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【工程师6】+实践类+基于EG8010的60V/3000W正弦波逆变器 解决单极性调制单边桥臂发热的一种方法
阅读: 945 |  回复: 38 楼层直达

2019/08/13 18:01:18
1
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长

QQ截图20160321155901 内容精选】管理员精心选择的优质内容 快来讨论吧


   令人期待的大赛又开始了,我这个菜鸟也来凑下热闹。以往大赛各位大师的作品让人膜拜不已,自己学到了不少的东西。

   这次准备做一个离网正弦波逆变器,SPWM芯片用EG8010,电路相对简单,对于业余水平比较容易做成功。

输入电压:60V

变压器:单个双磁芯EE55

目标功率:3000W

常规结构:前级推挽,后级H桥,单极姓调制交替驱动。

相关芯片:SG3525 EG8010

   以往也做过逆变器,感觉还不是很满意,借着这次机会重新做一个,准备采用左右对称布局,变压器在中间,左右各一块散热器,推挽的管子左右各装一半,H桥的管子也是左右各装一个桥臂。由于EG8010采用单极性调制方式,高频臂频率高,开关损耗相对大,会造成两块散热器发热不均,决定采用单极姓交替方式来实现均热。不考虑采用双极性调制,虽然发热均匀,但各管都工作在高频下,总的开关损耗比单极性大,影响整机效率。  

   下面研究下怎么实现单极姓交替调制。  拜读过老寿先生的“【用EG8010驱动大功率IGBT模块的驱动板】一帖,深受启发,非常佩服老寿先生的精湛技术!老寿先生是为了获得更大的死区时间,用RC延时+逻辑门方式另建死区,经一系列逻辑门最后实现单极性SPWM交替输出,达到两桥臂发热一致的目的。

    本次不需要改变死区时间,保留EG8010内建死区时间,因此电路相对简单,只需要在EG8010后加一片逻辑门芯片,就可以实现交替驱动。其实原理很简单,以下作简单分析,有错误的地方,敬请大师指点!

  先看下图,对比下单极性和单极姓交替波形时序图的区别,常规的H桥:

EG8010单极性波形

  单极性工作过程,在正弦波的正半周(正负只是相对而言)内(即10ms),左上管Q1进行SPWM波开关动作,右下管Q4则一直导通,两者共同构成通路,向负载输送电流,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LC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。在负半周期内,上下管的动作则相反。变为左下管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。就这样一直循环轮流工作。左桥臂的两管始终进行高频开关动作,右桥臂的两管始终进行低频开关动作,因此左桥臂天关损耗肯定大于右桥臂。

  单极姓交替波形:

  上图是每半个周期(10ms)交替一次的单极性波形时序图。通过对比发现,交替方式在正弦波的正半周内,各管的开关动作和单极性是一样的,不同的是负半周的动作:右上管Q3进行SPWM波开关动作,与一直导通的左下管Q2构成主功率通道,此时右下管Q4提供续流,左上管Q1则一直关闭。一直循环交替工作,实际就是在另半个周期内,Q1和Q4,  Q2和Q3对换了位置。这种方式两个桥臂的工作状态相同,发热情况则相同。

    但严格来说,这种每半周交替一次的方式,只是两个桥臂发热情况相同,并非是每个管的发热相同,因为上管比下管压力大,SPWM波主功率开关动作都是由上管完成的,此时下管要么只是提供续流回路,要么一直导通。开关损耗低于上管。但总体比单极性好! 

  其实这种交替方式,可以简单理解为用一个四刀双掷的开关进行切换。如图:

因此用一块逻辑门就可以实现切换,74HC157,四路2选1数据选择器,迟点贴上仿真文件。

2019/08/14 11:41:24
2
hylylx
电源币:115 | 积分:40 主题帖:2 | 回复帖:1789
LV9
军长
高,干货太少
2019/08/14 16:09:22
3
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长

先来仿真单极性电路,电路图用Multisim 14.0画的,方便直接进行仿真,由于Multisim很多器件没有,EG8010也不会有,只能用函数发生器加比较器搭了一个电路来产生SPWM波,来模拟EG8010的单极性SPWM波,如下图,为了看清楚SPWM,特意将调制频率设成只有1khz,基频为50HZ

