【正文】 7A，常用的逆變功率開關(guān)管 IRFP460 最大端電壓 500V，平均工作電流 20A，滿足電路正常工作需要。 3． 6 本章小結(jié) 本章從電源變換功率轉(zhuǎn)換技術(shù)中的 PWM 硬開關(guān)變換技術(shù)出發(fā)，通過分析兩級主電路的特點(diǎn)及工作狀態(tài)， 選擇了 DCDC推挽升壓電路和 DCAC 全橋逆變電路，設(shè)計(jì)了主要的保護(hù)電路。 29 4． 1． 2 電流型 PWM 控制 電流型 PWM 控制分為峰值電流控制和平均電流控制。對于本文設(shè)計(jì)的電路振蕩頻率為 30kHz，則 TTCR = 53 1 ????? 取 TC = F? 那么 TR ??k5 ， 取標(biāo)值 ? 。這里所說的“階 指的是逆變 器SPWM 輸出脈沖在一個(gè)周期內(nèi)的電壓電平數(shù)， 二階 SPWM 波只包含正、負(fù)兩種電平，而三階 SPWM 波包含正、負(fù)、零三種電平。 33 圖 3． 13 三階 SPWM 調(diào)制原理圖 三階 SPWM 波形比二階 SPWM 波形的諧波含量要小得多。硬件調(diào)制法通常用放大器、比較器及數(shù)字電路的組合來實(shí)現(xiàn)，或者用 PWM 專用芯片、放大器、比較器及數(shù)字電路組合完成，這種硬件調(diào)制法的特點(diǎn)是控制線路簡單，易于調(diào)試，但需要解決溫度漂移產(chǎn)生的影響；軟件 生成法主要使用單片機(jī)或 DSP(數(shù)字信號處理器 )及其外圍電路，這種調(diào)制法結(jié)構(gòu)簡單，但是沒有硬件模擬電路響應(yīng)速度快，且數(shù)字信號處理器成本相對較高。 我是用的逆變器主電路 2個(gè)橋臂相位參差得到 3階 SPWM 波。此外輸出電壓的頻譜分布與載波比 N 也有關(guān)，載波比 N 越大，諧波頻率越高，濾波越容易。 4． 3． 2 SPWM調(diào)制法的分類 SPWM 正弦脈寬調(diào)制法是以正弦波為調(diào)制波、以三角波或者鋸齒波為載波的一種調(diào)制法，這項(xiàng)技術(shù)原理簡單、通用性強(qiáng)、控制和調(diào)節(jié)性能好，具有消除諧波、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的多種作用，是一種很好的波形改善方法，對中小型逆變器的發(fā)展有著重要作用。 圖 3． 8 SG3525 內(nèi)部框圖及引腳定義 30 該芯片 15 腳 CCV 為芯片供電電壓 (8~35V)； 1 腳和 2 腳分別為誤差放大器的反相輸入端和同相輸入端； 9 腳與 l 腳通過電阻和電容構(gòu)成 PI 調(diào)節(jié)器補(bǔ)償系統(tǒng)的輻頻、相頻響應(yīng)特性； 5腳與 6腳為振蕩電路設(shè)置，通過外接振蕩 電阻和電容設(shè)置振蕩頻率，在 5 腳和 7 腳之間連接一個(gè)電阻來設(shè)置死區(qū)時(shí)間； 8腳為軟啟動(dòng)端； 10 腳為關(guān)斷端，通常接過流檢測信號，當(dāng) 10 腳為高電平時(shí)輸出關(guān)斷： 16腳為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓： 12 腳接地； 11 腳和 14 腳為 PWM 脈沖輸出端；此外 3腳為同步端， 4 腳為振蕩輸出端。 5．在多路輸出電路中，如果每路都有 P 刪采樣，那么各輸出之間的影響將會(huì)非常小。 IC1 同相輸入端電位是直流高壓地線上的電流采樣電阻上的電壓大小，反相輸入端電位由 5V 電源通過 4R 、 5R 、 6R 和 7R 分壓決定，當(dāng)同相輸入端電壓大于反相輸入端時(shí)，通過電容 1C 的延時(shí)后使 IC1 輸出高電平，此時(shí) IC3 輸出高電平，控制關(guān)斷功率開關(guān)管，從而完成過流保護(hù)任務(wù)。 對于本文設(shè)計(jì)的逆變器采用的 SPWM(正弦波脈寬調(diào)制 )控制方式，由于驅(qū)動(dòng)功率管的脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的，濾波后輸出的是正弦波而不是直流電壓，可以按照半個(gè)周期內(nèi)電感紋波電流最大的一點(diǎn)來計(jì)算所需的電感值來設(shè)計(jì) 電感，在整個(gè)周期內(nèi)這個(gè)電感都能滿足電路正常工作的要求 。