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一款纯硬件的SPWM正弦波逆变系统

一款纯硬件的SPWM系统.



    首先说明一下,我不是搞电源的专业人士,搞逆变器完全是出于一种喜好,我没有专门学过系统的理论,所有对SPWM的认识,均学自网络,当然主要是这个电源网.xzszrs、 lizlk及其他坛中的高手就是我没有见过面的老师,也就是我是看着大家的贴子长大的.特别是钟工,他技术精湛,为人坦荡,是一位真诚的工程师,他的贴子,我不但全看,有的已经看了N遍,差不多会背了.
    因为不懂单片机的编程,所以,一直热衷于硬件SPWM的研究.这款SPWM经我三次大的修改,三次PCB打样,现在基本可以定稿了,经我试装的几张样板,现在性能都很稳定.现在发这个贴子,旨在抛砖引玉,电路设计方面肯定还有很多不合理之处,请大家斧正.
    本电路的正弦波信号预处理部分,我是参考了钟工的原创,这里特此表示感谢.
一,电路原理分析及部分元件的选择.
    电路中的U1B组成一个文氏电桥振荡器 ,它的特点是起振容易,波形失真很小,频率也很稳定.其振荡频率由R1 R2 C1 C2决定,当C1,C2为标准的104时,R1,R2为31.8K时,频率刚好为50HZ左右,R1,R2可以在标称电阻33K中挑选.VR3为反馈调节电位器,可以调节振荡器输出的正弦波的幅度.D5,D6为稳幅二极管.从振荡器出来的正弦波分成4路,2路进入U2A,U2B组成的精密整流电路变成馒头波;2路进入由U6A,U6B组成的同步波发生电路变成方波.
  U1A是一级隔离放大器,其电压增益为2倍,也可以接成跟随器的形式,因为我考虑到5532在做跟随器时是否会不稳定,所以给它一定的增益,它的主要作用是隔离振荡电路和它的4路负载.
    U2A,U2B组成一个精密整流电路,其特点是,经它整流的正弦馒头波,失真很小,能满足SPWM的要求.图中R4,R7,R8,R9,R16的阻值一定要一致,特别是R7,R9要配对(这5个10K电阻我用的是0.1%的精密电阻),否则,出来的馒头波会上下跳动.
    U3B就称它为稳压放大器:从精密整流电路出来的馒头波进入U3B的同相端,从H桥取样变压器次级出来的馒头波(也经整流,不能滤波)进入U3B的反相端,用来控制该运放的输出电压,起到稳压作用.
    U3A是一个加法电路:从U3B出来的馒头波进入U3A的同相端,同时U3A的同相端也接在一个直流电位上,把PP值为4V的馒头波,垫高2.5V.这个经垫高的馒头波就可以送到SPWM调制电路中,做为SPWM的基波信号.
    本电路的载波振荡器的核心是一块NE555时基电路U4.它实际上是一个高线性度的三角波发生器,三角波频率由R29,R30及C7决定,如图中所标的数值R29,R30为470R,C7为822,这时,三角波的频率约为20K,能满足SPWM调制电路的要求.为确保三角波的线性度,由Q1,Q2,Q3,Q4为电容充放电回路组成恒流源.三角波信号经Q5的E极输出,分别送到SPWM调制器U5A,U5B的同相端和反相端.这个调制电路实际上是一个电压比较器,它把20K的三角波信号和100HZ的馒头波信号进行比较,在输出端1脚和7脚分别输出二路极性相反的SPWM信号.U5可以用LM339或LM393,不能用速度较慢的普通运放,如324,358等等.
    另一块5532即U6A,U6B组成一个50HZ同步方波发生电路:从正弦波振荡器过来的正弦波信号(约12VPP),经二个电压比较器U6A,U6B后,产生二路带死区时间的低频同步波,电路中R39,R14决定二路方波的死区时间.经试验,当用5532时,R39,R14取510R时,死区时间大约为100US .U6A,U6B用358时死区时间为200US.
    在U5的输出端,接有一个高频波死区时间调整电路,由R47,R48,C20,C21组成,这4个元件是我第三次修改时加上去的.在没有这二组延时电路时,高频波的死区时间约为100ns,接上H桥后,在开环不稳压的情况下,表现很好.但在闭环空载时,H桥有轻微的直通现象.加了这二个回路后,高频波的死区时间调整为2us,闭环空载时的轻微直通现象消失.
