实验---DC-AC逆变器（1）---EG8010+NSI6602单相全桥逆变实验

一、设计电路

1.LCC 主回路模块原理图

1.1 电源部分

这个电源部分电路图是一个简单而有效的DC-DC转换器设计，包含输入保护和滤波、电源模块、以及输出滤波和稳定。

a. 输入电源部分

• 输入电源 (E12V): 电路从E12V端子接收12V的直流电源。这是整个电路的输入电源。
• 二极管 (D1, SS24): 这个二极管位于输入电源和电容器之间，起到保护作用。二极管允许电流从输入电源流向电路，防止反向电流对电路造成损害。SS24是肖特基二极管，具有低正向电压降和快速开关特性。

b. 输入滤波和稳定

• 电容器 (C3, 100μF/35V): 电容器C3连接在二极管D1之后，用于滤波和稳定输入电压。100μF的电容值提供较大的滤波能力，减少电压波动，35V的额定电压确保电容器在12V输入电压下安全工作。

c. 电源模块

• 电源模块 (U1, QA123C-1803R3): 这个模块是电路的核心部分，负责将输入的12V电压转换为所需的输出电压。QA123C-1803R3是一个DC-DC转换器或线性稳压器。
  • Pin 1 (Vin): 输入电压，连接到12V电源。
  • Pin 7 (+Vo): 正输出电压。
  • Pin 6 (0V): 输出地。
  • Pin 5 (-Vo): 负输出电压。
  • Pin 2 (GND): 输入地。

d. 输出滤波和稳定

• 电容器 (C1, C4, 100μF/35V; C2, C5, 0.1μF/35V): 输出部分有四个电容器，其中C1和C4为100μF，C2和C5为0.1μF。它们用于滤波和稳定输出电压。
  • C1和C4 (100μF/35V): 提供较大的储能和滤波能力，平滑输出电压。
  • C2和C5 (0.1μF/35V): 这些电容器具有较小的容量，但能够滤除高频噪声，提高电源的稳定性和响应速度。

e. 输出端口

• MOS_A_VCC 和 MOS_A_VSS: 这些端口表示电路的输出电压和地。通常用于提供稳定的电源给后续模块。

f. 地（GND）

• EGND和MOS_A_0V: 这些是地连接点，提供电路的公共参考点，确保电路的稳定和正常工作。

1.2 驱动部分

这个电路实现了一个高效的MOSFET驱动方案，利用NSI6602双路半桥驱动器芯片，接收控制信号并驱动外部的MOSFET。通过输入滤波和死区时间设置，保证了信号的稳定性和MOSFET的安全操作。输出驱动部分的电阻和晶体管组合，进一步提升了驱动能力，确保了MOSFET的快速开关和可靠工作。

a. 电源部分

• C27 (0.1μF): 这个电容器用于电源去耦，滤除电源噪声，提供稳定的3.3V电源。
• VDDI和VDDA (Pin 1和Pin 16): 这是NSI6602的电源输入，引脚接到+3.3V电源。

b. 输入信号部分

• MOS_A_O和MOS_B_O: 这些信号是从之前部分来的控制信号，分别通过电阻R40、R41和电容C28、C29耦合到NSI6602的INA (Pin 5)和INB (Pin 6)引脚。这些电阻和电容构成了输入滤波电路，能够滤除输入信号中的高频噪声。
• R9 (15kΩ)和C29 (2.2nF): 它们形成了一个时间常数电路，连接在DT (Pin 4)引脚上，用于设置死区时间，防止高侧和低侧MOSFET同时导通。

c. 驱动器部分

• NSI6602 (U6): 这个芯片是电路的核心部分，负责接收输入信号并驱动输出端的MOSFET。
  • OUTA (Pin 15)和OUTB (Pin 10): 分别是驱动高侧和低侧MOSFET的输出引脚。
  • GNDA和GNDB (Pin 14和Pin 9): 分别是高侧和低侧的地连接。
  • DIS (Pin 2): 使能/禁用引脚，当这个引脚拉低时，驱动器输出被禁用。两路供电互相隔离，需要的是需要将芯片5脚拉低才有输出。 
  • INA和INB (Pin 5和Pin 6): 输入信号引脚，控制驱动器的输出状态。
  • DT (Pin 4): 死区时间控制引脚。