然后在后面加上一个简单H桥,经RC滤波后,得到正弦波

下面加入四路2选1开关74HC157来实现交替驱动

交替驱动最后得到的正弦波是一样的。

74HC157一脚为通道选择脚,低电平时选通A路,高电平时选通B路,直接接入一路50HZ的基波进行选通刚好达到需要,就能实现上半周选通A路,下半周选通B路。15脚为使能端,低电平时工作,高电平时关闭输出,可以接到保护电路,在某种情况时可以关闭输出。

贴上仿真文件,版本Multisim14

74HC157输出为同相信号,适合直接连接IR2110之类的驱动芯片,如需要输出反相信号,可用74HC158,比如驱动光耦

2019/08/14 22:18:46
4
水乡电源[版主]
电源币:277 | 积分:46 主题帖:9 | 回复帖:681
LV9
军长

楼主的思路很好,

请问楼主,CD4001或者4011是不是也可以?能仿真一下吗?

2019/08/14 23:03:19
5
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长
找了一下,CD系列好像只有两通道4选1开关
2019/08/14 23:58:50
6
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长

CD4001是四2输入端或非门  不行的,或门的意思是,两个输入端,任何一个有信号输入,就会有输出,如果两个同时加信号,就变成了“混合”输出了

CD4011四2输入端与非门    与门,的两个输入端,其中一个作为信号入,另一个做控制信号。可以实现由控制信号来控制是否输出,用一片应该是无法实现想到的结果的,下面是仿真结果

注意看圈出的地方,上下管作为基频时相位相同,是要炸机的,必须是反相的

2019/08/15 09:03:06
7
水乡电源[版主]
电源币:277 | 积分:46 主题帖:9 | 回复帖:681
LV9
军长

看了一下4011的结果,看来4011要加点什么才可以,


Multisim 14.0 你是 怎么装成功的?我之前装过,装不好

2019/08/15 23:07:13
8
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长
两片4011一起工作也能实现,只是相对麻烦一点。我是下载一个破解版,有安装教程的,安好之后,用破解工具生成许可证文件,然后导入就可以了
2019/08/15 23:40:27
10
水乡电源[版主]
电源币:277 | 积分:46 主题帖:9 | 回复帖:681
LV9
军长


我用楼主的原文件试了一下,与门+反向器,这是1K的,

下面是20K的



这是我试了之后的 ,搞这些小信号,还是楼主厉害


2019/08/17 14:58:04
22
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长

版主的逻辑方法是可以的。只是深入考虑,如果是带了死区的SPWM,直接反相其中一路信号来获得另一路的话,会丢失原来死区时间。

其实可以版主的方法,可以简化成下面的等效电路

2019/08/15 23:36:43
9
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长

其实还可以实现一个工频周期甚至两个周期交替一次,增加一块D触发器CD4013,对50HZ的选择信号进行二分频或四分频,这样的话H桥每个管都有机会扮演每个角色,真正意义上每个管工作情况一样。

但按这样搭电路试验时,发现无法与EG8010的VFB稳压反馈端所需要相位匹配,导致无法稳压,EG8010稳压反馈是要求对应29脚左上管,输出SPWM主功率波时,有相应的馒头波峰值反馈,才能进行稳压。如果不需要稳压则可以用这种方案,否则只能用半个周期交替一次了。

这几天都在搭电路试验,试验成功,再整理下电路图,再画板

2019/08/16 10:40:52
11
水乡电源[版主]
电源币:277 | 积分:46 主题帖:9 | 回复帖:681
LV9
军长

楼主为了做逆变器,考虑4管温升问题,用8010+逻辑门,为何不考虑用EG8011,8011直接输出4路单极姓交替方式、每个管工作10mS的SPWM,

你还省了74HC157

2019/08/16 22:00:26
12
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长
是的,EG8011确实能直接出来四路交替的SPWM波,我也买过搭过电路试过,没有问题,只是脚太小焊接有点困难。我之所以要用EG8010,是想在过载短路保护时,可以对高频臂和低频单独控制。即可以实现所谓的“软压缩”,有利启动冲击负载。EG8010可以实现在交替之前进行单独控制,EG8011则直接出来的已经是交替的SPWM波,无法直接单独控制。不知版主是否了解软压缩?
2019/08/16 23:02:14
14
薄浩楠
电源币:20 | 积分:9 主题帖:1 | 回复帖:28
LV4
连长
EG8011需要搭隔离电路吗
2019/08/16 23:13:07
15
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长
EG8011可以不用隔离的,可以直接高低端驱动芯片,IR2110之类
2019/08/17 00:06:56
18
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长