    从U5出来的二路SPWM波和从U6出来的二路同步方波,一并送到由U7,U8,U9组成的时序编码电路进行分相编码,出来的是4路标准的SPWM单极性调制波,分别送到H桥的4个驱动电路中.
    这里有一点要特别说明:我用的H桥是用4个光藕做为输入驱动的,其设计要求为“低电平有效”,如果用其它驱动方式的H桥,原则上也可以,但如果其驱动方式为“高电平有效”的话,最后一级反相器U9一定要取掉.

    补充一点:电路中所有的电容,一定要用CBB电容,性能稳定,质量可靠,其它电阻最好用1%的真金膜电阻.


    二,信号板电路的调试:
1.在J1上接上+15V和-15V电源,D7,D16应该亮,测一下电流,+15V应该在50MA左右,-15V应该在60MA左右,说明电路基本正常.
2.用示波器测S1点,调节VR3,应该看到正弦波,频率在50HZ左右,调VR3使S1点的正弦波幅度在12Vpp,振荡器就基本调好了.
3.用示波器测S2点波形,应该看到馒头波,调VR1使馒头波的幅度在6Vpp,一般大于11V就会出现削顶,这样,精密整流电路就调好了.
4.用示波器测S3点波形,也应该是馒头波,调VR4让S3点的波形幅度在4Vpp,再调VR2使馒头波的谷点离开直流底线2.5V,这样,加法器电路就基本调好了,等接上H桥再细调.
   三,接上H桥联调:
    我把我用的H桥的电路也贴上来供大家参考,过载保护部分的电路没有画出来,原因是:当初设计时没有想到取样电阻上的电流是高频脉冲电流,误当成恒定直流了,一直到PCB做好了,装机调试时才发现这个失误,所以,原来的保护电路要重新设计,花了几百元打样的PCB也做废了,但H桥主电路部分还是能用的.下面我讲一下信号板和H桥部分联调的过程.
   1.先把信号板上J2插头上的第2号线断开,也就是,让H桥处在开环状态.
   2.把信号板J2和H桥连接好.
   3.接上母线电源,注意:为了安全起见,先不要接高压,可用低压先试,我是用一台双组0~30V,5A的稳压电源来试的,双组串联成60V,因为稳压电源一般都有恒流保护,所以比较安全.
   4.把示波器的探头打在10:1档,夹在H桥AC输出的二个端子上,再接上一点负载,我是接一个100W的36V的灯泡.
   5.接通信号板电源,H桥应该有正弦波输出,灯泡会亮.
   6.细调信号板上的VR2,让正弦波上下二个半波的过渡光滑自然,没有阶梯感;再调VR4,慢慢调大,正弦波会出现削顶,再稍回调一点,让正弦波顶部光滑自然,这样整个系统就基本调试好了.
   四,闭环稳压的调试:
    如果你只让系统工作在开环状态,那么,这一步可以不做,因为开环状态的波形失真很小,效率很高,经试验,在母线电压为52V的情况下,如果接上一个36V的灯泡,这时,母线电流为2A,也就是母线实际消耗功率为104W,测灯泡上的电流为2.79A,灯泡上电压为36V,这时实际效率为:2.79*36/104=96.5%.
    如果你一定要稳压,那就再做如下几步:
    1.调信号板上的VR4,慢慢调大馒头波的幅度,用示波器观看H桥AC输出端的波形,波形会出现明显的削顶,直到波形变成梯形波,停止调节,关机.
    2.把信号板J2上的第2号线接通,再开机,调信号板上的VR5,让输出的梯形波幅度慢慢变小,顶部分会慢慢开始圆滑,直到整个波形又变成正弦波时停止调节,这时,系统就工作在闭环稳压状态了,你可以取掉负载,看看电压有没有升高(应该变化很小),而且在空载时也应该是正弦波.