d. 输出驱动部分

• R7、R8、R10、R11 (5.1Ω): 这些电阻用于限流，保护MOSFET的栅极驱动电流。
• Q5、Q6 (S8550): 这些是PNP型双极型晶体管，用于将驱动信号放大，以驱动后续的MOSFET。
• MOS_A_VCC、MOS_B_VCC: 这些引脚分别连接到高侧驱动的电源电压。
• MOS_A_G和MOS_B_G: 这些是高侧和低侧MOSFET的栅极驱动信号，分别通过R8、Q5和R11、Q6传递。

e. 接地部分

• DGND: 数字地，用于输入和控制部分。
• GNDA、GNDB: 高侧和低侧驱动部分的地。

1.3 主回路部分

这个电路图主要包括MOSFET驱动、保护电路、以及电流传感和浪涌保护等功能.电流互感器用于实时监测电流，并通过浪涌保护器和TVS二极管保护电路免受过压和瞬态电压影响。该设计提供了高效、安全和可靠的电力控制解决方案，适用于需要精确电流控制和保护的高压应用场景。

a. MOSFET 驱动电路

该电路使用四个MOSFET（Q1, Q2, Q3, Q4）来控制高压电源（VBUS+）的开关状态。

• Q1 和 Q2: 控制高侧开关，连接到MOS_C和MOS_D节点。
• Q3 和 Q4: 控制低侧开关，连接到MOS_B和MOS_A节点。

b. 驱动和保护电路

每个MOSFET的栅极都有相应的驱动和保护电路，包括电阻、电容和TVS二极管，用于稳定和保护MOSFET的工作状态。

• 栅极电阻 (R1, R2, R5, R6): 这些10KΩ的电阻用于控制栅极充放电速度，防止MOSFET过快切换造成的高频干扰。
• TVS二极管 (D2, D3, D6, D7): 用于保护栅极免受过压影响。TVS二极管的额定电压为18V。
• TVS二极管 (D4, D5, D8, D9): 用于进一步保护，额定电压为3.3V。
• 电容 (C15, C16): 这两个0.047μF电容用于滤波，稳定MOSFET的栅极电压。

c. 过压保护电路

• 浪涌保护器 (DT1, DT2): 1.5SMC440CA/TR13浪涌保护器用于保护电路免受瞬态过电压影响。这些组件连接在电流传感器L2之后，提供额外的保护。

d. 电流传感电路

• L2 (电流互感器): 这个互感器用于测量通过电路的电流，CT1和CT2引脚用于输出电流信号。
• CT2, CT1: 电流互感器的次级侧，用于连接到电流测量电路，输出5A/5mA的电流比例信号。

e. 电流传感和信号处理

• 电流测量接口 (U_Trans_IN+, U_Trans_IN-): 电流信号输入，用于测量通过电流互感器的电流。

f. 接地和电源

• BUS_GND: 公共接地，提供稳定的参考电位。
• VBUS+: 高压电源输入，用于驱动电路中的MOSFET。

g. 连接器部分

• J2, J4, J5: 这些连接器用于将电路连接到外部设备，J2用于连接电感器，J4和J5用于连接电流传感器和外部保护电路。

2.EG8010芯片

2.1 EG8010芯片结构框图

2.2 EG8010芯片的基本功能

1. 正弦波生成：通过内部的数字信号处理（DSP）算法，EG8010能够生成高精度的正弦波信号。
2. 脉宽调制（PWM）控制：芯片内部集成了先进的PWM控制模块，可以根据输入的直流电压和负载情况动态调整PWM波形，从而实现高效的功率转换。
3. 保护功能：芯片具备多种保护功能，如过流保护、过压保护、欠压保护、过温保护等，确保逆变器的安全运行。
4. 频率和电压可调：EG8010支持多种输出频率（如50Hz、60Hz）和输出电压的调节，适应不同地区和设备的需求。

3.NSI6602芯片

3.1 NSI6602芯片的电路结构

详细介绍见上文驱动部分本芯片就是IGBT/MOS的驱动芯片。

3.2 NSI6602芯片的基本能力

• 高驱动电流能力

NSI6602的高驱动电流能力使其能够为IGBT提供足够的栅极电荷，以快速改变栅极状态。高峰值驱动电流有助于在短时间内建立所需的栅极电压，从而实现快速开关。这对于大功率应用尤为重要，例如逆变器和电动汽车驱动器。

