桥式逆变电路的技术验证及波形优化

1. 课程简要信息

本实验依托本校开放性实验项目，20 学时（5个下午），不设学分，由感兴趣学员选修，学过《模拟电子技术》的均可参加。每次一般 5-10 人。主要承担为电子设计竞赛培养学员、为电子设计竞赛验证技术和模块，以及对我院下一步实验教学改革进行实验探索。

2. 实验内容与任务

本实验尝试使用“图板式”的实验模式，即给一张电路原理图（无参数、无型号）和一块PCB 板，学员通过器件参数选取、焊接、模块连接和调试完成实验，取得相对其他实验模式较好的实验效果。这种实验模式比“各种插线式”更接近实战，比“万用板式”省去了很多布线走线的时间精力消耗而且十分可靠，因为参数型号未给定所以和只需要焊接给定器件的“淘宝购买式”有着本质的区别。

1）基本部分： $\textcircled{1}$ 在 PCB 板上完成电压比较器、三角波发生器、减法电路和正弦波发生器（可选）等基本模块，通过模块间连接实现 SPWM信号的产生。 $\textcircled{2}$ 在 PCB 板上完成桥式逆变电路及其驱动模块的制作和调试。 $\textcircled{3}$ 综合调试完成逆变电路的基本功能。

2）发挥部分： $\textcircled{1}$ 观测负载电压波形，从系统的角度分析波形畸变的原因，采取行之有效的措施改善波形畸变。 $\textcircled{2}$ 从工程的角度分析无法进一步改善波形的原因。

3）不作要求部分：仍学有余力的学员可尝试实现闭环的 D 类功放和电压跟踪型逆变电路的实现。

1） 实验过程及要求

2）熟练掌握集成运放和电压比较器的基本应用；了解SPWM逆变电路的基本原理。

3）设计制作基本模块，电源为正负 12V；自主设计小实验验证各基本模块的正确性。

4）设计制作电压比较器，采用 LM393；使用 ua741 设计制作正弦波发生，幅值在 1-5V，频率在 $2 0 \mathrm { - } 1 0 0 \mathrm { { H z } }$ 连续可调（可选）；三角波发生器幅值>5V，频率在 $5 \mathrm { k - } 1 0 \mathrm { k H z }$ 连续可调，波形失真度 $\leq 5 %$ ，连接各模块产生SPWM波。

5） 使用 IRF3205 和 IR2109 设计制作桥式逆变电路及其驱动。

6）将各模块有机连接实现 SPWM逆变功能。

7） 分析负载波形的畸变，尽可能的改善之。

8）撰写设计总结报告并通过分组演讲，交流心得与体会

3. 相关知识及背景

逆变器、变频器很重要不多说。

本实验的来源，是为电子设计竞赛做的技术验证和积累，同时也为实验教学改革进行探索、尝试。本实验基本功能中需要的知识就是最基本的模拟电子技术。在发挥部分需要深化的模电技术、电力电子技术、自动控制原理、传感器及检测技术和其他相关知识。

4. 教学目标与目的

以较简单的理论知识入门，引导学员走完设计、制作电路、器件的选择与计算、器件的焊接技巧、阅读英文手册、构建系统测试环境与条件整个过程和分析问题解决问题。全面提高学员对理论知识的理解以及实践能力。

5. 教学设计与引导

“趣味性”的理解及设计：提高实验的趣味性一点问题都没有，但是处心积虑的在表面上体现趣味，选个有趣的题目，带个有趣的负载，实验教学改革就跑偏了。为了获个奖，技术有趣的就做，没趣的就不做么？我们做的是科学实验，教的是大学生！个人理解“趣味性”的设计应该体现在实验过程中，本实验是按照贴近实战、易于上手、富有深度的原则设计的。学员拿上焊笔、焊锡和元器件真正的去焊接 PCB 板的时候会“迷”上电路，通过自己努力做出一个小模块并验证之的时候兴趣会爆“炸”，继续往深处走的时候会沉“醉”，不管你的题目是多么的“无趣”。