    系统工作在闭环稳压状态时,我还发现二个小问题:(1)闭环时的正弦波失真要大一点,波形有点发胖,馒头半波都有点轻微地往左歪(虽然是在可接受范围内),原因是,从取样变压器上反馈回来的馒头波的相位,和信号板上的馒头波的相位有一点点误差,我不知道怎么补偿才能解决这个问题,请有关专家指点.(2)在闭环情况下,如果走线布局处理不当,很容易在U3B上引入干扰.原先,取样调节电位器VR5是装在H桥板上的,这样送回的信号电平很低,干扰很大,后来,我把VR5移动信号板上,送回来的是21VPP的馒头波,干扰问题基本解决了.


   H桥的PCB因为要重新打样,所以我没有传上来,信号板的PCB文件我传上来了,朋友们下载后可以直接去打样,如果哪个朋友去打样,不要忘记送我二片,
因为我此前已经为这块信号板打了三次样了,花了不少冤枉钱,哈哈,这样下去,只得戒烟了.信号板的PCB文件是PROTEL99的,上面还有几根网络线不要去管它,线路是没有错误的,放心用好了.因为我是刚学的PCB设计,这板信号板还算是“处女作”,走线有点难看,请大家将就着看就是了.

    最后,我对还有二位朋友做一个感谢:一位是上海理工大学的ZZ教授,他是一位电子专家,特别是对运放非常熟悉,因为他初中阶段我教他过一段时间,所以,我这里只要一有运放方面的问题,我就不管他忙不忙,打一个电话过去,他也无奈,每次都是耐心做答;还有一位是杭州大蒙电子厂的ZM先生,他厂里有全套焊接设备,我做实验的PCB板,都是送到他厂里焊接的,免去了我戴着老花镜一点一点焊接的痛苦.




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2009-10-01 13:24
非常高兴在这么一个普天同庆的大好日子里看到laoshou_2005先生的这篇大作,文中,laoshou_2005先生谈到了他对逆变技术的爱好和研究背景,对SPWM逆变的原理进行了详细深刻的描述,原理图和PCB设计的美观大方,中规中矩,这无不显示出laoshou_2005先生精湛的电子技术和严谨的研究态度,还有无私奉献的精神,真是令人感动啊!我想说的是,这么一个从这篇文章中我看到了laoshou_2005先生作为一个技术前辈的风采,新中国成立六十周年取得的丰功伟绩,不正是因为有无数laoshou_2005先生的无私奉献.
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yangxi
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2009-10-01 14:03
@xzszrs
非常高兴在这么一个普天同庆的大好日子里看到laoshou_2005先生的这篇大作,文中,laoshou_2005先生谈到了他对逆变技术的爱好和研究背景,对SPWM逆变的原理进行了详细深刻的描述,原理图和PCB设计的美观大方,中规中矩,这无不显示出laoshou_2005先生精湛的电子技术和严谨的研究态度,还有无私奉献的精神,真是令人感动啊!我想说的是,这么一个从这篇文章中我看到了laoshou_2005先生作为一个技术前辈的风采,新中国成立六十周年取得的丰功伟绩,不正是因为有无数laoshou_2005先生的无私奉献.
非常佩服老寿先生的专业和细心,我是所谓画过三年PCB的人,我可画不出你的水平来,我得自已检讨了.如果你还要PCB打样的话,我可以找人帮你做,是免费的,做好了我快递给你,我的邮箱是;YX20060822@SINA.COM.
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huamg
LV.7
4
2009-10-01 18:02
找到了质量的感觉,找到了技术的根源,找到品行的诚信,找到服务的精神.
观其事而知其态,听其言而知其人.
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2009-10-01 18:15
@huamg
找到了质量的感觉,找到了技术的根源,找到品行的诚信,找到服务的精神.观其事而知其态,听其言而知其人.
您和老寿先生都是老前辈,都是我们学习的楷模!
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chf4601
LV.5
6
2009-10-01 23:25
值得学习
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huamg
LV.7
7
2009-10-02 00:25
@xzszrs
您和老寿先生都是老前辈,都是我们学习的楷模!
总工客气了,我怎敢与老寿先生相题并论?要知道达者为师,且总工是该坛的品格之首,我真诚地向你们学习了.
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weinen
LV.5
8
2009-10-03 02:22
真票亮,就是这个正弦波震荡有温飘,幅度会跟温度变化.
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2009-10-03 06:57
@weinen
真票亮,就是这个正弦波震荡有温飘,幅度会跟温度变化.
确实是这样的,作为实验型研究正弦波逆变器的原理来讲还是可以的,商用的话就还需改进了.
