【正文】 需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器。在近半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展過程中，開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)制造的連續(xù)工作的線性電源，并廣泛應(yīng)用于電子、電氣設(shè)備中。以功率晶體管（ GTR）為例，當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，集電極和發(fā)射極兩 車載逆變電源 設(shè)計(jì) 4 端的壓降接近零；當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，其集電極電流為零、所以，其功耗小，效率可高達(dá) 70%～95%。因此，開關(guān)電源具有數(shù)量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。 開關(guān)電源的高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)，高頻化帶來的效益使開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)了小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。對于兆赫以上開關(guān)頻率的電源可利用諧振電路，這種電路工作方式稱為諧振開關(guān)方式。 1)小型化、薄型化、輕量化、高頻化 —— 開關(guān)電源的體 積和重量主要是由儲能原件（磁性元件和電容）決定的，因此開關(guān)電源的小型化實(shí)質(zhì)上就是盡可能減小其中儲能元件的體積。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光電耦合器及排風(fēng)扇等元器件和部件的壽命決定著電源的壽命。單純地追求高頻化，噪聲也會隨之增大。在電路中引入微機(jī)監(jiān)測和控制，可構(gòu)成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測、記錄并自動報(bào)警等?？傊藗冊陂_關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域里，邊研究低損耗回路技術(shù)，邊開發(fā)新型元器件，兩者相互促進(jìn)并推動著開關(guān)電源以每年超過兩位數(shù)的市場增長率向小型化、薄型化、高頻化、低噪聲以及高可靠性方向發(fā)展。從圖 12中可以看出，它從交流或直流輸入獲得穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流輸出。在逆變電源中，逆變器及其控制是逆變電源的核心。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，自關(guān)斷的電力電子器件脫穎而出，相繼出現(xiàn)了電力晶體管 (GTR)、可關(guān)斷晶閘管 (GTO)、功率場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)等等。最初，對于采用全控型器件的逆變電源在控制上普遍采用帶輸出電壓有效值或平均值反饋的 PWM控制技術(shù)，其輸出 電壓的穩(wěn)定是通過輸出電壓有效值或平均值反饋控制的方法實(shí)現(xiàn)的。目前這種方法只能由高速的數(shù)字信號處理器來實(shí)現(xiàn)。無差拍控制是一種基于微機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制方法。Haneyoshi及 Kawamura等人首先在 PWM逆變器中采用重復(fù)控制消除周期性畸變。它的突出特點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)特性好，控制魯棒性強(qiáng)。早期的滑模變結(jié)構(gòu)控制器采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于電力拖動系統(tǒng)中。但是，就波形跟蹤質(zhì)量來說，滑?？刂撇患爸貜?fù)控制和無差拍控制。