【文章內(nèi)容簡介】 感，形成平穩(wěn)的直流電流源，逆變器將輸入的直流電流逆變?yōu)榻涣麟娏鬏敵?，因此也稱它為電流源型逆變器CSI。（2）依據(jù)輸出交流電壓的性質(zhì)，可分為恒頻恒壓正弦波逆變器和方波逆變器，變頻變壓逆變器，高頻脈波電壓（電流）逆變器。（3）依據(jù)逆變電路結(jié)構(gòu)的不同，可分為單相半橋、單相全橋、推挽式、三相橋式逆變器。（4）依據(jù)開關(guān)器件及其關(guān)斷（換流）方式的不同，可分為采用全控型開關(guān)的自關(guān)斷換流逆變器和采用晶閘管半控型開關(guān)的強迫關(guān)斷晶閘管逆變器兩類。晶閘管逆變器也可利用負載側(cè)交流電源電壓換流，負載反電動勢換流或負載諧振換流 [5]。 電壓型單相方波逆變電路工作原理 電壓型單相全橋逆變電路改變開關(guān)管的門極驅(qū)動信號的頻率，輸出交流電壓的頻率f也隨之改變。為保證電路正常工作， 和 兩個開關(guān)管不應同時處于通態(tài)， 、 兩管不應同時處于通態(tài)，1T2 4T3否則將出現(xiàn)直流側(cè)短路。實際應用中為避免上、下開關(guān)管直通，每個開關(guān)管的開通信號應略為滯后于另一開關(guān)管的關(guān)斷信號，即“先斷后通”。同一橋臂上、下兩管 、1T或 、 關(guān)斷信號與開通信號之間的間隔時間稱為死區(qū)時間，在死區(qū)時間中， 、2T34或 、均無信號。 電壓型單相逆變器電壓和波形控制 上節(jié)中各單相逆變電路輸出電壓均為 寬的方波交流電壓。輸出電壓中基波電?180壓數(shù)值僅由輸入電壓 唯一確定，而且輸出電壓中除基7波外含有大量的諧波，對其DV中的7等低階次諧波，若采用LC濾波器去衰減，則必須有LC數(shù)值很大的濾波器，因為要濾除n次諧波必須 ，即， ，諧波階次n低，要求L、CCnL?/1??/1?的諧振頻率 低，要求L、C數(shù)值很大。0? 三相逆變電路工作原理 三相交流負載需要三相逆變器，三相逆變器有兩種電路結(jié)構(gòu)，其一為由三個單相逆變器組成一個三相逆變器。每個單相逆變器可以是半橋式也可以是全橋式電路。三個單相逆變器的開關(guān)管驅(qū)動信號之間互差 ，三相輸出電壓 、 、 大小相等，?120AvBC相差 ，構(gòu)成一個對稱的三相交流電源，通常變壓器的二次繞組都接成星型以便消?120除負載端的三倍數(shù)的諧波。三相逆變器的另一種電路結(jié)構(gòu). 三相逆變器輸出電壓和波形的SPWM控制 對于三相逆變器也可以采用本章第三節(jié)中單相逆變器的多脈波PWM控制或SPWM控制方式。在輸出電壓的每一個周期中，各開關(guān)器件通、斷轉(zhuǎn)換多次，實現(xiàn)即可調(diào)節(jié)、控制輸出電壓的大小、又可消除低次諧波改善輸出電壓波形。三相電壓型逆變電路任何時刻一個橋臂只有一個開關(guān)管被驅(qū)動導通，上、下開關(guān)管驅(qū)動信號互補。因此三相橋電壓型逆變電路這6個開關(guān)管同時被驅(qū)動導通。 當負載為星型聯(lián)結(jié)時如果負載中點為N，則當 、 、 同時導通時，A、C兩點接1T56電源正端，B點接電源負載各相阻抗相等，則 ，當 、 、DDANVRV312????1T5同時導通時，A、B、C三點都連在一起，故 ,類似地分析可以畫出負載星形聯(lián)3T 0結(jié)時負載相電壓 的波形。ANV基于傳統(tǒng)空間矢量脈寬調(diào)制(SPWM)控制的三相逆變器能夠獲得快速的動態(tài)響應,但實現(xiàn)復雜,需要高速微處理器。本文提出了一種新的簡單SPWM控制方法。在理論分析的基礎(chǔ)上得出了逆變器實現(xiàn)SPWM調(diào)制的占空比計算公式。該方法具有傳統(tǒng)SPWM快速動態(tài)響應的優(yōu)點,且實現(xiàn)簡單 [13]。4 系統(tǒng)綜述 技術(shù)指標輸入電壓:交流220V，頻率50HZ額定輸出功率：2KVA輸出電壓波形：正弦波輸出頻率:400HZ輸出電壓總諧波失真:THD5％ 系統(tǒng)主電路 主電路結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)主要由以下A、B、C三個部分組成，功能是完成交流220V/50Hz到交流115V/400HZ的變換，結(jié)構(gòu)如下： 圖41 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 (一) A部分(PFC boost)本部分的作用把交流電整流并通過 boost 電路升壓，輸出為 360V 的直流高壓，在控制電路控制下實現(xiàn)穩(wěn)壓，并使功率因數(shù)為 1。