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2009-10-03 12:17
@xzszrs
确实是这样的,作为实验型研究正弦波逆变器的原理来讲还是可以的,商用的话就还需改进了.
十分感谢钟工及weinen、 chf4601、 huamg等各位朋友的关注,十分感谢yangxi朋友的慷慨应诺.
   文氏振荡器稳幅是一个大问题,钟工原图上就是用二个二极管稳幅的,方法简单,效果也不错,我曾试过把结型管接成压控电阻的方式来稳幅,但发现输出的波形有点失真(可能是结型管正反向特性不一样引起的),也不理想;我还试过用8038输出的正弦波,发现它输出的正弦波波形比较生硬,可能是它是用三角波整形出来当正弦波的原因.另外,我发现元器件的选择对振荡器的稳定性至关重要,电容一定要用CBB的,电阻一定要用真金属膜的;集成电路也不能忽视,用358,324温漂就大一点,用5532,084情况就很好.
   不知有没有更好的振荡器,性能更稳定,同时失真也要求尽可能的小,请各位赐教!
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2009-10-03 15:59
@萧山老寿
十分感谢钟工及weinen、chf4601、huamg等各位朋友的关注,十分感谢yangxi朋友的慷慨应诺.  文氏振荡器稳幅是一个大问题,钟工原图上就是用二个二极管稳幅的,方法简单,效果也不错,我曾试过把结型管接成压控电阻的方式来稳幅,但发现输出的波形有点失真(可能是结型管正反向特性不一样引起的),也不理想;我还试过用8038输出的正弦波,发现它输出的正弦波波形比较生硬,可能是它是用三角波整形出来当正弦波的原因.另外,我发现元器件的选择对振荡器的稳定性至关重要,电容一定要用CBB的,电阻一定要用真金属膜的;集成电路也不能忽视,用358,324温漂就大一点,用5532,084情况就很好.  不知有没有更好的振荡器,性能更稳定,同时失真也要求尽可能的小,请各位赐教!
我觉得8038的稳定性还是不错的,波形失真度可以调外围元件.另外可以试下RC移相振荡.
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kgkxwnfw
LV.3
12
2009-10-03 21:57
@xzszrs
我觉得8038的稳定性还是不错的,波形失真度可以调外围元件.另外可以试下RC移相振荡.
看得出来各位前辈对逆变技术的研究都有着浓厚的兴趣,
在这里我想向各位前辈请教个问题 如果把这个东西商用的话 它能有多大的价值??
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2009-10-04 09:33
学习了
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hbzjcjw
LV.10
14
2009-10-04 10:17
文件已经全部保存,谢谢了
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weinen
LV.5
15
2009-10-04 18:30
@萧山老寿
十分感谢钟工及weinen、chf4601、huamg等各位朋友的关注,十分感谢yangxi朋友的慷慨应诺.  文氏振荡器稳幅是一个大问题,钟工原图上就是用二个二极管稳幅的,方法简单,效果也不错,我曾试过把结型管接成压控电阻的方式来稳幅,但发现输出的波形有点失真(可能是结型管正反向特性不一样引起的),也不理想;我还试过用8038输出的正弦波,发现它输出的正弦波波形比较生硬,可能是它是用三角波整形出来当正弦波的原因.另外,我发现元器件的选择对振荡器的稳定性至关重要,电容一定要用CBB的,电阻一定要用真金属膜的;集成电路也不能忽视,用358,324温漂就大一点,用5532,084情况就很好.  不知有没有更好的振荡器,性能更稳定,同时失真也要求尽可能的小,请各位赐教!
我曾经把二个二极管去掉,直接调反馈电阻,要很精密的调,不然开机幅度起不来.调好在用风同吹,吹了百度,和没吹是一样的,
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2009-10-08 09:39
今天才看到这个帖子,前段时间我回家休息了,帮顶,老寿先生真的很厉害,做出的东西真的很漂亮.赞!!!
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release
LV.6
17
2009-10-08 16:20
不错,顶一下!
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非扬
LV.5
18
2009-10-09 16:22
正在找这个资料十分感谢!!!!!!!  正负的波峰是否有点向前倒?
