单相H桥逆变控制系统设计

摘要：文章针对全桥逆变电路，提出了一种解决上桥臂为N沟道的控制方法，采用理论分析与仿真实验研究相结合的方法，对主电路和控制驱动电路进行了设计，并用Saber仿真软件对所提方案进行了验证，验证了设计方案的可行性。

关键词：H桥逆变 SPWM控制 N沟道MOS管

1 概述

根据输入逆变电路的电源性质，可以将逆变电路分为电流型和电压型两种电路形式，通常采用电压型逆变电路。本设计为单相逆变系统的设计，单相电压型逆变电路有半桥逆变电路和全桥逆变电路两种，其中半桥逆变电路有两个桥臂，只有上桥臂，由两个开关器件构成；而全桥逆变电路有上下两个桥臂，由四个开关器件构成。相对而言，半桥逆变电路更好控制，但却较难实现输入侧两个电容的均压问题，输入侧不均压导致输出交流电的质量低，并且输出交流电的幅值只能为输入直流电的一半；而对于全桥逆变电路则存在上桥臂开关管控制问题，由于P沟道的耐压相对N沟道较低，当选择耐压较高的N沟道开关管作为上桥臂的开关器件时，存在寄生电容充放电等问题，针对以上问题，本文主要研究设计单相全桥逆变系统的控制。

2 系统方案确定

根据设计要求，本部分首先给出单相全桥逆变电路的主电路结构并计算主电路参数，再给出控制驱动电路方案。

2.1 主电路设计 本设计要求输出电能的质量高，并有一定的实际应用价值，因此选择单相全桥逆变电路作为主电路，其结构如图1所示。单相全桥逆变电路的工作原理可以简单概括为：当开关管M3和M2导通、M1和M4闭合时，负载上的输出电压U0为负值；当开关管M1和M4导通、M3和M2闭合时，负载上的输出电压U0为正值；这样输出电压U0就从直流电变成了交流电。通过改变各开关管的开关频率，对四个开关管进行时间上的配合控制，就可以实现输出交流电的功能。

对于全桥逆变电路的主电路，主要选择的器件是开关管型号。而对于阻感性负载的电路，为防止电感中储存的能量回流，导致同一个桥臂的两个开关管同时导通，造成短路，常在开关管两侧并联一个续流二极管。现如今，逆变电路常用的全控型器件是电力MOSFET和IGBT，其中IGBT多用在大功率的场合，且内部没有寄生二极管；考虑到本设计对输出功率要求不大，且MOSFET内部已经集成了寄生二极管，可以不用再额外设计续流二极管，因此，为了方便设计，简化计算，本设计采用MOSFET作为全桥逆变电路的开关管。

2.2 控制电路设计 逆变电路常采用PWM和SPWM控制方式。PWM控制技术，就是对脉冲的宽度进行控制的技术，而SPWM控制技术基于PWM控制繁衍而生，原理相似，根据面积等效原理，将要求输出的波形用一系列等副不等宽的脉冲代替，得到作用效果相同的新波形。现今，人们已经不满足于方波，而是希望输出纯净的正弦波，也就是采用以正弦波作为调制信号、三角波作为载波的SPWM控制技术，故本设计采用以EG8010作为逆变电路控制芯片的SPWM控制技术作为全桥逆变电路的控制手段。

由于所采用的MOSFET是电压驱动型开关管，因此加在MOSFET栅极上的驱动信号的电压值应大于栅极和源极之间的开启电压。对于所选型号为FQPF8N90C的MOS管导通信号电压应该在10V左右。然而，EG8010芯片的供电电压仅为+5V，驱动能力不够，应考虑在控制电路与主电路之间加上一个驱动电路，增加输出信号的驱动能力，保证MOS管正常工作。实际应用中，往往还要考虑在控制信号与MOS管的栅极之间设置隔离，常用的隔离方法有光耦隔离与变压器隔离。考虑到本设计既需要增强控制信号的驱动能力，又需要设置隔离，因此驱动部分采用较常用的半桥驱动芯片IR2110，它可以使输出信号达到15V，又兼有电磁隔离和光耦隔离的优点，对于驱动电路来说是一个很好的选择。由于IR2110是半桥驱动芯片，而本设计需要驱动的是全桥电路，故采用两个IR2110芯片配合使用，实现全桥逆变电路的驱动，如图2所示。为保证电压平滑无波动，需在IR2110的+5V、+15V的直流电经过一个0.1uF的普通电容和一个10uF的电解电容滤波后再供给IR2110的VDD和VCC引脚。

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图2 IR2110驱动单相全桥逆变电路结构图

IR2110芯片的VB引脚与VS引脚之间的自举电容可以根据经验值来选取，本设计采用10uF的电解电容作为自举电容；VB引脚与VCC引脚间的自举二极管选取FR107作为快恢复二极管。当上半桥选择N沟道的MOS管时，驱动信号不能直接驱动MOS管，而是在驱动信号与MOS管的栅极之间接一个栅极电阻，栅极电阻阻值与驱动速度成反比，实际硬件电路中，需在栅极电阻上并联一个二极管加快驱动速度。而且为了消耗掉MOS管中的寄生电容并防止同一桥臂的两个MOS管同时导通，需在栅极与源极之间接一个下拉电阻。

3 系统仿真与分析

在前面已经确定了逆变系统的主电路和控制驱动电路方案的基础上，此部分以输出60Hz频率交流电为例，在Saber环境中对已设计方案进行了系统搭建与仿真分析，如图3所示。由于控制信号与MOSFET的栅极之间需要进行隔离，故接线图中采用VCVS实现隔离功能，仿真输出波形如图4所示。由图4可知，按照设计方案原理所做的仿真电路负载两侧的输出电压为正弦波，经测量，波形的频率为60.042HZ，故由仿真结果可知，本文所设计的EG8010控制全桥逆变实现逆变功能的方案可行。并且根据第三章所介绍的控制原理与方法可知，采用本设计方法将能够很容易地实现调频控制。

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图3 单相全桥逆变电路仿真图

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图4 负载两侧电压输出波形图

4 总结

通过对单相全桥逆变系统的工作原理进行分析与探讨，验证了本文所提出的单相逆变系统控制方案具有可行性，解决了上下桥臂均为N沟道MOS管的导通问题，具有一定的实际应用价值。

参考文献：

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[3]王兆安，刘进军.电力电子技术（第5版）[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4]黄峥，古鹏.H桥式逆变器的主电路控制设计[J].机电工程技术，2009，40（1）：75-78.

[5]陈建萍，张文，魏仲华.一种基于IR2113的隔离型MOSFET驱动电路设计[J].赣南师范学院学报，2011（3）：57-59.

基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12531524）。

作者简介：王中鲜（1982-），男，黑龙江哈尔滨人，工程师，博士研究生，主要从事电力电子技术、电机设计及驱动技术研究。