這一級要保證功率因數(shù)為 1，同時實現(xiàn)穩(wěn)壓的功能。 [12](二) B 部分(DC/DC)本部分完成從直流 360V 到直流 180V 的變換，采用變壓器隔離 DC/DC 變換，變壓器的作用是隔離及變壓，原邊的逆變橋由四個開關(guān)管組成，副邊由四個整流管組成，對于變橋同一橋臂開關(guān)管的控制采用互補控制，對角開關(guān)管同時導通和關(guān)斷，逆變橋輸出極性為正或負的方波信號，正負脈沖的寬度各為 50％，電路原理如圖 42 所示。圖 42 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 A 部分滿調(diào)制時 VI～V4 驅(qū)動波形如圖 44(a)所示，占空比為 50％，圖中的波形沒有考慮死區(qū)，即認為開關(guān)管為理想器件。圖中 PWMl 和 PWM3 同相，PwM2 和 PWM4 同相沒有移相，此時副邊輸出電壓最高，如果不計損耗，那么副邊的輸出電壓為 nVin，其中 n 為變壓器的變比在這里變比為 2:l，這是滿調(diào)制時的輸出，此時副邊通過二極管來整流，即為不控整流。圖 43 B 部分電路圖原邊的開關(guān)作用相當于把輸入直流信號調(diào)制為交流的方波信號，副邊二極管則把該信解調(diào)為直流電壓輸出，由于 V1 及 V4 和 V2 及 V3 的脈寬均為 T/2(T 為開關(guān)周期)，Uab(變壓器副邊的電壓波形)正半波和負半波經(jīng)歷時間均為 T/2， 經(jīng)過副邊整流之a(chǎn)bU后可得到最大的輸出電壓，從而完成了從 360V 直流電壓到 180V 直流電壓的隔離及變換。開關(guān)管的驅(qū)動信號為高頻的驅(qū)動信號，這也使變壓器有較小的體積，并能夠得到較高質(zhì)量的直流信號。(三) C 部分(DC/AC)C部分即逆變電源中的逆變電路，它主要功能是完成DC180V到AC115Vrms/400Hz交流電壓的變換功能。這一部分是整個逆變電源的核心部分，也是本文所研究的重點部分。該逆變電路實際上是一種Buck逆變器，即上一章所提到雙向直流變換器，它是雙向直流變換器的一種應用，這種Buck逆變器可以看作由兩個部分組成： (1)具有雙向電流導通能力的Buck變換器。(2)全橋變換電路，如圖46所示。雙向直流Buck變換器由Buck電路和Boost電路結(jié)合而成，圖47(a)為Buck 電路，圖47(b)為 Boost電路，把功率二極管換成雙向開關(guān)就形成了雙向Buck變換器，如圖47(c)所示，從而實現(xiàn)了能量的雙向流動。對于Buck變換器，它的輸出電壓V0=VinD(其中，Vin是輸入的直流電壓，D是主功率開關(guān)管M1的占空比)。在逆變器中，控制電路通過SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)控制開關(guān)管M1的占空比D，把輸入的直流電壓調(diào)制成相應電壓波形輸出，使得Buck變換器在濾波電容c上的輸出電壓 為一系列的正弦全波整流電壓，即cdU單極性的饅頭波，再通過后一級的全橋變換電路使一系列的單極性的正弦饅頭波在負載上展開成標準的詎弦波。工作原理如圖48所示。（a）原邊門極驅(qū)動波形（b）變壓器副邊波形圖44 原邊的門極驅(qū)動波形及變壓器原邊波形圖45 C部分電路圖圖 46 C 部分的結(jié)構(gòu)圖（a）Buck 電路 （b） Boost 電路47（c）雙向直流 buck 變換器 雙向 Buck 變換器由兩個 MOSFET 的開關(guān)管器件及 DD2 二極管組成。兩個開關(guān)管互補導通，二極管具有續(xù)流的作用，從而能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動，所以能夠接感性及容性負載。直流側(cè)的電壓采用單極性 SPWM 調(diào)制通過 DC/DC 在電感后面生成單極性饅頭波，即頻率為 800HZ。