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    基于Matlab/Simulink 的电压型单相全桥逆变电路

    【摘要】学习电压型单相全桥逆变电路的工作原理,了解单电压型相全桥电路的工作特性。直流、交流电功率变换称为逆变,了解直流、交流电功率交换的基本原理,学会观察方波运行模式下的电压型和电流型逆变器的特征,输出电压大小和波形的PWM控制基本原理。逆变器的输入是直流电,输出为交流电。交流输出电压基波频率和幅值都应能调节控制,输出电压中除基波成分外,还可能含有一定和幅值的谐波。利用MATLAB中的Simulink对电压型单相全桥逆变电路模型进行电路仿真。

    关键词:电压型逆变电路;逆变器;Simulink

    [abstract] learning single-phase voltage type bridge inverter circuit principle of work,

    understand single phase voltage type bridge circuit working characteristic. Dc, ac inverter power

    transformation called, understand dc, ac power exchange, the basic principle of square wave

    learn how to observe operating modes of the voltage type and characteristics of current-mode

    inverter, output voltage size and waveform of PWM control basic principle. Inverter input is the

    direct current, output for alternating current. Ac output voltage base wave frequency and

    amplitude are should be able to adjust control, output voltage except base wave components

    outside, still may contain certain and amplitude of the harmonic. MATLAB for single-phase

    voltage type of Simulink inverter circuits of the whole bridge circuit emulation model.

    Keywords: voltage type inverter circuits; Inverter; Simulink

    引言

    逆变电路 所谓逆变,就是与整流相反,把直流电转换成某一固定频率或可变频率的交流电(DC/AC)的过程。

    当把转换后的交流电直接回送电网,即交流侧接入交流电源时,称为有源逆变;而当把转换后的交流电直接供给负载时,则称为无源逆变。通常所讲的逆变电路,若不加说明,一般都是指无源逆变电路。

    1. 电压型逆变器的原理图

    当开关S1、S4闭合,S2、S3断开时,负载电压uo为正;当开关S1、S4断开,S2、S3闭合时,uo为负,如此交替进行下去,就在负载上得到了由直流电变换的交流电,uo的波形如图7.4(b)所示。输出交流电的频率与两组开关的切换频率成正比。这样就实现了直流电到交流电的逆变。

    2. 电压型单相全桥逆变电路

    它共有4个桥臂,可以看成由两个半桥电路组合而成。

    两对桥臂交替导通180°。

    输出电压和电流波形与半桥电路形状相同,幅值高出一倍。

    改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。

    输出电压定量分析

    uo成傅里叶级数

    基波幅值

    基波有效值

    当uo为正负各180°时,要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现

    可采用移相方式调节逆变电路的输出电压,称为移相调压。各栅极信号为180o正偏,180o反偏,且T1和T2互补,T3和T4互补关系不变。T3的基极信号只比T1落后q ( 0

    MATLAB 仿真

    Simulink组建电路模型及实验结果

    电压型全桥逆变电路结构图:

    阻感性质下的仿真:

    T1 T4的脉冲信号:

    T2 T3的脉冲信号:

    带电阻情况下

    Ia Vab 波形

    电感负载下的Ia波形

    Vab波形

    阻感负载时

    RL负载电流波形

    输入电流Id的波形

    分析:

    在直流电源电压Vd一定时

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    由于在机器人控制和各种DIY控制中,非常需要使用MOS驱动电路。所以找个时间设计了一下MOS驱动板电路。

    下面贴出每部分的电路原理图。

     

     

    其中 12的升压电路是为了给桥臂驱动芯片IR2105供电使用。 这种芯片有很多替代品。MOS管主要用的是英飞凌的。

    电流大内阻也小。

    其他电路很简单,不细说了,重点说一下 MOS桥的电路模型。

    1  首先,很多电路中,MOS管栅源两极的并联电阻,主要是为了放电,因为MOS管内部类似于一个电容,如果PWM信号 Dout没有下拉功能,MOS导通后就会一直处于导通状态,这里并联一个电阻后,当Dout变成低电位时,可以把MOS管结电容的电放掉!如果信号有下拉功能,可以取消此电阻!