由以上各式整理即可得： XjwsfoT KBfKK PAP ??? 1 14 )10( (3． 11) 使 用上式計(jì)算而得到的磁芯制作的變壓器，在輸出功率 TP 時(shí)，變壓器損耗 導(dǎo)致的溫升在規(guī)定的溫升范圍內(nèi)。 AP 法指的是磁芯 有效截面積 eA 與磁芯窗口有效面積 wA的乘積，這種方法不僅可以計(jì)算磁芯尺寸大小，也可以計(jì)算變壓器溫升、繞 線匝數(shù)以及變壓器電感量等 。當(dāng)電路處于開環(huán)模式下工作時(shí)，變壓器的漏感有時(shí)可以看成是續(xù)流電感，在 PWM 死區(qū)時(shí)間內(nèi)保證輸出電流的連續(xù)，此時(shí)可以省略濾波電感。 21 圖 3． 3推挽式升壓主電路圖 該電路輸出電壓的大小由最終輸出的正弦 波決定，輸出正弦波電壓 oU 與直 流高壓 DCU 之間的關(guān)系滿足 oU =M DCU t?sin (3． 2) 式中 M 為調(diào)制度，定義為調(diào)制波幅值 sU 與載波幅值 cU 之比 M =UcUs (3． 3) 由式 (3． 2)知輸出正弦波幅值與直流高壓成正比關(guān)系，而調(diào)制度肘通常小于l，因此直流高壓的值應(yīng)大于輸出正弦電壓的峰值以滿足輸出要求。 1．使用工頻變壓器的升壓電路 使用含有工頻變壓器升壓電路的主路結(jié)構(gòu)如圖 3． 2所示。硬開關(guān) PWM 變換器的開關(guān)管工作頻率固定不變，通過調(diào)節(jié)每周期內(nèi)開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間來調(diào)節(jié)輸出電壓或電流大小。 2．軟開關(guān) PWM 變換技術(shù) 開關(guān)變換技術(shù)的重要發(fā)展方向之一就是提高開關(guān)管的開關(guān)頻率，為了使開關(guān)電源在比較高的頻率下還能夠高效率的運(yùn)行， 70 年代 “軟開關(guān) 技術(shù)逐漸發(fā)展起來。 雙端式變換電路性能對比和應(yīng)用情況如表 2． 1所示。 ⑶ 變壓器單向工作，不會(huì)產(chǎn)生由于電路不平衡造成的偏磁問題。 半橋式變換電路在電源電壓一樣，開關(guān)管工作電流相同的情況下，輸出功率是推挽式變換電路的一半，原因是加到變壓器原邊的電壓為輸入電壓的一半，但半橋式變換電路平衡能力強(qiáng)是該電路的顯著優(yōu)點(diǎn)。 3．推挽式變 換電路 推挽式變換電路原理圖及工作波形如圖 2． 8所示。隔離式變換電路的基本形式有單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式幾種 n 羽。所以要求濾波電感 L 和電容 C 的值都足夠大，電感電流 Li 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)變化很小，其平均值等于 0I 。對于在特定場合工作的逆變器還有其他保護(hù)，如在溫度很低或者很高的場合需要有溫度保護(hù)，在某些氣壓變化的情況下還要有氣壓保護(hù)， 在潮濕的環(huán)境中要有濕度保護(hù)等等 。 3．控制電路控制電路按照逆變器輸出的要求通過一定的控制技術(shù)產(chǎn)生一組或者多組脈沖電壓，通過驅(qū)動(dòng)電路作用于功率開關(guān)管，使功率開關(guān)管按照指定的次序?qū)?或者關(guān)斷，最終在主電路輸出端得到所需的電壓波形。 3．根據(jù)設(shè)計(jì)要求，完成了整機(jī)各部分電路的 PCB 制作，選擇和制作了合適的元器件搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，組裝調(diào)試了逆變器樣機(jī)，并進(jìn)行了空載及帶載實(shí)驗(yàn)，測量了關(guān)鍵點(diǎn)波形，達(dá)到了預(yù)期效果。