基于EG8010的单相逆变器的设计与实现

薛 玉 张泽华

（山西师范大学物理与信息工程学院，山西 太原 030000）

1 引言

逆变器技术在太阳能、风能等新能源领域的开发和利用方面至关重要。由于逆变器效率高、稳定性强、输出精度高等优势，其被广泛应用于光伏并网、风力发电等领域。本设计介绍一种基于EG8010的单相逆变器，采用单相全桥逆变方式，以EG8010为主控制芯片产生单极性SPWM波，再经过全桥和滤波电路，完成逆变。另外该电路还具备过流和过压保护功能。

2 理论分析

SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦波脉宽调制）波是以脉冲宽度占空比按正弦规律排列的PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）波，该波经过适当滤波可得到正弦波。因PWM波的电压极性不同，可知SPWM波有单极性和双极性两种工作模式[1]。在双极性的SPWM逆变电路中，同一个桥臂的两个开关管交替进行导通与关断；而单极性的SPWM在半个周期内，同一桥臂的两个开关管只有一个导通，另一个则是截止的。单极性SPWM在正弦波的正半周期与负半周期都只有一种极性，且互为相反。单极性SPWM波调制原理如图1所示。

图1 单极性SPWM波调制原理

SPWM波形主要是通过正弦调制波ur和三角载波信号uc相比较得出。当ur幅值大于uc幅值时，S1为高电平，S2为低电平；反之，S1为低电平，S2为高电平。另外，调制波ur为正半周时，S3为低电平，S4为高电平；反之，S3为高电平，S4为低电平。

图1中S1-S4信号分别作用于图2中开关管Q1-Q4的栅极。在正弦波的正半周期内，左上管Q1进行SPWM波开关动作，右下管Q4一直导通，两者共同构成通路，为负载输送电流，此时左下管Q2进行着与左上管Q1反相的开关动作，作用只是给滤波电路提供续流放电回路，并不参与向负载输送电流，右上管Q3则一直关闭；在正弦波负半周期内，左下管Q2进行SPWM波开关动作，与右上管Q3构成主通道，此时左上管Q1作用是提供续流，右下管Q4则一直关闭。

图2 全桥逆变电路

由图1和图2可知，单极性SPWM在半个周期内，控制左桥臂开关管高频开关动作，右桥臂开关管长通或长闭，其与双极性SPWM相比，开关损耗更低，变换器的效率更高。

3 电路设计

系统设计模块框图如图3所示。

图3 系统具体设计框图

其中，EG8010模块实现单极性SPWM波产生；IR2110S模块实现对逆变电路开关管的驱动；单相全桥逆变电路在SPWM波的控制下，完成由直流电向交流电的转变；电压反馈确保输出稳定；过流和过压保护电路实现在过流和过压情况下，能够切断SPWM波的输出，从而防止过载对开关管和负载电路损坏。

3.1 信号发生电路

本设计选用纯正弦波逆变发生器EG8010芯片作为SPWM波发生器。EG8010芯片主要引脚与功能如表1所示。

表1 EG8010芯片主要引脚与功能表

芯片工作时，在EG8010芯片的26引脚的工作电源端和17引脚基准电压输入端提供5V电压；内置状态控制器的FRQSEL0与FRQSEL1引脚设置为“00”使得输出频率为50Hz；在单极性调制时，27、28引脚分别作为右桥臂上、下管的基波输出，29、30引脚作为左桥臂SPWM调制输出[2]；13引脚作为正弦波输出电压反馈的输入端；14引脚作为负载电流反馈的输入端。

3.2 驱动电路

因芯片EG8010产生的信号功率无法直接驱动开关管，因此需要增加一个驱动电路[3]。本设计选用专用驱动芯片IR2110S，以此保证SPWM信号可以顺利驱动开关管。因IR2110S是半桥驱动芯片，所以在电路设计中，需要使用两个IR2110S来共同作用。其中左桥臂驱动电路（右桥臂使用相同驱动电路）如图4所示。

图4 左桥臂驱动电路

在图4中，EG8010芯片的SPWMOUT3和SPWMOUT4分别接入芯片IR2110S的HIN引脚和LIN引脚，通过IR2110S的HO引脚和LO引脚输出，分别接入如图5所示的逆变电路左桥臂的两个开关管的栅极，作为Q2与Q1的驱动；C5和D1形成自举升压电路，为Q1开关管的栅源提供一个悬浮供电电压；其中，自举电容C5用来存储能量，D1用来防止电流倒灌情况的发生。右桥臂驱动电路中IR2110S芯片的HO与LO接入SPWMOUT1与SPWMOUT2之后作为图5中Q3与Q4的驱动。

图5 全桥式逆变电路拓扑结构原理图

3.3 逆变电路

逆变电路的设计是整个电路最重要的、最核心的部分。在逆变器主电路常用的几种拓扑结构中，根据功率开关MOS管、电感L、电容C、二极管D、负载R连接方式的不同，可以分为推挽式逆变电路，半桥式逆变电路和全桥式逆变电路。[4]本设计选用单极性调制方式，因此选用全桥式逆变电路。其结构简单，带负载能力强，是常用的一种电路拓扑结构。全桥式逆变电路拓扑结构原理图如图5所示。