“接地气”的实验设计：在设计实验的时候我们通常会造这样的句，“通过 XXX的设计，使学员达到XXX的目标”，有没有自问过一句我是不是一厢情愿了？学员会不会按你的设想走？你是学员你会怎么样？

“经历式”的实验设计：我的理解，其实你根本不用“用力”的去“引导”学员，你只要挖好坑，设计个“不完美”的实验，让学员去经历就好啦。你说一万遍读书要有质疑有批判性是没用的，他自己经历一次就建立起来了！以下是个人的理解在实验中的体现：1）从第一个模块——电压比较器开始。教科书上的电压比较器如图1所示：

图 1 电压比较器原理图

按照教科书上的电压比较器，采用常用器件 LM393 设计原理图如图 2 所示：

图 2 基于LM393 的电压比较器电路图

按书上的原理 $\mathrm { u l } > \mathrm { u 2 }$ 时输出高电平， $\mathrm { u l } \mathrm { < u 2 }$ 时输出低电平，可实际电路 $\mathrm { u l } \mathrm { > } \mathrm { u } 2$ 时输出为0，$\mathrm { u l } \langle \mathrm { u } 2$ 时输出低电平。那学员就开始查找原因了，电路很简单就是按书上做的可就是做不对，有的学员都气急败坏了，这个时候提醒他一句好好看看实际器件 DATASHEET中的电路图（之前说过很多遍）。实际的器件是 OC（集电极开路）接法，需要在输出和正电源接入上拉电阻。这样你之前说过很多遍的理论和实际的差距他一下就明白了，对教科书很自然的不那么“信任”了，有灵性的学员还要问一句为什么设计成 OC接法？很自然的。

2）积分电路。按教科书上的电路原理图做得积分电路如图 3所示：

图 3 教科书中的积分电路

又是一例按教科书做不出理想结果的情况，尽管积分电路从原理上输出端到反相输入端之间只需接积分电容器 C1，但是实际应用中，为了保证集成运放的静态工作点位于电源电压中点，需要利用反馈获得。因此还需要在C1 两端并联电阻，对于UA741一类通用放大器一般选用2.2M，对于新型运放可选 10M。

3）解决了积分电路问题之后，三角波发生电路就会输出三角波，按要求采用 UA741 作为运放芯片时，三角波会发生失真如图 4左图所示,学员在分析、解决问题时绕不开的会遇到集成运放的另一重要参数——电压摆动率，按设计要求 UA741 的 $0 . 8 \mathrm { V / u S }$ 的电压摆动率是满足不了幅值 5V，频率为 5K 的电压变化的，换个优值运放 OP07 就解决了。这个参数是教科书中未提及过，它和增益带宽积一样是集成运放的最重要参数之一。教科书是不是不能信了呢？教科书也没有错，它只是按照理想器件去讲问题，可实际需要考虑的问题就很多。

图 4 不同运放做出的三角波对比

4）考虑到层次性，桥式逆变电路和驱动电路没挖什么坑，按照最经典的电路设计的。只是在最后做LC滤波器的时候，学员会绕不开滤波电感的问题，在教科书里电感就只有一个参数，但实际应用中同样 10mH 的电感是很多种类的。如图 5 所示，左侧 10mH 电感为高频电感，在低频大电流的功率电路中瞬间饱和完全体现不出 $1 0 \mathrm { m H }$ ，右侧拆个变压器二次侧当电感用，也大约是 $1 0 \mathrm { m H }$ ，在功率电路中效果就很好。同样电容、二极管等器件也是多种多样，正确选用是需要很深的功力去拿捏的，在插线实验中是练不到这个的。

图 5 不同种类的10mH 电感

适可而止，可以埋包的地方还是有很多的，而且学员在试验中还会遇到各种各样设计之外的问题，有的学员作了这个实验已经开始怀疑人生了，这就够了，想通过一个实验让学员得到全面提高也是自欺欺人和一厢情愿的，我们对学员说了太多的“你要怎么怎么”“学员应该具有什么什么素质”，而对于能不能达成，对如何达成，学员按不按你设想的走，思考的太少。