國內(nèi)的先發(fā)企業(yè)有望借助國內(nèi)光伏安裝市 場的啟動(dòng)獲得寶貴的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為將來進(jìn)軍國際市場打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 5．高輸入功率因數(shù)化。對于交流輸出電壓的另一個(gè)重要參數(shù)是頻率，好的逆變器不但要求輸出電壓有效值穩(wěn)定，而且要求頻率也穩(wěn)定。 6 1． 2 逆變器的發(fā)展及趨勢 1． 2． 1 逆變器的發(fā)展歷史 逆變器技術(shù)的發(fā)展始終與功率器件及其控制技術(shù)的發(fā)展緊密結(jié)合，從開始 發(fā)展至今共經(jīng)歷了五個(gè)階段嘲啪。當(dāng)前 世界，煤礦、石油等自然資源不斷減少，并且由它們產(chǎn)生的污染及全球熱效應(yīng) 不斷加劇，新的能源如太陽能、風(fēng)能將成為主要能源。對正弦波逆變器來說最重要的是控制電路，以脈寬調(diào)制 ( PWM)為基礎(chǔ)的正弦脈寬調(diào)制 (SPWM)技術(shù)是正弦波逆變器的一項(xiàng)關(guān)鍵控制技術(shù)，它以正弦波為調(diào)制波、以三角波或鋸齒波為載波，通過調(diào)制輸出的 SPWM 脈沖控制功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷， 從而完成直流到交流正弦波的逆變過程。本文 SPWM 控制電路采用常用運(yùn)算放大器和數(shù)字芯片設(shè)計(jì)完成，在保證精度的前提下降低了成本，并且簡化了由硬件實(shí)現(xiàn) SPWM 控制的電路結(jié)構(gòu)。對諧波污染的有效管理不僅能 夠提高用電設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量和能源節(jié)約，而且關(guān)系到國民用電安全的問題。高頻化指的是提高功率開關(guān)器件的工作頻率，這樣不但可以減小整個(gè)系統(tǒng)的體積，而且對音頻噪聲有很好的抑制作用，同時(shí)提高了逆變器輸出電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。目前的逆變器技術(shù)可以制作出大功率產(chǎn)品，但是在大功率應(yīng)用場合一旦這個(gè)逆變器系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。 6．智能化與數(shù)字化。 1． 4 本文的主要內(nèi)容 本文從逆變器結(jié)構(gòu)及原理出發(fā)，通過分析各級電路特點(diǎn)及性 能，選擇合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計(jì)算各元件參數(shù)，制作電感器和變壓器線圈元件，并組裝和調(diào)試了一臺(tái)逆變器樣機(jī)?？刂乒β书_關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的電路就是逆變器的控制電路 ，控制電路輸出一定的電壓脈沖，使功率變換電路中的功率開關(guān)管按照一定規(guī)律導(dǎo)通和關(guān)斷，這時(shí)功率主電路的輸出為特定的諧波組合，最后通過濾波電路得到我們需要的電壓波形。對于隔離輸出的逆變器，輸出電路前級還有隔離變壓器。 2． 2． 1 非隔離式變換電路 非隔離式電壓變換電路最基本的 形式有兩種：降壓變換電路 (Buck 變換電路 ) 和升壓變換電路 (Boost 變換電路 )，由這兩種變換電路可以組合成為另外兩種 隔離式變換電路：降壓一升壓變換電路 (BuckBoost)和升壓一降壓變換電路 (BoostBuck 也稱為 Cuk 變換電路 )。 圖 2． 4 BuckBoost 變換電路 電路穩(wěn)定工作狀態(tài)下，當(dāng)開關(guān)管 Q 導(dǎo)通時(shí)，電流通過電感 L，此時(shí)電感儲(chǔ)能， i=0，電容 C通過 R 放電；當(dāng)開關(guān)管 Q 關(guān)斷時(shí)，電感 L 釋放能量，電流通過續(xù) 流二極管 D，一部分為電容 C充電，另一部分提供輸出電流，輸出電壓 0V 與輸 12 入電壓 dV 的關(guān)系滿 足 0V = dV????1 (2． 8) 輸出電壓紋波 OV? 