花了几天时间,完成大概布局,CAD画的。几乎是全对称的布局,采用单个变压器EE55双磁芯,双铁硅铝磁环,前级8管。后级8管,双管并联,前后级驱动电路在同块小板上,独立的反激辅助电源

2019/08/17 13:25:52
19
gxg1122
电源币:1223 | 积分:12 主题帖:160 | 回复帖:1498
LV9
军长
楼主厉害,模拟电路应用的很熟练,经验丰富。多讲解,来学习了。
2019/08/17 13:27:34
20
gxg1122
电源币:1223 | 积分:12 主题帖:160 | 回复帖:1498
LV9
军长
楼主能上传分享下你仿真的源文件吗?自己在摸索学习下。
2019/08/17 14:28:06
21
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长

74HC157交替仿真.rar

2019/08/16 23:01:23
13
薄浩楠
电源币:20 | 积分:9 主题帖:1 | 回复帖:28
LV4
连长
大佬,这个逆变器您用的2104驱动么
2019/08/16 23:16:19
16
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长
我打算用光耦TLP250或350驱动,且用多路独立的正负电源供电,更可靠。IR2104驱动电流较小,适合驱动功率较小的管
2019/08/16 23:37:09
17
薄浩楠
电源币:20 | 积分:9 主题帖:1 | 回复帖:28
LV4
连长
嗯嗯,谢谢哥的分享
2019/08/17 17:24:26
23
水乡电源[版主]
电源币:277 | 积分:46 主题帖:9 | 回复帖:681
LV9
军长

楼主玩仿真厉害,

楼主在仿真软件里有见过TL494吗?或者SG3525之类的芯片输出2路PWM的,

我找遍了都没

2019/08/17 19:13:46
24
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长
软件自带应该是没有的,只有一些常规的,用这类芯片得另外安装元件库
2019/08/19 21:28:42
25
水乡电源[版主]
电源币:277 | 积分:46 主题帖:9 | 回复帖:681
LV9
军长








74ALS08+74ALS32交替仿真.rar



楼主,这样的可不可以?

2019/08/19 22:59:46
26
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长
可以的,版主厉害,想法很新颖,用与门加或门来实现,分析得知:当SPMW与50HZ基频分别同时输入或门时,和同时输入与门时,恰好得到两路,所需要的交替波。过程中不影响SPMW波到原来带死区的时间
2019/08/19 23:56:05
27
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长

花了大量时间搭电路试验,然后整理一下电路:前后级电路在同一驱动板上,其实叫信号发生板更合适,因为板上不带直接驱动功率管的元件。驱动元件在主板上,设计PCB时驱动电路尽量靠近功率管效果更好,容易得到理想驱动波形。

驱动板电路

   SPWM信号在进行交替前,加入短路保护和防共通保护,用逻辑芯片实现,短路动作时进行“逐周边沿触发关断”,用RS触发器CD4044+与门74HC11来实现,经试验效果相当理想。防共通保护,主要考虑EG8010是单片机,难免可能出现失常的时候,最怕就是上下管同时输出高电平,那样会直接炸管,用与门实现防共通,当检测到上下管都为高电平时,与门输出高电平去关断后面的74hc158,由于要用低电平去驱动光耦,后面用了74hc158输出交替的并是反相的信号。

主板电路

  主板前级用常规推挽电路,MOS管用图腾柱驱动,加入了“驱动开机渐加速电路”来减小开机瞬间对MOS管的冲击,利用RC延时的原理来控制MOS管线性导通,改变图腾柱供电内阻来实现。

  开机瞬间烧前级管的情况相信很多朋友都遇到过,原因就是开机瞬间高压电容充电电流大,MOS管电流上升太快,变压器引起DS尖峰电压过大击穿MOS管。用软启动(即脉宽由窄慢慢变宽的过程)的方法有一定的缓解的作用,但是单个脉冲电流上升依然是很快的,因此还是有烧管的可能。其实最有效方法是降低MOS管的开启时间,开启慢,电流上升也会慢。但是增加开启损耗,单为了开机安全,要令整个工作时间增加损耗是不可取的。加入这个电路就可以实现是开机瞬间慢慢上升,经过数秒后,恢复正常状态。经试验此电路可以开机瞬间,GS上升时间由2US左右,渐渐加速到正常的200多ns,大概两秒时间内完成,实测开机瞬间DS波形的毛刺明显减少,非常有效。 