系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題限制了電壓調(diào)節(jié)器增益的提高，因而輸出電壓的波形品質(zhì)還不是很好。電流環(huán)具有將 濾波電容電流或?yàn)V波電感電流改造為可控的電流源的作用，這樣控制輸入和輸出電壓之間形成了具有單極點(diǎn)的傳遞函數(shù)，因而系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高，克服了單一的電壓瞬時(shí)值反饋控制系統(tǒng)空載容易振蕩的缺點(diǎn)。高頻隔離可以采用兩種方式實(shí)現(xiàn)：①在整流器與逆變器之間加一級高頻隔離的 DC— DC變換器；②采用高頻鏈逆變技術(shù)。輸出電壓的高性能是用電設(shè)備對逆變電源的要求，控制方式的改進(jìn)是逆變電源達(dá)到高性能的主要手段。模塊化意味著用戶可以方便地將小容量的模塊化電源任意組合，構(gòu)成一個(gè)較大容量的逆變電源。 (4)小型化 在逆變電源中，決定整個(gè)裝置體積和重量的部分是變壓器和 LC濾波器，變壓器可能放在輸入部分，也可能放在輸出部分，起電壓隔離或電壓匹配的作用； LC濾波器用于濾除 PWM波中的高次諧波，濾波器的尺寸與 PWM波的頻譜特性有關(guān)。 (6)數(shù)字化 逆變電源的數(shù)字化并不是簡單的指在系統(tǒng)中應(yīng)用了數(shù)字器件，如單片機(jī)及 FPGA等，而是指整個(gè)系統(tǒng)的控制應(yīng)用數(shù)字器件的計(jì)算能力和離散控制方法來完成，隨著硬件技術(shù)的發(fā)展．處理器計(jì)算速度的提高，必然促使逆變電 源向數(shù)字化方向發(fā)展。 開關(guān)電源設(shè)計(jì)者潛意識里都是根據(jù)功能框圖的步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)的。開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，拓?fù)涞念愋团c電源各個(gè)組成部分的布置有關(guān)。 在某一種應(yīng)用場合下，有好幾種拓?fù)淇梢怨ぷ?，但只有一種是在要求的成本范圍內(nèi)性能最好的，表 21顯示了各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特 點(diǎn)及應(yīng)用范圍。但不便的是它僅能提供直流電，而一般設(shè)備都使用 220V 交流電，這使得眾多電器不能在汽 車上使用。 除上述要求外，逆變電源應(yīng)該具有其它電源的過流、短路和過載保護(hù)。車載逆變電源的詳細(xì)指標(biāo)及要求如以下各表所示。電路框圖如圖 21： 圖 21 基于工頻變壓器的逆變電路框圖 方案二：簡單推挽逆變電路 本方案設(shè)計(jì)的逆變器可以作為交流輔助電源。 方案論證 方案 1通過脈寬調(diào)制芯片把直流低壓信號調(diào)制成脈寬調(diào)制信號，形成脈寬調(diào)制波 PWM，并用其來驅(qū)動半橋逆變變換電路中的功率場效應(yīng)管，控制電路中開關(guān)管的通斷，變成交流低壓信號，再把交流低壓信號經(jīng)過工頻變壓器 的升壓變成 220V 的交流電壓。 方案 1的基于工頻變壓器的逆變電路過于簡單，而且經(jīng)過升壓變壓器后的交流輸出電壓沒有濾波網(wǎng)絡(luò)，無法對我們所需要的 50Hz 的頻率進(jìn)行濾取，電路體積較大等，不能符合我們畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求。 逆變器主電路的基本形式 隔離式逆變主電路已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多種逆變式功率變換裝置中，有 單相逆變，也有三相逆變。 單端反激式變換電路 隔離式單端反激式逆變電路可見圖 24。 單端正激式變換電路 單端正激式變換電路見于圖 25。 推挽式變換電路 推挽式功率變換電路如圖 26 所示。 當(dāng) 1rT 導(dǎo)通時(shí)， 2rT 截止，工作過程和上面的類似，不再重復(fù)。 