    2  半桥驱动电路的关键是如何实现上桥的驱动。图2中C1为自举电容,D1为快恢复二极管。PWM在上桥调制。当Q1关断时,A点电位由于Q2的续流而回零,此时C1通过VCC及D1进行充电。当输入信号Hin开通时,上桥的驱动由C1供电。由于C1的电压不变,VB随VS的升高而浮动,所以C1称为自举电容。每个PWM周期,电路都给C1充电,维持其电压基本保持不变。D1的作用是当Q1关断时为C1充电提供正向电流通道,当Q1开通时,阻止电流反向流入控制电压VCC。D2的作用是为使上桥能够快速关断,减少开关损耗,缩短MOSFET关断时的不稳定过程。D3的作用是避免上桥快速开通时下桥的栅极电压耦合上升(Cdv/dt)而导致上下桥穿通的现象。Q4 主要是续流二极管,MOS中本身有寄生二极管,但是怕遭不住啊,电路中感性电路,如电机,可以通过该二极管进行释放。

    3 电机反向电压!!!相对于电池的供电电压,本来接电源正极的电机一端变成了负极,而电流方向不变。一般出现在断电瞬间。而在不同器件的反向电压,比如mos的反向电压由于电机反向电压过大,通过电源反向加载mos两端
       而另一方面,电机断电的瞬间电流方向不变,电压方向(变成供电电源)的负极与电池的正极相连 ,那么通过二极管就可以释放其中的能量。
       续流二极管都是相对于电源反并联在线圈的两端,因为线圈可能会产生数倍于电源的反向电压(反向电压指的是 电机的电压与电源电压 高势点,低势点结点相同),反向作用于电路其他器件,
       反向给电路供电,比如mos,三极管等器件。在全桥电路当中,先把电源视为导线,全桥中间的负载,反作用于MOS电路及其他器件。

    4 电感在上电的瞬间 由于阻碍电流的增大,和正向磁通变化,会在电感两端产生反向电动势,及 与电源电压 高势点,低势点结点相同)
       当接通电路时,电感的电动势方向是阻碍磁通的增加,也就是说阻碍电流的增加,为上正下负;(电源的正极与电机的正极同一结点)
       当切断电路时,电感的电动势方向是阻碍磁通的减少,也就是说维持原来电流,为上负下正,充当电源;(反向电压)

    5 电压断掉,电感的电动势反向,,线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉,丛而保护了电路中的其它原件的安全。比如继电器反并联肖特基二极管.

    最终 附上 设计要点总结 : 

    ///设计注意要点总结   
        1 脉冲底部的毛刺 通常不会造成 同时导通,注意死区时间的控制! 但毛刺太大的话,注意很可能是共同导通造成的短路电流的影响。 两管的驱动电路的电阻不能太大??
        2  /MOS管选型总结  
             1 任何时候MOS管栅极都不能悬空。状态不定,可能是导通的,并且很容易因此受静电而损坏。
             2 MOS管的驱动电流估算,驱动电流用于给电容充电, 要和半桥芯片的灌拉电流相匹配, 不然会造成开启延时或者失败的问题。 
               所以带有图腾柱输出,可以增大输出电流,需要稍微考虑计算。
               驱动电流不够大,开关管不能工作到开关状态 ,而是从截至到导通的时间 所需要的时间更长,从漏极的输出电压波形可以看出不够陡!!
               驱动电流的公式 Ig=Qg/Ton。
             3 MOS管的持续电流和最大持续电流,最大反向电流,最大反向电压。 
             4 MOS管的开关频率 也要注意,驱动频率不可高于它。 死区时间大于开关管的上升下降时间。       
        3 高低侧驱动桥的输出电流应当和对mos管的驱动电流匹配(TI的灌电流和拉电流就相对比较高)
        4 高侧和低侧驱动芯片可以用来做Buck boost!
        5 TVS保护管  电源指示灯。       飞行指示器(电源芯片)   BCR450  BCR421U  BCR321U
        6 PCB注明使用注意点,具体参数等等。  低于15v的供电选择。   3.3V稳压  SPX3819   MIC5219 (FT SOT23)    MC34063  能在 3  -  40V下工作。
          开关电源的纹波大,低压差的芯片效率低,而且耐压很难解决。
        7 TRENCH工艺主要用于低压MOSFET,为了降低导通内阻,把栅极结构做成了类似U型槽  
           PLANAR工艺是普通工艺,也是最常见的VDMOS结构。
        8 接口静电保护二极管 采用ESD102系列
        9 高低侧驱动芯片 matchtime   half_bridge  dead——time 
        10 HALF BRIDGE DRIVER 中有输入logic有两种类型, 
                   HIN/LIN 内置死区时间,并且可以通过软件控制死区时间,双通道输入 可以尝试高通道全部拉高,pwm只给低通道。巧妙!!!
                   IN/SD 内置死区时间,并且 高低侧的控制是单通道输入,内部逻辑电路已经作。
        10  关于BLDC的 整套解决方案。 
           MOS驱动器 IR2301S irs2336s IRS2104 IRS2304 IRS2308 IRS2183(电流和开关时间非常理想,但是高低侧分开) IR2184(单通道,大电流,)  IR21844死区可编程。 电流大 ,但是开关断时间变长。
                    总结:IR21091  IRS2104  IRS2184(2A电流)   IR7184
           MOS管     BSC0924NDI  IRLS3813  IRLR7843 IRLR6225 IRLR8743 IRFR8314
               ON C404N(安森美MOS管)
                       理论工作性频率  323khz   结合电机的工作特性  一般 20khz。
           电机控制器(设计无刷电调) TLE987X系列  XMC1300   IRMCK099 
           肖特基二极管  BAS4002/3005A/3010S/
           飞行指示器   BCR450  BCR421U  BCR321U
           TVS保护管  
            压敏电阻  压敏电阻"是一种具有非线性伏安特性的电阻器件,主要用于在电路承受过压时进行电压嵌位,吸收多余的电流以保护敏感器件。
                     压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性,当过电压出现在压敏电阻的两极间,压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,从而实现对后级电路的保护.
     
