首先說明一下,我不是搞電源的專業人士,搞逆變器完全是出于一種喜好,我沒有專門學過系統的理論,所有對SPWM的認識,均學自網絡,當然主要是這個電源網.xzszrs、 lizlk及其他壇中的高手就是我沒有見過面的老師,也就是我是看著大家的貼子長大的.特別是鐘工,他技術精湛,為人坦蕩,是一位真誠的工程師,他的貼子,我不但全看,有的已經看了N遍,差不多會背了.
因為不懂單片機的編程,所以,一直熱衷于硬件SPWM的研究.這款SPWM經我三次大的修改,三次PCB打樣,現在基本可以定稿了,經我試裝的幾張樣板,現在性能都很穩定.現在發這個貼子,旨在拋磚引玉,電路設計方面肯定還有很多不合理之處,請大家斧正.
本電路的正弦波信號預處理部分,我是參考了鐘工的原創,這里特此表示感謝.
一,電路原理分析及部分元件的選擇.
電路中的U1B組成一個文氏電橋振蕩器 ,它的特點是起振容易,波形失真很小,頻率也很穩定.其振蕩頻率由R1 R2 C1 C2決定,當C1,C2為標準的104時,R1,R2為31.8K時,頻率剛好為50HZ左右,R1,R2可以在標稱電阻33K中挑選.VR3為反饋調節電位器,可以調節振蕩器輸出的正弦波的幅度.D5,D6為穩幅二極管.從振蕩器出來的正弦波分成4路,2路進入U2A,U2B組成的精密整流電路變成饅頭波;2路進入由U6A,U6B組成的同步波發生電路變成方波.
U1A是一級隔離放大器,其電壓增益為2倍,也可以接成跟隨器的形式,因為我考慮到5532在做跟隨器時是否會不穩定,所以給它一定的增益,它的主要作用是隔離振蕩電路和它的4路負載.
U2A,U2B組成一個精密整流電路,其特點是,經它整流的正弦饅頭波,失真很小,能滿足SPWM的要求.圖中R4,R7,R8,R9,R16的阻值一定要一致,特別是R7,R9要配對(這5個10K電阻我用的是0.1%的精密電阻),否則,出來的饅頭波會上下跳動.
U3B就稱它為穩壓放大器:從精密整流電路出來的饅頭波進入U3B的同相端,從H橋取樣變壓器次級出來的饅頭波(也經整流,不能濾波)進入U3B的反相端,用來控制該運放的輸出電壓,起到穩壓作用.
U3A是一個加法電路:從U3B出來的饅頭波進入U3A的同相端,同時U3A的同相端也接在一個直流電位上,把PP值為4V的饅頭波,墊高2.5V.這個經墊高的饅頭波就可以送到SPWM調制電路中,做為SPWM的基波信號.
本電路的載波振蕩器的核心是一塊NE555時基電路U4.它實際上是一個高線性度的三角波發生器,三角波頻率由R29,R30及C7決定,如圖中所標的數值R29,R30為470R,C7為822,這時,三角波的頻率約為20K,能滿足SPWM調制電路的要求.為確保三角波的線性度,由Q1,Q2,Q3,Q4為電容充放電回路組成恒流源.三角波信號經Q5的E極輸出,分別送到SPWM調制器U5A,U5B的同相端和反相端.這個調制電路實際上是一個電壓比較器,它把20K的三角波信號和100HZ的饅頭波信號進行比較,在輸出端1腳和7腳分別輸出二路極性相反的SPWM信號.U5可以用LM339或LM393,不能用速度較慢的普通運放,如324,358等等.
另一塊5532即U6A,U6B組成一個50HZ同步方波發生電路:從正弦波振蕩器過來的正弦波信號(約12VPP),經二個電壓比較器U6A,U6B后,產生二路帶死區時間的低頻同步波,電路中R39,R14決定二路方波的死區時間.經試驗,當用5532時,R39,R14取510R時,死區時間大約為100US .U6A,U6B用358時死區時間為200US.
在U5的輸出端,接有一個高頻波死區時間調整電路,由R47,R48,C20,C21組成,這4個元件是我第三次修改時加上去的.在沒有這二組延時電路時,高頻波的死區時間約為100ns,接上H橋后,在開環不穩壓的情況下,表現很好.但在閉環空載時,H橋有輕微的直通現象.加了這二個回路后,高頻波的死區時間調整為2us,閉環空載時的輕微直通現象消失.
從U5出來的二路SPWM波和從U6出來的二路同步方波,一并送到由U7,U8,U9組成的時序編碼電路進行分相編碼,出來的是4路標準的SPWM單極性調制波,分別送到H橋的4個驅動電路中.
這里有一點要特別說明:我用的H橋是用4個光藕做為輸入驅動的,其設計要求為“低電平有效”,如果用其它驅動方式的H橋,原則上也可以,但如果其驅動方式為“高電平有效”的話,最后一級反相器U9一定要取掉.
補充一點:電路中所有的電容,一定要用CBB電容,性能穩定,質量可靠,其它電阻最好用1%的真金膜電阻.