圖 27 半橋逆變式主電路 當(dāng)兩只開關(guān)管 1rT ， 2rT 都截止時(shí)，若兩只電容相等，即 1C = 2C ，則兩電容中的點(diǎn) A 的電壓為輸入電壓的一半，即 12 /2C C dV V V?? 。所以 ，半橋電路不適合于輸出功率大的逆變電路。開關(guān)管剛剛導(dǎo)通時(shí)的電流尖峰也同半橋電路類似。這就是逆變電源 DC/DC 變換的原理。帶變壓隔離器的變換器是從基本變換器派生、組合、演變而來。本節(jié)來介紹單端正激變換、半橋變換和全橋變換。儲能電感中的自感電勢使續(xù)流二極管 2D 正偏而導(dǎo)通，繼續(xù)給負(fù)載供電，此時(shí)變壓器無能量傳遞，因而稱此電路為正激型變換電路。圖 210 是實(shí)用的單端正激型變換電路，是在圖 29中的高頻變壓器中增加一組去磁繞組 3N ，再串聯(lián)接入一個(gè)鉗位二極管 3D 構(gòu)成的。 隔離型半橋逆變器 隔離型半橋逆變器的電路如圖 211 所示，兩只容量、耐壓都相同的電容器 C C2 和兩只特性相同的開關(guān)晶體管 1rT ， 2rT 組成一個(gè)電橋， 輸入電源電壓 SV 加于電橋一對角線的兩端點(diǎn)上，而高頻變壓器的原邊繞組則接在電橋另一對對角線的兩端點(diǎn)上。因此，當(dāng)功率開關(guān)管 1rT ， 2rT 輪流導(dǎo)通、截止時(shí)，在高頻變壓器原邊繞組 N1 兩端便產(chǎn)生一幅值為 /2sV 的正負(fù)方波脈沖電壓，此脈沖電壓通過高頻變壓器傳遞到副邊，再經(jīng)整流二極管整流、儲能電感 L及電容 C濾波后向負(fù)載供電。在電路中，由于開關(guān)管 1rT 和 2rT 的特性不一致，從而引起開關(guān)管 1rT 的導(dǎo)通時(shí)間比開關(guān)管 2rT 的長，則電容 C1兩端的平均電壓就會比電容 2C 兩端的低。 隔離型半橋變換器的主要優(yōu)點(diǎn)：高頻變壓器的利用率高，在整個(gè)周期內(nèi)都工作；開關(guān)管截止時(shí)承受的電壓低，僅為一倍的輸入電源電壓；抗不平衡能力強(qiáng)。此電路既保持有隔離半橋型變換器中開關(guān)管截止時(shí)極間所承受的電壓較推挽型電路低的特點(diǎn)，又具有推挽型電路所具有的輸出電壓高、輸出功率大的優(yōu)點(diǎn)。同樣的功率開關(guān)管，采用不同的驅(qū)動電路將得到不同的開關(guān)特性。驅(qū)動電路的最佳驅(qū)動特性應(yīng)具有： ，驅(qū)動電路提供的基極電流應(yīng)有快速的上升沿，并一開始有一定的過 車載逆變電源 設(shè)計(jì) 。因此，驅(qū)動電路的優(yōu)劣直接影響電源的性能。 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路的作用就是將控制電路輸出的脈沖放大到足以驅(qū)動功率晶體管，所以單從原理上講，驅(qū)動電路主要起開關(guān)功率放大作用，即脈沖放大器。 隔離型全橋變換器 將隔離半橋型中的電容 C C2 也換成開關(guān)管，從而把加到高頻變壓器原邊繞組的方波電壓幅值提高等于輸入電源電壓 sV ，這樣改變后的電路稱為全橋型變換器，如圖 212。因而此電路具有比較強(qiáng)的抗不平衡能力。加入換向二極管后，兩電極之間的電壓最大為 左右，這樣就防止了開關(guān)管因反向?qū)ǘ鴵p壞； (2) 當(dāng)開關(guān)管剛截止時(shí)，換向二極管能將開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)變壓器漏感所儲存的能量回送到輸入電源，同時(shí)還能消除漏感形成的尖峰電壓。當(dāng)開關(guān)管 1rT 被驅(qū)動時(shí)，電容 C兩端電壓相等，都等于輸出電源電壓的一半，其極性為上負(fù)下正。 圖 210 實(shí)用的單端正 激型變換電路 單端正激型變換器和 Buck 變換器一樣，具有電壓調(diào)整好、帶負(fù)載能力強(qiáng)、輸出電壓中紋波小等優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：可方便地實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)和直流輸出端之間的隔離；能方便地實(shí)現(xiàn)多路輸出。 圖 29所示的單端正激型變換電路，在實(shí)用中還存在去磁問題。