一种新型单相全桥SPWM逆变器设计方法*

郭石垒，秦会斌

（杭州电子科技大学新型器件与应用研究所，杭州310018）

一种新型单相全桥SPWM逆变器设计方法*

郭石垒，秦会斌*

（杭州电子科技大学新型器件与应用研究所，杭州310018）

针对两级式逆变器，在DC-AC逆变部分，采用单相全桥SPWM调制，再经过低通LC滤波，可输出平滑正弦波。介绍了一种新型单相SPWM逆变器设计方法，通过驱动板产生单相脉宽调制正弦波，驱动板采用屹晶微电子的纯正弦波芯片EG8010，驱动全桥回路，输出经低通LC滤波，可输出标准正弦波。逆变器驱动板和全桥拓扑以及外围电压反馈电路可实现正弦波逆变器的设计，制作了逆变器，试验测试负载功率3 kW，输出正弦波电压波形较好。

SPWM；DC-AC逆变器；EG8010；LC滤波；全桥拓扑

在两级式逆变器设计中，DC-AC逆变技术在生成正弦波时，多采用SPWM调制方式，调制输出再通过低通LC滤波，可减小谐波含量，得到比较标准的正弦波［1-4］。

而实际设计逆变器时，产生SPWM驱动波方法较多，可以采用TDS2285专用芯片产生SPWM调制驱动波［5］，也有通过DSP编程产生SPWM驱动波［6，7］，在驱动电路板有时因布局产生问题。采用基于EG8010芯片的EGS002驱动板，可以对驱动电路直接整体更换，同时可以产生稳定SPWM驱动波，驱动全桥电路，经LC低通滤波，产生平滑正弦波。驱动板产生SPWM驱动信号，加上LC低通滤波，整机外围器件少，运行稳定可靠。

1　驱动板介绍

驱动板EGS002是专门应用在单相纯正弦波类逆变器驱动板，采用正弦波发生器芯片EG8010和IR2110s驱动放大芯片。给驱动板提供5 V电压和10 V～15 V直流电压，10 V～15 V直流电源可通过辅助电源得到［8］，即可输出SPWM波，外加电压反馈回路、温度反馈和电流检测回路即构成完整逆变器输出，驱动板如图1所示，各管脚功能介绍如表1所示［9］。

图1EGS002驱动板及管脚图

驱动板管脚描述如表1所示，管脚的序号和功能进行描述，如表1所示。

表1　驱动板管脚描述［9］

驱动板驱动上下开关管相互隔离，pin3、pin5、pin6为右桥臂驱动，pin8、pin9、pin10为左桥臂驱动［9］。

驱动板电路图电路［9］如图2所示。

图2是驱动板的电路图，由图2可见，驱动板采用数字化纯正弦波发生器芯片EG8010产生SPWM信号，引脚1-17，定义如表1所示，通过1LO和1HO输出50 Hz基频方波，如图3中波形1所示；2LO和2HO输出单极性调制波形，如图3中波形2所示。

图2　驱动板电路

图3　驱动板驱动波形

其中1LO、VS1和1HO驱动逆变全桥的右桥臂，2LO、VS2和2HO驱动逆变全桥的左桥臂。

2　逆变部分全桥及滤波电路设计

2.1全桥拓扑及LC滤波设计

逆变器全桥拓扑结构如图4所示，SPWM逆变器的谐波较高，需要采用二阶LC低通滤波器，LC滤波器设计既要考虑滤波器的截止频率，也要考虑滤波器的功率容量，滤波器可减小输出电压谐波含量且滤波阻频特性好、滤波消耗功率少等特性［1-2，10-11］。

滤波器的传递函数为

式中：wL是LC谐振角频率，是阻尼系数，Uin（s）是滤波器输入电压，Uout（s）是滤波器输出电压，S是Laplace算子。

图4　单相SPWM拓扑

滤波器截止频率远小于PWM中所含最低次谐波频率，且远大于基波频率（50 Hz），截止频率选为载波频率的1/10到1/5之间［1，12］。

w1为基波角频率1/（2πf），Is是电感电流的基波有效值，Uo是电容电压基波有效值，而滤波器的无功容量Q可用（3）式表示，

由式（2）的

对于电阻性负载，

结合上面各式，使无功容量Q最小且输出功率最大，则可确定Uo和Io值。无功容量Q对L求导，可计算L数值，并确定电容C数值［1，10］。

2.2电压反馈电路设计

电压反馈采用工频变压器隔离反馈（相对于直接电阻反馈更稳定），经整流桥DB107S整流，通过调节可调电阻VAR值，VFB电压约3 V，接驱动板的VFB管脚，可线性调节输出电压值，反馈电路如图5虚线框所示［13］。

图5　电压反馈框图

3　设计实例

基于EGS002驱动板，设计一款单相电压型SPWM逆变器，逆变器参数，MOSFET选用IRFP32N50K，输入电压E的变化范围为360 V～370 V，输入电压E可通过DC-DC变换［14］，从低电压得到，逆变器的输出电压220 V，容量3 kW，输出的基波频率为50 Hz，调制载波频率为23 kHz，逆变器拓扑框架如图4所示。

电路参数滤波器参数，截止频率为载波频率的十分之一左右［1，12］，约2 kHz，计算选取电感为1.5 mH，电容为2.2 μF。根据设计电路，进行试验，波形衰减100倍，输出电压有效值219 V，频率50 Hz，LC滤波前Ui电压波形有大量谐波组成，如图6所示，而经LC滤波后，输出电压Uo电压波形为平滑正弦波，如图7所示。

图6　LC滤波器前电压Ui波形

图7　逆变器输出电压波形

3 kW逆变器实物图，如图8所示。

图8　逆变器实物图

4　结束语

文章提出一种新型单相SPWM逆变器设计方法，采用分离式的驱动板，经计算的LC滤波参数通过试验调整，可输出比较理想的正弦波波形电压，经试验EGS002驱动板可应用在3 kW正弦波逆变器上。可插拔驱动板的应用，对逆变器的后期维护和降低检修成本提供较大便利。

在非隔离单相正弦波逆变器设计上，运用驱动波形稳定的SPWM驱动板和合适耐电压和耐电流的N-MOSFET开关管，以及LC低通滤波器，可较快速地实现逆变器的设计制作，可插拔驱动板的使用，对单相逆变器设计及推广有积极意义。

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郭石垒（1984-），男，硕士研究生，山东菏泽人，研究方向为中小功率逆变器，guoshilei361@163.com；

秦会斌（1961-），男，山东泰安人，博士，教授，博士生导师，研究方向为新型电子器件设计及应用、抗电磁干扰技术，qhb@hdu.edu.cn。

A Novel Design Method for Single Phase Full-Bridge SPWM Inverter*

GUO Shilei，QIN Huibin*
（Institute of Electron Devices&Application，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

For the two-step inverter，with single phase full-bridge SPWM and low-pass LC filter，standard sine waveform inverter can be made.A novel method to design single-phase SPWM inverter was introduced.With the singlephase pulse width modulation sine wave from the driving-board，and the driving-board using Yi Jingwei electronics' pure sine wave chip named EG8010，and with LC low-pass filter circuit，then a sine waveform inverter can be made，experiments with this inverter show that the maximum power of inverter can reach to 3 kW.

SPWM；DC-AC inverter；EG8010；LC filter；full-bridge topology

TN46

A

1005-9490（2016）05-1261-04

项目来源：浙江省科技计划项目（2015F0024）

2015-11-02修改日期：2015-11-24

EEACC:836010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.046