【正文】 新型逆變電源電路的設(shè)計與實現(xiàn) IV NEW TYPE INVERTER POWER SUPPLY CIRCUIT DESIGN AND IMPLEMENTATION ABSTRACT With the social development, energy conservation has bee the main body of building a harmonious society. The excess energy is stored, to be released when needed use of energysaving measures. The stored energy can only be mostly AC, DC, using the reallife subject of the development and design of the corresponding inverter will bee the current that must be addressed. Power inverter has many shortings and deficiencies, such as the governance of the highfrequency, harmonic, power factor, improve and so needs to be further improved. This set to a lowcost new power inverter circuit theory and design, full use of the chip KA7500 fixed frequency pulse width modulation function to form a pushpull booster circuit and FET (Nchannel enhancementmode MOSFET ), no secondary breakdown, fast switching speed and good thermal stability of the advantages of bination of the design of the circuit. Work, continuous output power of about 100W, and normal work light, output overvoltage protection, input overvoltage protection and overheating protection function. The power, small size, practical, inexpensive to manufacture, can be used as a variety of portable electrical power. KEY WORDS power inverters,thermal overload protection, overvoltage protection, the oscillation frequency, integrated circuits 新型逆變電源電路的設(shè)計與實現(xiàn) 1 第一章 緒論 逆變器及其應(yīng)用 所謂逆變器，是指整流器的逆向變換器，其作用是通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷作用，把直流電能變換成交流電能的一種電力電子變換器。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，其對工業(yè)自動化 、交通運輸、城市供電、節(jié)能、環(huán)境污染控制等方面的發(fā)展，將會產(chǎn)生更大的推動作用。具有世界三大能源之稱的石油、天然氣、和煤等化石燃料將逐漸被耗盡，氫能源與再生能源將逐漸取代化石燃料而成為人類使用過的主體能源，這種能源的變遷將迫使發(fā)電方式產(chǎn)生一次大變革，使用氫能源與再生能源的高效低污染燃料電池發(fā)電方式，將成為主 體發(fā)電方式。 19561980年為傳統(tǒng)發(fā)展階段，這個階段的特點是，開關(guān)器件以低速器件為主，逆變器的開關(guān)頻率 較低，輸出電壓波形改善以多重疊加法為主，體積重量較大，逆變新型逆變電源電路的設(shè)計與實現(xiàn) 2 效率較低，正弦波逆變技術(shù)開始出現(xiàn)。為了減小輸出變壓器和交流濾波器的體積重量，提高逆變器的功率密度，高頻化仍然是主要的發(fā)展方向之一，如提高 SPWM 逆變器的開關(guān)頻率，采用交流傳動用變頻器的內(nèi)高頻環(huán)等。[2] 逆變電源總的發(fā)展趨勢是向著大 容量、輕量化、高效率、模塊化、智能化發(fā)展并以提高可靠性性能及拓寬用途為核心 ,愈來愈廣泛應(yīng)用于各種弧焊方法、電阻焊、切割等工藝中 . 在單相高頻逆變電路中 ,目前已經(jīng)出現(xiàn)了一些比較成熟的方案 ,但三相高頻逆變電路還很不成熟 ,還需要繼續(xù)深入研究 .總體來講 ,主要涉及三個方面 : 使用可關(guān)斷器件和軟開關(guān)技術(shù) ,提高工作頻率 ,以便達(dá)到裝置小型化、低成本、無音頻噪音 ,并且具有高可靠性、高效率 。 現(xiàn)代逆變技術(shù)與傳統(tǒng)逆變技術(shù)是不同的，它不只是研究直流電能變換成交流電能的簡單變換方式，還負(fù)擔(dān)著一些提高逆變器性能的功能，如使輸出電壓波形的正弦化，調(diào)節(jié)和穩(wěn)定逆變器輸出電壓和電流，提高直流電壓利用率，減少開關(guān)損耗，提高逆變效率，減少電磁干擾等。改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。 t1時刻斷開 S S4，合上 S S3， uo變負(fù)，但 io不能立刻反向。 半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷，一般在晶閘管電流過零后施加一定時間反壓，才能關(guān)斷?？煽卣麟娐?、交流調(diào)壓電路和采用相控方式的交交變頻電路，不需器件具有門極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加元件。 圖 22 負(fù)載換流電路及其工作波形 基本的負(fù)載換流逆變電路： 采用晶閘管，負(fù)載：電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。 t1前： VT VT4通， VT VT3斷， uo、 io均為正， VT VT3電壓即為 uo 新型逆變電源電路的設(shè)計與實現(xiàn) 6 t1時：觸發(fā) VT VT3使其開通， uo加到 VT VT1上使其承受反壓而關(guān)斷，電流從VT VT4換到 VT VT2。 直接耦合式強迫換流 —— 由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓。 兩種電感耦合式強迫換流： 圖 24a中晶閘管在 LC振蕩第一個半周期內(nèi)關(guān)斷。 器件換流 —— 適用于全控型器件。 當(dāng)電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱悖瑒t稱為熄滅。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管 單相電壓型逆變電路 半橋逆變電路 電路結(jié)構(gòu)：見圖 26。 