當(dāng)開關(guān)晶體管 rT 導(dǎo)通時(shí)， 車載逆變電源 設(shè)計(jì) 18 整流二極管 1D 也同時(shí)導(dǎo)通，輸入電能通過高頻變壓器 T 和二極管 1D 傳遞給負(fù)載，同時(shí)將部分能量儲存在輸出回路中的儲能電感 L 中。所謂派生，是指變壓器插入到各基本變換器中的各不同點(diǎn)上而形成的電路?；咀儞Q器只完成變壓；帶隔離的變換器具有變壓功能外，還能完成輸入輸出電壓隔離及實(shí)現(xiàn)多路輸出等功能。把直流電壓變換成另一種直流電壓最簡單的方法就是串聯(lián)分壓，這樣不涉及變頻的問題，但是效率是非常低的。 車載逆變電源 設(shè)計(jì) 17 圖 28 全橋逆變功率轉(zhuǎn)換電路 全橋逆變電路的工作需要兩組相位相反的驅(qū)動脈沖分別控制兩對開關(guān)管，具體說就是1rT 和 4rT 同時(shí)通斷， 3rT 和 2rT 同時(shí)通斷， 2rT 和 3rT 截止，變壓器原邊電壓為下正上負(fù)的 dV ；反之，當(dāng) 3rT 和 2rT 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)， 1rT 和 4rT 截 止，變壓器原邊電壓為下正上負(fù)的 dV 。當(dāng) 2rT 導(dǎo)通時(shí)， 1rT 截止，電容 1C 被充電， 2C 放電， A點(diǎn)的電位下降； 2rT導(dǎo)通結(jié)束后，又回到 1rT ， 2rT 都截止的狀態(tài)。這時(shí)如果原邊有一只開關(guān)管導(dǎo)通，副邊將會有一只二極管截止，在它由導(dǎo)通到截止轉(zhuǎn)換時(shí)，有一個(gè)反向恢復(fù)的過程，這時(shí)變壓器 副邊相當(dāng)于短路，所以在原邊會有一個(gè)電流尖峰。當(dāng) 1rT 導(dǎo)通時(shí)， 2rT 截止，輸入電壓 dV 加在變壓器 T原邊繞組 1N 上，由于變壓器有兩個(gè) 1N 繞組，且匝數(shù)相同，所以在 2rT 上將施加兩倍的電源電壓，即 2 dV 。在 OFFT 期間， rT 截止， 2D 截止， 1D ， 3D 導(dǎo)通，勵磁電流耦合到續(xù)流繞組中經(jīng) 1D 泄放掉，副邊電感 L經(jīng) 3D 續(xù)流，輸出能量到 LR 補(bǔ)充能量。 設(shè)變壓器初級電流峰值為 LI ，匝比為 n，原邊電感為 L，效率為 ? ，輸出功率 0P 為 20 /(2 )Lp LI T?? （ ） 開關(guān)管 rT 的最高端電壓為（ maxdoV nV? ），其工作電流 ci 可以由下兩式給出： nii Lc ? （ ） 圖 24單端反激式變換電路 在這種變換電路中，變壓器作為一個(gè)耦合電感傳輸能量，體積 比較大，不適合于大功 車載逆變電源 設(shè)計(jì) 15 率的變換器，它的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單。它們的性能和特點(diǎn)各有不同，分別用于不同的逆變裝置中。 1 本次逆變電源的設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括： 1) 直流 /直流變換電路的設(shè)計(jì)； 2) 直流 /交流變換電路的設(shè)計(jì)； 3) 直流 /直流變換控制保護(hù)電路的設(shè)計(jì)； 4) 直流 /交流變換控制保護(hù)電路的設(shè)計(jì)； 5) 高頻變壓器的設(shè)計(jì)。 方案 3 電路采用了比較典型的兩級變換的方式，在第一級直流 /直流變換電路中利用了集成脈寬 調(diào)制電路芯片調(diào)制出 PWM 波，通過 PWM 波信號來驅(qū)動 MOS 管的通斷，把直流信號變換成交流低壓信號，再通過高頻變壓器把交流低壓方波信號升壓成交流高壓方波信號，然后通過整流濾波電路，把交流高壓信號變成 350V 的直流高壓；在第二級中，用另一片脈寬調(diào)制芯片與一片正弦函數(shù)芯片做適當(dāng)?shù)倪B接產(chǎn)生 SPWM 波，用來對直流 /交流變換電路中的全橋逆變電路進(jìn)行脈寬調(diào)制，從而把 350V 直流高壓逆變成 220V 的交流電壓，然后通過濾波電路，濾出我們所需要的 50Hz 的交流信號，就得 220V/50Hz 的交流電壓；而且在本次整個(gè)逆變電路中采用了 變壓器隔離的