    /    
    13  TI的drv10866 uvw接在一起,对于三线BLDC或者三角形接法的电机,可以用三个2k左右的电阻形成一个虚拟中点接到COM,形成反电动势过零检测
    14  使用ir2101s的隔离芯片,进行mos的驱动,使用三态缓冲门,进行pwm信号隔离,防止芯片干扰。
    15  磁珠。bead   ferrite bead FB  单位为欧姆  随着频率增加,电阻值变高
        磁珠用于抑制电子设备中30MHz至3000MHz范围内的噪声
    16  emi filter 电磁干扰滤波器    bemf   反电动势
    17   mos 电压控制器件,好好理解,反复用。通过电场,打开导电通道.
    18  电机内部是线圈绕组,它相当电感,在断电的瞬间会产生很大的感应电压,如果没有隔离,这个感应电压可能会将MCU击穿。
        MCU通常不仅提供电机的驱动信号,还连接着各种通讯、传感器等电路,MCU损坏会使一个系统全部瘫痪,因此加隔离电路是非常必要的。
        常用的隔离,可以是光耦隔离,也可以是单向导通的逻辑门电路等等。具体情况需根据项目具体要求而定。 

        74LVC245三态缓冲器
        驱动电路记得添加驱动隔离芯片,首先芯片的驱动能力相对较弱,既然共用同一个电源的话,就使用类似的单向导通芯片做隔离。
         此外,三态缓冲器有助于解决 高低侧驱动芯片因单片机驱动能力不足带来的启动困难的问题。 
        !!! 如果说芯片使用的电源和电机供电电源分开(延伸开,比如数字电源和模拟电源的接地问题就非常重要),
        那么就可以尝试光耦隔离和数字隔离芯片。  数字隔离芯片原理和 变压器差不多,速度相对来说更快。 //光耦合器与数字隔离器
        关于电源隔离:
        隔离电源:电源的输入回路和输出回路之间没有直接的电气连接,输入和输出之间是绝缘的高阻态,没有电流回路;
        非隔离电源:输入和输出之间有直接的电流回路,例如,输入和输出之间是共地的。

    19 全桥逆变电路的核心在于搭建高低侧驱动桥,二极管 D1 跟电容 C1 组成的自 举升压电路的把握关乎桥式驱动输出的品质。 其次, mos 管两端的反接二极管, 作为续流二极管保护作用和在驱动桥输出端的吸收电容的设计也是必不可少的。 最后,输出电阻 R16 和 MOS 管的寄生电容在频率过高的时候,容易出现振铃现象, 输出存在异常尖波,所以需要对该电阻的选择有所考虑,一般在 20R 左右,不可 过高,不然容易导致输出缓慢. 

    20 最终的截止频率大概在 300khz,有效占空比为98%。  主要局限于电路中的自举电路的电容充放电时间。

    21 其中在 频率过快的时候,会出现 振铃现象,主要由于MOS管存在寄生电容和栅极电阻。

     

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空空如也

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