與濾波參數(shù) L、 C滿足 28LCfVV do ??? (2． 9) 4．升壓一降壓型變換電路 (Cuk 變換電路 ) Cuk 變換電路實(shí)際上是將一個(gè)降壓電路串聯(lián)在一個(gè)升壓電路后面，它的輸出電壓可調(diào)，且與輸入電壓極性相反，輸入與輸出電流 紋波很小，濾波電路相對 簡單，其原理如下圖 。 圖 2． 6單端正激式變換電路及其工作波形 當(dāng)開關(guān)管 Q 導(dǎo)通時(shí)，通過它的電流上升，次級 2D ：截止， 1D 導(dǎo)通，通過電感 L 的電流 Li 上升，此時(shí)電感儲(chǔ)能，為負(fù)載提供能量的同時(shí)為電容 C充電；當(dāng)開關(guān)管 Q關(guān)斷時(shí)， 1D 截止， 2D 導(dǎo)通，電感 L通過 2D 續(xù)流，并將能量傳遞到負(fù)載 R，同時(shí)電容 C放電。 在開關(guān)管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷的瞬間，變壓器原邊漏感和引線電感上儲(chǔ)存的能量會(huì)給開關(guān)管等效輸出電容充電，這樣在開關(guān)管兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓尖峰，這個(gè)尖峰與原邊電流和漏感的大小有關(guān)。 Q Q4 導(dǎo)通時(shí) Q Q3 關(guān)斷，變壓器原邊電壓 dV 的方向?yàn)橄抡县?fù)；反之， Q Q3 導(dǎo)通時(shí) Q Q4 關(guān)斷， 17 變 壓 器原邊有上正下負(fù)的 dV 電壓。 ⑶ 電路工作占空比小，通常小于 0． 5，所以輸出功率小。這些問題確定之后需要通過一定的功率變換技術(shù)來完成設(shè)計(jì)，因此首先介紹下開關(guān)電源的功率變換技術(shù)。 軟開關(guān)變換技術(shù)開關(guān)損耗小，工作頻率高，但開關(guān)管的額定電流或者額定電壓高，因此成本較高。 表 3． 1 各種功率開關(guān)器件適用頻率上限 當(dāng)逆變開關(guān)管工作頻率超過該管適用頻率的范圍時(shí)，開關(guān)管的開關(guān)損耗產(chǎn)生 20 的熱量就不能及時(shí)散發(fā)從而影響電路性能甚至燒毀電路。但它的響應(yīng)速度慢，波形畸變比較嚴(yán)重，噪聲 大。閉環(huán)控制方式下電路輸出端接采樣電阻反饋到控制回路，控制回路根據(jù)采樣電壓或電流的大小來調(diào)節(jié) PWM 占空比從而保證輸出穩(wěn)定；開環(huán)控制方式下輸出只由輸入和控制回路決定而與輸出無關(guān)。決定變壓器磁芯尺寸的是輸出最大功率與變壓器各方面參數(shù) (如磁芯窗口面積、磁芯截面積、最大磁通密度、電路工作頻率以及繞線電流密度等 )的關(guān)系。 磁芯的有效窗口面積為 woAK ， oK 為窗口使用系數(shù) ( oK 1)，即 woAK = ＇＇ ssANAN pp ? (3． 6) 式 (3． 6)中， ＇pA 為原邊每匝所占面積， ＇sA 為副邊每匝所占面積，窗口使用系數(shù) oK 表示窗口中漆包線占有的面積，它與漆包線的截面積、繞組的匝數(shù)、層數(shù)以及絕緣層厚度有關(guān) oK = ?1S ?2S ?3S 4S (3． 7) 23 式 (3． 7)中 1S = 導(dǎo)線絕緣原材料面積銅導(dǎo)線面積 銅導(dǎo)線面積 ? ； 可用窗口面積 匝繞線面積n2 ?S； 窗口面積可用窗口面積?3S； 繞絕緣層面積可用窗口面積 可用窗口面積 ??4S。 圖 3． 4 電流連續(xù)與不連續(xù)情形 對于推挽變換電路，整流后電壓 1V 與濾波后輸出電壓 oV 的關(guān)系為 oV = 1V TTon2? (3． 12) 式中 onT 為一個(gè)周期內(nèi)單個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間， T 為電路工作周期，設(shè) dI 為斜坡電流峰值，則 dI = L TVV ono)( 1 ? = oI2 (3． 13) 25 即： oonoI TVVL 2 )( 1 ?? 通常額定電流 onI 為最小輸出電流 oI 的 10 倍，則 oono