因MOSFET管工作效率高，输入阻抗高，驱动电路较为简单，本设计采用型号为IRF840的4个N沟道MOS管作为功率开关管。其Uds（漏源电压）为500V，可以承受较高的电压，开关损耗小。在逆变电路工作过程中，当Q4导通时，Q3关闭，Q1与Q2两个开关管通断互补，输出交流负半周；反之，当Q3导通时，Q4关闭，Q1与Q2两个开关管通断互补，输出交流正半周。全桥逆变电路的输出再经过LC滤波电路后变成纯正弦波。

为了改善驱动脉冲的精度与速度，Q1的栅极上串联了电阻R1和二极管D2的并联电路，用来削弱漏极的尖峰电压[5]。在Q1的栅极与源极之间跨接10KΩ的电阻R2，除了为Q1的栅极提供偏置电压外，还防止Q1的栅极有静电积累，导致Q1误动作甚至Q1的栅极和源极之间击穿。其余3个MOS管栅极电路设计相同。

3.4 滤波电路

为了输出波形谐波成分少，本方案设计选用LC滤波器。因设计要求输出功率p=30W，输出电压Uo=30V，交流频率为50Hz，故选取截止频率fc=300Hz。则额定负载电阻为：

电感L的取值为

电容C的取值为

3.5 电压反馈电路的设计

为了稳定交流电的电压输出，必须引入电压负反馈电路。电压负反馈电路如图6所示。

图6 电压负反馈电路

通过R9、R10、电位器R11和电容C7构成电压采样电路，通过EG8010芯片VFB引脚接入内部的反馈信号处理模块，与内部基准电压作比较，对正弦波输出电压进行调整，当该引脚电压升高时，说明输出电压升高，经内部电路调整后达到稳压状态，调整电位器R11就可以调整输出电压大小。电容C7可以滤除一部分高频谐波，防止电压高频谐波的突变对输出电压产生影响。

3.6 保护电路的设计

3.6.1 过压保护

过压保护电路如图7所示。5伏的VCC经R15和R16两个等电阻分压后，输入到LM324反向输入端的电压约为2.5V；为防止电位器调节过程中变化太快，电压变化过大，将R12与R13并联，与R14分压后输入LM324同相端；当输入端的电压大于2.5V时，LM324会输出高电平，并将其输入或非门，高电平经过或非门后变成低电平，接入EG8010芯片的使能端SPWMEN引脚。当SPWMEN输入为低电平时，停止产生SPWM波，从而达到保护电路的作用。反之，芯片正常工作。

图7 保护电路

3.6.2 过流保护

过流保护电路设计如图7所示，全桥逆变电路的输出电压，经过阻值相等的两个电阻R19和R20串联组成的分压电路，再通过R17对运放进行偏置后连接到LM324放大器的同相输入端，对采样得到的电压信号放大。放大后的信号连接到比较器的同相端，与电阻R23、R24通过分压得到的参考电压2.5V进行比较，当流经负载的电流超过1.2A时，调节电阻R21，使得比较器LM324输出为高电平，再接入或非门[6]。

当出现过流或者过压任一情况时，或非门都输出低电平接入EG8010芯片的使能端SPWMEN，从而关闭SPWMEN波的产生。

4 测试结果

4.1 效率测试

固定逆变电路提供43V直流电压，0.8A电流，在输出交流电压30V，输出电流1A情况下，根据测试结果计算输入功率PI、输出功率PO和效率η。

重复测试逆变电路效率结果如表2所示。

表2 逆变电路效率测试表

根据测试结果可知，当输入电压为43V，输出交流电压30V和交流电流1A时，逆变电路输出效率为87.83%±0.53%。

4.2 负载调整率测试

当输入电压不变，使得输出交流电流IO在0.1A～1.0A范围变化时，负载调整率如式7所示。

其中，UO(0.1A)和UO(1.0A)分别表示交流输出电流是0.1A和1.0A时的交流输出电压值，此处UO为固定交流输出电压值30V。重复测试结果如表3所示。

表3 负载调整率测试表

根据测试结果可知，负载调整率的范围在0.46%±0.04%之内。

4.3 保护电路测试

调节负载电路和反馈电路的电阻，使得输出电压和输出电流分别在30V和1.2A附近变动，测试结果如表4所示。

表4 或非门输出测试表

由测试结果可见，当输出电压不超过32V且输出电流不超过1.2A时，即未出现过压和过流的状态，或非门输出高电平，EG8010使能端为高电平，产生SPWM波，逆变电路正常工作；当出现过流或者过压任一情况时，或非门都输出低电平，EG8010使能端为低电平，关闭SPWM波，以便电路停止工作，从而起到保护电路的作用。

4.4 逆变电路抗老化测试

仍给逆变电路提供43V直流电压和0.8A电流，经过不同时长的持续工作，测试效率如表5所示。

根据测试结果可知，逆变电路在经过96小时的持续工作之后，输出效率下降3.15%。

5 结语

本文详细介绍了基于EG8010的单相逆变器的设计与实现。总电路包含：EG8010为核心的单极性SPWM产生模块、IR2110为核心的驱动模块、IRF840为核心的全桥逆变模块、LC滤波模块、LM324为核心的电压反馈模块、LM324和74LS02为核心的电压和电流保护模块。通过测试，在直流供电43V，输入电流0.8A，输出交流电压30V和交流电流1A时，输出效率为87.83%±0.53%，负载调整率在0.46%±0.04%之内，逆变电路抗老化测试后输出效率下降3.15%。