其实在本设计中并没有故意去挖坑设包袱，只是自然的把教科书中的东西体现在实验中，至于什么质疑精神、批判精神、严谨的态度、敬畏的心理，真的需要“用力”的去引导么，学员自己“经历”几次就够了！

6. 实验原理及方案

1） 基本部分

实验以“图板”的方式开启，给定电路图和 PCB 板，如图 6 所示，图中均未给定器件参数和型号，需要学员自己去拿捏和验证。

图 6 SPWM 信号产生所需电路图及 PCB 板

从最基本的模块开始做起，先在图板中按顺序设计制作电压比较器、三角波发生电路、正弦波发生电路（可选）、减法电路，自主设计实验验证之。在实际应用中 SPWM 波主要由调制法实现，即将调制波（正弦波）与载波（三角波）进行电压比较，如图 7所示

图 7 SPWM 波的生成原理

根据基本原理将基本模块连接产生 SPWM波如图 8所示给定桥式逆变电路模块及其驱动模块的图板如图 9所示，设计、制作并自主设计实验验证之。

图 8 SPWM 信号的产生

将SPWM产生模块、驱动模块、桥式逆变电路、直流电源、负载正确连接如图10所示，实现基本的逆变功能。

图 9 桥式逆变电路及其驱动的图板
图 10 系统连接图

2） 发挥部分

$\textcircled{1}$ 从系统的观点看问题:分析可能导致负载波形畸变的原因，实验行之有效的改进方法。波形畸变的原因有很多，包括输出 LC滤波器的设计、三角波本身的非线性、载波和信号的频率比的设置、驱动模块中死区时间导致的波形畸变、信号间的干扰等。那么采取相应的措施可以使波形一步步优化。如图11所示

图 11 负载输出波形

$\textcircled{2}$ 从工程的角度看问题：分析无法进一步优化的原因。

受限于实验室条件，有的时候无法把一个实验做的很完美，这个时候一定要知道客观原因所在。无法进一步改善波形的原因有：

1.功率电路和信号电路不同，对 LC 滤波器对器件参数要求比较严格，特别是电抗器主要靠定制，淘宝很难买到合适的，小经费也是大问题。这样巴特沃斯滤波器的设计就很难体现出来，而且不能实现高阶化，从波形中可以很明显的看出中频附近的衰减不够。

2.从波形中可以看到波峰两侧是不对称的，这是偶次谐波的表现，主要是驱动器里死区时间导致的，加大载波和信号的频率比可以改善，减小信号的频率验证有效。但自激振荡式的三角波发生器频率比较低，能提高的有限，本实验中最高提到 12K，期望提高到 50K 就难以完成了，而实验室的波形发生器又不能发三角波。下一步可以设计制作多谐式振荡器。

3.三角波有轻微的畸变，可能是由运放本身的噪声或者精度引起的，因为用 ua741和 op07结果是不一样的。可选择低噪声、高精密运放。因为不是引起波形畸变的主要原因和实验室没有相应器

件，可在最后考虑这部分原因。

7. 教学实施进程

前面的内容中都有体现，我不想在累述，您也未必想看，就这样吧。

8. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验需求分析
2） 实现方案论证
3） 理论推导计算
4） 电路设计与参数选择
5） 电路测试方法
6） 实验数据记录
7） 数据处理分析
8） 实验结果总结

9. 考核要求与方法

由于学员人数较少，层次、水平又不同，在实验内容和考核方式上主要进行个性化安排，主要考核点在以下方面：

1） 实物验收：功能与性能指标的完成程度。
2） 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。
3） 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
4） 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。
5） 实验数据：测试数据和测量误差。
6） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

10.项目特色或创新

1）提出了“图板式”的实验模式

2）提出了“经历式”的实验设计

3）提出了对“趣味性”的理解

4）突出了器件种类、型号的具体选择。器件在图上书上只是一个符号加一个参数，而在实际应用中器件是千变万化的，很多学员做了 4 年插线实验对器件一无所知。实验教学的改革是多么的必要啊

5）实验案例信息表