  后级H桥用8个IGBT ,IBGT并管虽然并不会明显提高效率,减少发热,但抗冲击能力要强很多,用TLP350光耦隔离驱动,全部独立供电,正15V驱动,负5V关断,由一个独立的EE19反激电源提供多路电压。相对上管用自举供电方式要可靠得多,负压关断有效抑制上下管开关过程因相互干扰而可能引发的误导通。只是电路相对复杂,成本也高。

2019/08/20 08:20:04
28
水乡电源[版主]
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LV9
军长

楼主用三极管做图腾来驱动前级,这样的驱动很不好哦,

建议楼主直接用专驱芯片来驱动前级,波形漂亮、驱动能力也强悍,

三极管驱动前级这么多管子,是有问题的,无论什么三极管,都是行不通的。

2019/08/20 08:21:34
29
水乡电源[版主]
电源币:277 | 积分:46 主题帖:9 | 回复帖:681
LV9
军长

楼主的原理图中,8010的脚位号似乎不对呢?

输出4路信号的4个脚是27、28、29、30,楼主怎么搞成了32脚了?

2019/08/20 08:23:38
30
水乡电源[版主]
电源币:277 | 积分:46 主题帖:9 | 回复帖:681
LV9
军长

在8010到TLP350之间,楼主加了这么多东西,太复杂了,会不会影响信号的速度?

东芝的TLP350、250不是随时货源都充足,VO3120大把货

你应询问你的材料供应商,是否货源随时OK

2019/08/20 08:36:26
34
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长
实测8010到TLP350之前过程只延迟了不够100NS,CMOS器件的响应速度还是很快的,TLP350最大延迟为500ns,实则为300ns左右。业余制作,不是量产,用不了那么多货
2019/08/20 08:24:17
31
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长

是哦,搞错了,马上改过来

2019/08/20 08:33:22
32
水乡电源[版主]
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LV9
军长

SOD1H1-1H8.pdf


SODF1-F7.pdf

SOD4001-4007.pdf

那些VCC整流的二极管,用这些SOD-123FL封装的,会缩小很多地方,很好用

2019/08/20 08:37:59
35
FQCAD
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LV4
连长
我用的是SR160贴片的,封装和1206一样大,尺寸可以了
2019/08/20 08:35:12
33
FQCAD
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LV4
连长
其实没有多大区别,就三极管驱动响应延时比芯片稍大一点,用过UCC27324驱动过同样的一路4个管,管型号一样,GS电阻同样用4.7欧,芯片的上升时间还没有三极管的快,UCC27324为250NS,D882+B772能达到140ns,也有可能买到UCC27324非正品
2019/08/20 08:39:27
36
水乡电源[版主]
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LV9
军长

27324有个鸟用,你前级8只MOS,要上MIC4452,

MIC4452.pdf

2019/08/20 08:52:01
37
水乡电源[版主]
电源币:277 | 积分:46 主题帖:9 | 回复帖:681
LV9
军长

楼主,你的有没软压缩?

用了393,4个单元,有一个单元是多余的吧?U7B不要吧?

如果确实要用393的4个单元(2片393),那直接用1片LM339(4个单元)。性能一样

2019/08/20 09:16:14
38
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长
有软压缩的,和短路区别不大,四个单元都是要的,两个是分别保护左桥臂和在右桥臂,只是阀值不一样,U7B是给UB6触发的,UB6是过载保护,用RC延时大概5秒,达到阀值U7B翻转,可以加一个二极管翻转后锁定。用两个393而不用339主要是考虑布线方便点
2019/08/20 09:45:20
39
FQCAD
电源币:45 | 积分:10 主题帖:2 | 回复帖:51
LV4
连长

4452,12A的电流太夸张了,一路就驱动4个小管,大材小用了。用三极管便宜,简单,主要是可以直接配合”开机渐加速电路“,原理就是在驱动电源上”作手脚“,用芯片的话可能导致芯片不能正常工作,有些芯片具有欠压保护。

开机过程,MOS上升波形由斜慢慢变陡,大概两秒时间,C2表示MOS管的等效输入电容

渐加速驱动仿真文件.rar

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