1
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非扬
LV.5
19
2009-10-09 18:05
@yangxi
非常佩服老寿先生的专业和细心,我是所谓画过三年PCB的人,我可画不出你的水平来,我得自已检讨了.如果你还要PCB打样的话,我可以找人帮你做,是免费的,做好了我快递给你,我的邮箱是;YX20060822@SINA.COM.
终于看完LZ的文章.再次感谢LZ的无私...
没有发现第二个如此致尽的文章.
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roy2003
LV.3
20
2009-10-12 19:22
@非扬
正在找这个资料十分感谢!!!!!!!  正负的波峰是否有点向前倒?
前辈写得很详细!适合像我这样的菜鸟!谢谢!
有个疑问想请教一下前辈,为什么要把馒头波和三角波垫高2.5V,
要是两个波都不垫高都是0~6V可以吗?
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roy2003
LV.3
21
2009-10-12 21:41
左下右下两个管能不能用同步50Hz方波驱动?
现在两个下管工作状态是:
一直导通10ms,然后高频(spwm)导通10ms.
如果改为两个下管交替导通10ms,截止10ms.会不会更好呢?
谢谢前辈的指教!
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2009-10-13 12:46
@roy2003
左下右下两个管能不能用同步50Hz方波驱动?现在两个下管工作状态是:一直导通10ms,然后高频(spwm)导通10ms.如果改为两个下管交替导通10ms,截止10ms.会不会更好呢?谢谢前辈的指教!
你好,你一共有二个问题:
第一个问题:为什么基波和载波都要同时垫高一些?我估计有二个作用:一是可以避开有源器件初始导通时的非线性特性,有利于减少失真;二是可以让载波和基波在调制时更好地吻合,便于调试.因为馒头波的起始部分直接影响到输出正弦波的交越失真,如果这部分调制特性没有调试到位,上下二个半波在过渡时会出现明显的失真,会看到被拉伸或有阶梯感.我设计的用555的载波振荡器,默认出来就垫高4V,我加了一个2.7V的稳压管后变成2.5V.至于二个信号同时从0~6V进行调制,我没有试过,你可以实验一下.专用IC3525的要求垫高0.9V.
第二个问题:你说下面二管用50HZ方波直接导通,这种时序方式我试过,也可以出来正弦波,但必须有一定的负载,一到空载时,输出的就是方波了,且是接近母线电压的方波,感觉比较不安全.所以,以单极性调制方式的时序,一般下管也要通高频波,这样空载时也是正弦波,且电压不会升高,据说效率也高一点.
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2009-10-13 12:50
@非扬
正在找这个资料十分感谢!!!!!!!  正负的波峰是否有点向前倒?
是的,在闭环稳压的情况下,波峰有点往左歪,但在开环的情况下,波形还是很好的.
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roy2003
LV.3
24
2009-10-13 14:17
@萧山老寿
你好,你一共有二个问题:第一个问题:为什么基波和载波都要同时垫高一些?我估计有二个作用:一是可以避开有源器件初始导通时的非线性特性,有利于减少失真;二是可以让载波和基波在调制时更好地吻合,便于调试.因为馒头波的起始部分直接影响到输出正弦波的交越失真,如果这部分调制特性没有调试到位,上下二个半波在过渡时会出现明显的失真,会看到被拉伸或有阶梯感.我设计的用555的载波振荡器,默认出来就垫高4V,我加了一个2.7V的稳压管后变成2.5V.至于二个信号同时从0~6V进行调制,我没有试过,你可以实验一下.专用IC3525的要求垫高0.9V.第二个问题:你说下面二管用50HZ方波直接导通,这种时序方式我试过,也可以出来正弦波,但必须有一定的负载,一到空载时,输出的就是方波了,且是接近母线电压的方波,感觉比较不安全.所以,以单极性调制方式的时序,一般下管也要通高频波,这样空载时也是正弦波,且电压不会升高,据说效率也高一点.
已经认真地看了几次,说得非常透切!
非常感谢老前辈的详细回答!
我会认真地去试验一下的.
