基于555 定时器的半桥逆变电路设计

江 慧 房家阳

(东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨150040)

1 半桥逆变电路的设计背景

1.1 半桥逆变电路的设计背景

逆变电路已经广泛应用于工农业生产和生活中，对于蓄电池、干电池、太阳能电池等这些已有的直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。而单相电压型半桥逆变电路是最基础也是最简单的一种无源逆变电路，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成，在直流侧接有两个互相串联的足够大的电容。

半桥逆变电路的优点使简单，使用器件少，并且其他复杂的逆变电路也是以半桥逆变的结构为基础加以拓展，原理大致相同。因此学会如何设计电压型半桥逆变电路及实现半桥逆变电路工作频率的调节变得十分重要[2]。

1.2 半桥逆变电路的工作原理

系统方案如图1 所示，在电路原理框图中，包含直流电源和半桥逆变电路分构成电路的主电路，指挥主电路中逆变桥正确工作的驱动电路和控制电路以及由电阻电容组成的保护电路(图2)。

本方案采取的半桥逆变器由主电路，控制电路，驱动电路，保护电路四部分组成。

其中主电路为单相半桥逆变电路，控制电路由555 定时器和逻辑非门构成，驱动电路通过推挽电路来实现，保护电路通过跨接电容电路实现。

工作原理如下：控制电路以555 定时器为核心，利用可变电阻器产生一系列频率可调的方波，通过与逻辑非门产生反相的方波，经过推挽电路进行放大构成驱动电路驱动开关器件IGBT的导通和关断[3]。在主电路侧通以24V 的直流电压可产生10kHZ-200kHZ 频率可调的交流电压，且通过电路中器件参数的设定实现固定工作频率为85kHZ 的电压输出。在开关器件外加电容构成保护电路，使电路能承受过电压和过电流。

图1 电路框图

图2 电路原理图

2 半桥逆变电路的控制电路、驱动电路设计

2.1 控制电路设计

2.1.1 控制电路设计图

控制电路以555 定时器为核心，采用555 定时器构成的多谐振荡器，改变电阻电容的值就可以改变多谐振荡器产生方波的频率，通过对其输出端加74LS04 反相器可得到相位相差180度的另一可调频率脉冲，由于驱动电流不够，通过推挽电路将电流进行放大，用放大后的两个可调频率脉冲控制主电路中IGBT的导通和关断。控制电路设计如图3所示。

2.1.2 555 定时器工作原理

555 定时器的功能主要由两个比较器决定[4]。由图3 可知，两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5 脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。若触发输入端TR 的电压小于VCC /3，则比较器C2 的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则C1 的输出为0，C2 的输出为1，可将RS 触发器置0，使输出为低电平。

为了使555 定时器能产生一定频率的方波，要使555 定时器工作于无稳态工作模式，可输出连续的特定频率的方波。电阻R1 接在VCC 与放电引脚(引脚7)之间，另一个电阻(R2)接在引脚7 与触发引脚(引脚2)之间，引脚2 与阈值引脚(引脚6)短接[8]。工作时电容通过R1 与R2 充电至2/3VCC，然后输出电压翻转，电容通过R2 放电至1/3VCC，之后电容重新充电，输出电压再次翻转。

无稳态模式下555 定时器输出波形的频率由R1、R2 与C 决定。

对于双极型555 而言，若使用很小的R1 会造成OC 门在放电时达到饱和，使输出波形的低电平时间远大于上面计算的结果。

为获得占空比小于50%的矩形波，可以通过给R2 并联一个二极管实现[7]。这一二极管在充电时导通，短路R2，使得电源仅通过R1 为电容充电;而在放电时截止以达到减小充电时间降低占空比的效果。

2.2 驱动电路设计

经过555 定时器输出频率可调的方波，经过反相器74LS04构成驱动电路可以使方波反相，但是输出电流很小，其数值无法满足IGBT 的启动与关断，因此需要加入推挽电路来进行电流的放大，推挽电路的主要作用是增强驱动能力，为外部设备提供大电流。推挽输出是用两个晶体管或者场效应管构成的推挽电路（在模拟电路中应用很广泛如功放驱动电机驱动等等），这个电路的特点就是输出电阻小，所以能够驱动大的负载[5]。

图3 控制电路

图4 推挽电路原理图

推挽电路结构为双管工作在线性放大区，其共输入端，共输出端。输入信号正半周信号由NPN 上管放大，发射极输出；负半周信号由PNP 下管放大，发射极输出；正半周时，下管截止，负半周时，上管截止，二管各负其责分工明确。输出端的负载RL，将正负半周波形合成为一完整波形[6]。电路图如图4 所示。

通过推挽电路放大，使输出电流可以达到接近2A，这样就可以驱动IGBT。

3 电路主要参数计算

为了使555 定时器可以实现输出10KHZ-200KHZ 的方波，需要设置555 定时器R1,R2 及C 的参数。通过公式计算频率：

占空比可用以下公式计算：

通过计算可得出不同频率下R1,R2,C1 的值（见表1）。

4 总体电路仿真

4.1 总体电路仿真及其波形图

总体电路通过Multisim 进行仿真，结果如图5-6。

4.2 调试过程

4.2.1 调试控制电路：按照PCB连接并检查555 定时器线路，在确保没有出现问题后将555 定时器接12V 电源，用示波器一端接定时器第三引脚，另一端接地。

4.2.2 调试驱动电路：按照PCB连接74LS04 和推挽电路，在确保没有出现问题后, 将555 接通12V 电源，74LS04 接通5V 电源，用示波器测量反向后的电压波形

4.2.3 调试总电路：按照PCB 连接所有电路后，在确保没有出现问题后，再给主电路接通24V 电压，用示波器测量负载两端波形。

表1 不同频率下阻值表

图5 总电路仿真

图6 总电路波形

5 结论

单相电压型半桥逆变电路作为最基础的逆变电路可实现直流电到单相交流电的转换，针对于不同电路需要不同频率的交流电，因此为得到频率可调的交流电对驱动电路和控制电路有一定的要求。本设计采用555 定时器及推挽电路，结构简单，操作方便，较好的完成了频率可调的交流电的设计要求。