电路(4)，将输入的正弦信号电压升压，输入连接于SPWM驱动控制电路(32)，输出连接于整流滤波电路(51、52)；整流滤波电路(51、52)，整流升压电路输出的正弦信号和滤除其中高谱谐波成分，输入连接于升压电路(4)，输出连接于正弦翻转电路(6)；正弦翻转电路(6)，将正弦波信号负半周翻转后，输出完整的正弦波，输入连接于整流滤波电路(51、52)。
2. 如权利要求1所述的单级SPWM逆变电源电路，其特征在于所述的主控回 路(1)至少包括主控DSP芯片(11),逻辑处理并对SPWM波形控制(17 ) 和外围电路侦测控制，连接于辅助MCU (12);辅助MCU (12)采样直流信号 和控制外围电路及控制显示；锁相环(18)，锁相数字信号运算。
3. 如权利要求2所述的单级SPWM逆变电源电路，其特征在于所述的主控回 路(l)还包括显示模块(13)、逐脉冲保护电路(14)、过栽保护电路(15)、 抗电磁干扰模块(16 ),均连接于所述的主控DSP芯片(11)和辅助MCU (12 ) 上。
4. 如权利要求1所迷的单级SPWM逆变电源电路，其特征在于所述的基准正 弦波电路(2)至少包括串联的二阶低通检波电路和正弦波整流电路。
5. 如权利要求1所迷的单级SPWM逆变电源电路，其特征在于所述的波形比 较跟随电路(31)包含比较跟随电路Oll),接收基准正弦波信号和逆变 输出波形信号，比较输出至PWM管理模块(312); P丽管理模块(312)输入 端还连接于电流反馈调整电路(313)。
6. 如权利要求1所迷的单级SPWM逆变电源电路，其特征在于所述的升压电 路(4)是推挽式升压电路。
7. 如权利要求1所述的单级SPWM逆变电源电路，其特征在于所迷的升压电 路(4)是全桥式升压电路。
专利摘要本实用新型涉及电学领域的逆变电源电路，尤其是涉及单级SPWM逆变电源电路。本实用新型的单级SPWM逆变电源电路包括主控回路，发出基于正弦的数字离散信号；基准正弦波电路，将所述的数字离散信号数模转化成标准基准正弦波；波形比较跟随电路，基于基准正弦波波形和逆变输出波形比较反馈的差分信号，控制输出SPWM升压驱动信号；SPWM驱动控制电路，将差分脉冲驱动信号送到升压电路的功率管驱动电路上；升压电路，将输入的正弦信号电压升压；整流滤波电路，整流升压电路输出的正弦信号和滤除其中高谱谐波成分；正弦翻转电路，将正弦波信号负半周翻转后，输出完整的正弦波。本实用新型具有控制简洁、响应迅速、转换效率高等优点。
文档编号H02M7/5387GK201312267SQ200820146210
公开日2009年9月16日 申请日期2008年10月31日 优先权日2008年10月31日
发明者曾华锋 申请人:厦门拓宝科技有限公司