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ooxxooxx
LV.2
25
2009-10-13 20:02
@萧山老寿
你好,你一共有二个问题:第一个问题:为什么基波和载波都要同时垫高一些?我估计有二个作用:一是可以避开有源器件初始导通时的非线性特性,有利于减少失真;二是可以让载波和基波在调制时更好地吻合,便于调试.因为馒头波的起始部分直接影响到输出正弦波的交越失真,如果这部分调制特性没有调试到位,上下二个半波在过渡时会出现明显的失真,会看到被拉伸或有阶梯感.我设计的用555的载波振荡器,默认出来就垫高4V,我加了一个2.7V的稳压管后变成2.5V.至于二个信号同时从0~6V进行调制,我没有试过,你可以实验一下.专用IC3525的要求垫高0.9V.第二个问题:你说下面二管用50HZ方波直接导通,这种时序方式我试过,也可以出来正弦波,但必须有一定的负载,一到空载时,输出的就是方波了,且是接近母线电压的方波,感觉比较不安全.所以,以单极性调制方式的时序,一般下管也要通高频波,这样空载时也是正弦波,且电压不会升高,据说效率也高一点.
不知道等H桥重新打样出来,老师能否上传下PCB,菜鸟致敬!
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2009-10-15 14:42
@ooxxooxx
不知道等H桥重新打样出来,老师能否上传下PCB,菜鸟致敬!
可以的
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ooxxooxx
LV.2
27
2009-10-15 15:19
@萧山老寿
可以的
谢谢老师!
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xin520ccc
LV.4
28
2009-10-15 21:11
@ooxxooxx
谢谢老师!
利害!!
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非扬
LV.5
29
2009-10-16 08:25
@萧山老寿
你好,你一共有二个问题:第一个问题:为什么基波和载波都要同时垫高一些?我估计有二个作用:一是可以避开有源器件初始导通时的非线性特性,有利于减少失真;二是可以让载波和基波在调制时更好地吻合,便于调试.因为馒头波的起始部分直接影响到输出正弦波的交越失真,如果这部分调制特性没有调试到位,上下二个半波在过渡时会出现明显的失真,会看到被拉伸或有阶梯感.我设计的用555的载波振荡器,默认出来就垫高4V,我加了一个2.7V的稳压管后变成2.5V.至于二个信号同时从0~6V进行调制,我没有试过,你可以实验一下.专用IC3525的要求垫高0.9V.第二个问题:你说下面二管用50HZ方波直接导通,这种时序方式我试过,也可以出来正弦波,但必须有一定的负载,一到空载时,输出的就是方波了,且是接近母线电压的方波,感觉比较不安全.所以,以单极性调制方式的时序,一般下管也要通高频波,这样空载时也是正弦波,且电压不会升高,据说效率也高一点.
我觉得这个下管的SPWM相当于同步整流.让它关断10MS只是没有同步整流的
作用,怎么会影响后面的输出波呢?
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roy2003
LV.3
30
2009-10-16 21:21
@非扬
我觉得这个下管的SPWM相当于同步整流.让它关断10MS只是没有同步整流的作用,怎么会影响后面的输出波呢?
如果下面两管交替开关10ms .在空载时的确会失真严重!
我实际测量过,不知道为什么?
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power on
LV.4
31
2009-10-17 20:11
@萧山老寿
你好,你一共有二个问题:第一个问题:为什么基波和载波都要同时垫高一些?我估计有二个作用:一是可以避开有源器件初始导通时的非线性特性,有利于减少失真;二是可以让载波和基波在调制时更好地吻合,便于调试.因为馒头波的起始部分直接影响到输出正弦波的交越失真,如果这部分调制特性没有调试到位,上下二个半波在过渡时会出现明显的失真,会看到被拉伸或有阶梯感.我设计的用555的载波振荡器,默认出来就垫高4V,我加了一个2.7V的稳压管后变成2.5V.至于二个信号同时从0~6V进行调制,我没有试过,你可以实验一下.专用IC3525的要求垫高0.9V.第二个问题:你说下面二管用50HZ方波直接导通,这种时序方式我试过,也可以出来正弦波,但必须有一定的负载,一到空载时,输出的就是方波了,且是接近母线电压的方波,感觉比较不安全.所以,以单极性调制方式的时序,一般下管也要通高频波,这样空载时也是正弦波,且电压不会升高,据说效率也高一点.
感谢楼主的无私奉献!!!!已经全部下载收藏起来!!最近想仿制一下,麻烦问下您那个L1 2MH 输出滤波电感的参数 ?多大的磁环?线径圈数!!!谢谢!  

最后说一句,这样详细的好贴太少了!!!
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