單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合 。半橋電路的 uo，幅值高出一倍 Um=Ud。 移相調(diào)壓方式（圖 27）。反偏，且 V1和 V2互補， V3和 V4互補關(guān)系不變。 圖 27 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式 新型逆變電源電路的設(shè)計與實現(xiàn) 10 帶中心抽頭變壓器的逆變電路 交替驅(qū)動兩個 IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。 三相電壓型逆變電路 三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路。同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差 120186。=Ud/2， 4 通， uUN180。脈動一次，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動的，電壓型逆變電路的一個特點。 實例之一：圖 211 電流型三相橋式逆變電路。 (3) 直流側(cè)電感起緩沖無功能量 的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。 4 和 3以 1000～ 2500Hz 的 中頻輪流導(dǎo)通，可得到中頻交流電。 C和 L、 R 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并聯(lián)諧振式逆變電路。 t1t2： VT1和 VT4穩(wěn)定 導(dǎo)通階段， iｏ =Id， t2時刻前在 C 上建立了左正右負(fù)的電壓。 4個晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電。 io在 t3時刻，即 iVT1=iVT2時刻過零， t3時刻大體位于 t2和 t4的中點。固定工作頻率的控制方式稱為他勵方式。 基本工作方式 是 120176。的矩形波。這種電路因各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用而得名，主要用于中大功率交流電動機調(diào)速系統(tǒng)。 換流過程分析（圖 216） 電容器充電規(guī)律： 新型逆變電源電路的設(shè)計與實現(xiàn) 18 圖 214 電流型三相橋式逆變電路的輸出波形 圖 215 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 對共陽極晶閘管，與導(dǎo)通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負(fù)。 設(shè) Cl～ C6的電容量均為 C，則 Cl3＝ 3C／ 2。 Id從 VT1換到 VT3， C13通過 VD U相負(fù)載、 W 相負(fù)載、 VD VT直流電源和 VT3放電，放電電流恒為 Id，故稱恒流放電階段。隨著 C13電壓增高，充電電流漸小， iV漸大， t3時刻 iU減到零， iV=Id， VD1承受反壓而關(guān)斷，二極管換流階段結(jié)束。 換流過程中， uC3從零變到 UC0， uC5從 UC0變到零，這些電壓恰好符合相隔 120176。把輸出 波形進(jìn)行傅立葉變換分析，其低頻段特性非常接近，僅在高頻段有差異。對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到 PWM 波形。它能對諧波進(jìn)行有效地抑制，動態(tài)響應(yīng)好，而且在頻率、效率等諸多方面都有明顯的優(yōu)勢。 沖量（沖量指窄脈沖的面積）相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性 的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。而不管是等幅還是不等幅的 PWM 波，都是基于面積（沖量）等效原理來進(jìn)行控制的，因而其本質(zhì)是相同的。 （ 3） 直流電源可以使用不可控整流橋，使系統(tǒng)對電網(wǎng)的功率因數(shù)與逆變電源輸出電壓值無關(guān)。隨著 逆變電源在交流傳動、 UPS電源和有源濾波器中的廣泛應(yīng)用，以及高速全控開關(guān)器件的大量出現(xiàn)， PWM 技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今逆變技術(shù)的核心，受到了人們的高度重視。可以說 PWM 控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才發(fā)展的比較成熟，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。 （ 4）具有輸入過壓保護和輸出過壓保護功能。 DC/DC 變換電路 .1 KA7500B 電流模式 PWM 控制器 KA7500B 是一塊開關(guān)式脈沖寬度調(diào)控電路， 主要用于開關(guān)式電源控制。 （ 1）主要特征 KA7500 輸出電流： I 0=200mA 工作頻率： f=1~300kHz 內(nèi)置兩個相同類型的誤差放大器 內(nèi)置 5V基準(zhǔn)電壓 可選擇輸出方式 （ 2）工作原理 KA7500 控制 2 個功率開關(guān)管輪流開、閉，并通過 高頻變壓器 將能量傳送到次級，然后通過高頻 整流二極管 還原成直流低電壓，經(jīng)過濾波后提供 +12V、 +5V、 5V、 12V電壓。 3腳用于補償校正，為 PWM 比較器的輸入端，接入電阻和電容后可以抑制振蕩， 4 腳為死區(qū)時間控制端，加在 4 腳上的電壓越高，死區(qū)寬度越大。 KA7500B 內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下： 1Fosc CtRt? (1) 輸出脈沖的寬度是通過電容 Ct 上的正極性鋸 齒波電壓與另外兩個控制信號進(jìn)行比較而實現(xiàn)的。 DC/DC 變換電路 由 DC/AC 和整流濾波電路組成。變壓器 T1 的工作頻率選為 50KHz 左右，因此 T1 可選用 EI33 型的高頻鐵氧體磁心變壓器，變壓器的匝數(shù)比為 12 220 0 05? ? ? ，變壓器選擇為 E 型，可自制。因為變壓器選擇為 E型，這樣使變壓器工作在推挽狀態(tài)， VT3 和 VT4 以頻率為 50KHz 交 替導(dǎo)通，使變壓器的初級輸入端有 50KHz的交流電。當(dāng)電路工作不正常時， KA7500 輸出控制端為低電平時， KA7500 的兩個內(nèi)置晶體管的集電極（ 8 腳和 9腳）有 12V 正偏壓，基極為高電平，導(dǎo)致兩晶體管同時導(dǎo)通。 R R R3 起限流作用，取值為 。根據(jù)電容標(biāo)稱值選擇 C2 為 10μF 。因為輸入電壓直接決定了輸出電壓的值，對輸入端電壓的保護也是對輸出端子間過大電壓進(jìn)行負(fù) 載保護。同時 KA7500 的 4 腳為高電平狀態(tài)， 4 腳為高電平時，將抬高芯片內(nèi)部死區(qū)時間比較器同相輸入端的電位，使該比較器的輸出為恒新型逆變電源電路的設(shè)計與實現(xiàn) 26 定的高電平，由 KA7500 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)知，