二,信號板電路的調試:
1.在J1上接上+15V和-15V電源,D7,D16應該亮,測一下電流,+15V應該在50MA左右,-15V應該在60MA左右,說明電路基本正常.
2.用示波器測S1點,調節VR3,應該看到正弦波,頻率在50HZ左右,調VR3使S1點的正弦波幅度在12Vpp,振蕩器就基本調好了.
3.用示波器測S2點波形,應該看到饅頭波,調VR1使饅頭波的幅度在6Vpp,一般大于11V就會出現削頂,這樣,精密整流電路就調好了.
4.用示波器測S3點波形,也應該是饅頭波,調VR4讓S3點的波形幅度在4Vpp,再調VR2使饅頭波的谷點離開直流底線2.5V,這樣,加法器電路就基本調好了,等接上H橋再細調.
三,接上H橋聯調:
我把我用的H橋的電路也貼上來供大家參考,過載保護部分的電路沒有畫出來,原因是:當初設計時沒有想到取樣電阻上的電流是高頻脈沖電流,誤當成恒定直流了,一直到PCB做好了,裝機調試時才發現這個失誤,所以,原來的保護電路要重新設計,花了幾百元打樣的PCB也做廢了,但H橋主電路部分還是能用的.下面我講一下信號板和H橋部分聯調的過程.
1.先把信號板上J2插頭上的第2號線斷開,也就是,讓H橋處在開環狀態.
2.把信號板J2和H橋連接好.
3.接上母線電源,注意:為了安全起見,先不要接高壓,可用低壓先試,我是用一臺雙組0~30V,5A的穩壓電源來試的,雙組串聯成60V,因為穩壓電源一般都有恒流保護,所以比較安全.
4.把示波器的探頭打在10:1檔,夾在H橋AC輸出的二個端子上,再接上一點負載,我是接一個100W的36V的燈泡.
5.接通信號板電源,H橋應該有正弦波輸出,燈泡會亮.
6.細調信號板上的VR2,讓正弦波上下二個半波的過渡光滑自然,沒有階梯感;再調VR4,慢慢調大,正弦波會出現削頂,再稍回調一點,讓正弦波頂部光滑自然,這樣整個系統就基本調試好了.
四,閉環穩壓的調試:
如果你只讓系統工作在開環狀態,那么,這一步可以不做,因為開環狀態的波形失真很小,效率很高,經試驗,在母線電壓為52V的情況下,如果接上一個36V的燈泡,這時,母線電流為2A,也就是母線實際消耗功率為104W,測燈泡上的電流為2.79A,燈泡上電壓為36V,這時實際效率為:2.79*36/104=96.5%.
如果你一定要穩壓,那就再做如下幾步:
1.調信號板上的VR4,慢慢調大饅頭波的幅度,用示波器觀看H橋AC輸出端的波形,波形會出現明顯的削頂,直到波形變成梯形波,停止調節,關機.
2.把信號板J2上的第2號線接通,再開機,調信號板上的VR5,讓輸出的梯形波幅度慢慢變小,頂部分會慢慢開始圓滑,直到整個波形又變成正弦波時停止調節,這時,系統就工作在閉環穩壓狀態了,你可以取掉負載,看看電壓有沒有升高(應該變化很小),而且在空載時也應該是正弦波.
系統工作在閉環穩壓狀態時,我還發現二個小問題:(1)閉環時的正弦波失真要大一點,波形有點發胖,饅頭半波都有點輕微地往左歪(雖然是在可接受范圍內),原因是,從取樣變壓器上反饋回來的饅頭波的相位,和信號板上的饅頭波的相位有一點點誤差,我不知道怎么補償才能解決這個問題,請有關專家指點.(2)在閉環情況下,如果走線布局處理不當,很容易在U3B上引入干擾.原先,取樣調節電位器VR5是裝在H橋板上的,這樣送回的信號電平很低,干擾很大,后來,我把VR5移動信號板上,送回來的是21VPP的饅頭波,干擾問題基本解決了.
H橋的PCB因為要重新打樣,所以我沒有傳上來,信號板的PCB文件我傳上來了,朋友們下載后可以直接去打樣,如果哪個朋友去打樣,不要忘記送我二片,
因為我此前已經為這塊信號板打了三次樣了,花了不少冤枉錢,哈哈,這樣下去,只得戒煙了.信號板的PCB文件是PROTEL99的,上面還有幾根網絡線不要去管它,線路是沒有錯誤的,放心用好了.因為我是剛學的PCB設計,這板信號板還算是“處女作”,走線有點難看,請大家將就著看就是了.
最后,我對還有二位朋友做一個感謝:一位是上海理工大學的ZZ教授,他是一位電子專家,特別是對運放非常熟悉,因為他初中階段我教他過一段時間,所以,我這里只要一有運放方面的問題,我就不管他忙不忙,打一個電話過去,他也無奈,每次都是耐心做答;還有一位是杭州大蒙電子廠的ZM先生,他廠里有全套焊接設備,我做實驗的PCB板,都是送到他廠里焊接的,免去了我戴著老花鏡一點一點焊接的痛苦.
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