•  快速开关速度

芯片的设计优化了开关速度，确保IGBT能够以最快的速度完成导通和关断。快速的开关速度有助于减少开关损耗，提升系统的整体效率。高频开关应用如电源转换器和电动机驱动器受益于这种快速响应能力。

• 欠压锁定（UVLO）

NSI6602的欠压锁定功能在驱动电压低于设定值时关闭IGBT。这一功能防止了在低电压下由于驱动电压不足而导致的误操作和潜在的损坏。UVLO功能在电源电压不稳定或启动时尤为重要。

• 过流保护

过流保护功能检测到电流超过预设阈值时，及时关闭IGBT，防止过流情况对IGBT和其他电路元件造成损坏。这一功能在应对突发电流情况时提供了额外的安全保障。

• 短路保护

短路保护功能能够快速响应IGBT短路情况，迅速切断驱动信号，保护IGBT免受短路电流的破坏。这一功能在高功率应用中尤为关键，因为短路可能导致严重的电流冲击和热损坏。

4.系统SPWM调制过程

4.1 原理图

4.2 工作流程

• SPWM信号生成：EG8010根据内部存储的正弦波表生成SPWM信号。
• 信号传递：SPWM信号通过引脚27-30输出到NSI6602。
• IGBT驱动：NSI6602接收SPWM信号，并将其放大以驱动H桥中的IGBT。
• H桥工作：根据NSI6602的驱动信号，H桥中的IGBT进行交替开关，实现直流到交流的转换。
• 滤波：H桥输出的SPWM信号经过LC或LCL滤波电路，滤除高频分量，输出纯净的正弦交流电。

二、EG8010+NSI6602单相全桥（双极性调制）

1.实验平台

• EG8010在本实验采用双极性SPWM调制模式，载波频率23.4KHz ，调制波频率选择50Hz，死区时间采用默认500ns。

2.实验过程

• 示波器接IGBT处，观察其波形；

• 接负载，母线电压给21V；

• 示波器接LC滤波电路后，观察电压波形。

3.总结

通过输出波形可以看出已经达到DC-AC逆变的效果，频率为50HZ，输出的正弦波峰值大约是母线电压。

三、单相全桥逆变Simulink仿真（双极性调制）

1.在Matlab/Simulink中搭建仿真电路图和参数的计算

1.1 整体电路图

1.2 参数计算

• 假设假设Vin=400V，Vo=220V，fo=50HZ，Po=2kW，fs=23.4kHz，THDV<5%，Irip=20%
• 电感值计算：Li=400/(4*23.4k*2000/220*1.414*0.2)=2.05mH；

• 电容值计算：C==2.25μF。

2.SPWM调制电路

• 设置23.4kHz的三角载波和50Hz的正弦波，两者对比产生PWM1和PWM2调制信号；
• 调制原理见http://t.csdnimg.cn/37fhH。

2.1 载波设置

• 载波的频率设置为23.4kHz，振幅[1,-1]。

• 三角载波的波形如下；

2.2 正弦波设置

• 振幅设置为0.9;
• 周期设置为50Hz。

• 正弦调制波波形如下：

2.3 PWM输出波形

• PWM1波形

• PWM2波形

3.主回路电路

• 直流侧电压设置为400V;

• PWM1调制信号控制左上MOS和右下MOS的导通及关断，导通时电流从电源正极→左上MOS→负载→右下MOS→电源负极，此时负载两端电压为正；
• PWM2调制信号控制左下MOS和右上MOS的导通及关断，导通时电流从电源负极→左下MOS→负载→右上MOS→电源正极，此时负载两端电压为负；
• 同一侧MOS不能同时导通；
• 双极性调制，使用LC滤波。

3.1 负载两端电压波形

• 此时波形是经过LC滤波的波形，滤除高频，留下低频就是图中的正弦波形；
• 改变正弦波的幅值，会改变生成的PWM波，进而改变输出电压的波形；
• 下图是正弦波幅值0.9时的负载电压波形。

• 将正弦波的幅值改为0.6之后，输出电压波形，可见负载电压的峰值电压也变小。

3.2 电感处电流波形

• 设置电感值为2.05mH。

• 提升电感值，设置电感值为15mH；
• 此时电感电流的波动明显降低，更平滑，因此电感值的设置不能太小。