全橋逆變部分由 4 個 MOSFET 開關(guān)管組成，通過低頻開關(guān)信號控制實現(xiàn)對輸入即單極性饅頭波周期倒向從而輸出 400HZ 的正弦波。輸出濾波電路由濾波電感 L、濾波電容 C 構(gòu)成，其作用是將 DC/AC 輸出的含有高次諧波分量、基波頻率為 400HZ 的調(diào)制電壓波濾成低 THD 的 115V/400HZ 的交流正弦波，供交流負載作用。雙向 Buck 逆變電路的優(yōu)點：（1）雙向直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器的電路結(jié)構(gòu)。由雙向直流變換器和極性反轉(zhuǎn)逆變橋構(gòu)成，具有電路結(jié)構(gòu)簡潔、雙向功率流、輸出電壓波形質(zhì)量高、負載適應能力強等特點，有效地克服了單向直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器的固有缺陷。（2）從上面的電路結(jié)構(gòu)可以看出此逆變器拓撲結(jié)構(gòu)有一個缺點:需要的開關(guān)管數(shù)量多，這樣一來就大大提商了電路的成本。但是這個電路有二個主功率開關(guān)管工作在高頻狀態(tài)，后面的全橋電路的四個開關(guān)管都是以很低的頻率工作，而且都是在電壓過零的時候開關(guān)，其開關(guān)損耗幾乎為零。所以本電路損耗低,效率提高。（3）傳統(tǒng)的全橋逆變器存在一些不足，逆變器的輸出電壓幅值只能低于直流電壓的幅值。在某些要求輸出電壓高于輸入電壓的場合，就無法實現(xiàn)。現(xiàn)有軟開關(guān)逆變器存在缺陷，例如：結(jié)構(gòu)復雜，控制困難；動態(tài)性能差；有時會產(chǎn)生較大的電壓電流應力，使得開關(guān)管選取困難,成本增加。（4）單極性的饅頭波，提高了采樣的精確度。如果采樣電壓為正負電壓，采樣電路就會復雜，經(jīng)過一些調(diào)理電路，影響采樣的精度。（5）電路控制變成兩部分，一個是高頻的SPWM調(diào)制控制，生成饅頭波；一個是低頻的倒向控制。幅值控制與相位控制實現(xiàn)了分離解耦，控制起來更簡單。（6）有利于實現(xiàn)多機的并聯(lián)。有功功率與幅值有關(guān)，無功功率與相位有關(guān)。（7）對于傳統(tǒng)的逆變電路由DC/DC、DC/AC 組成，正弦信號生成在最后一級完成。對于本文DC/DC 生成全波整流的饅頭波、 DC/AC完成了極性的反轉(zhuǎn)，直流變換級工作在SPWM( 輸出電壓寬)、極性反轉(zhuǎn)逆變橋功率開關(guān)電壓應力低且為ZVS、輸出濾波負擔減輕、負載適應能力強。逆變電路作為逆變電源的重要部分也是本文所討論的重點，以下主電路元件的選擇及參數(shù)的設(shè)計指的是逆變電路部分。 [8] 主電路的參數(shù)設(shè)計主電路元器件設(shè)計包括功率開關(guān)管的選擇、濾波電路參數(shù)設(shè)計。在此我們分別對其進行詳細的論述。(1)開關(guān)元件的設(shè)計功率半導體器件在構(gòu)成機理、開關(guān)特性和功率上不斷出新，逆變器的開關(guān)頻率不斷提高。就逆變器容量方面看，功率MOS管用于小功率范圍，功率晶體管用于中小功率范圍，而門極可關(guān)斷晶閘管則用于較大功率范圍。功率MOSFET具有優(yōu)良的開關(guān)特性、開關(guān)時間短、開關(guān)損耗低、可以工作在超聲頻脈沖情況下。它作為一種電壓控制多數(shù)載流子器件，柵極電路阻抗非常高，因此適用于多管并聯(lián)運行。因為其驅(qū)動電路簡單，可以直接從CMOS邏輯驅(qū)動，且不加緩沖電路，保護容易，基本上沒有二次擊穿現(xiàn)象。是首選功率器件之一。IGBT絕緣柵晶體管是一種利用MOS柵極進行開通/關(guān)斷的雙極型晶體管器件，具有MOSFET高輸入阻抗和類似于雙極型晶體管的低通態(tài)壓降，并且有像晶體管似的反相電壓阻斷能力。也是功率器件首選之一。功率雙極型晶體管GTR是電流控制的半導體電力電子器件。開關(guān)關(guān)斷時間較長(十幾 延誤時間)，必須加上緩沖電路以保證其工作在安全工作區(qū)以內(nèi)，防止出現(xiàn)因局SU部發(fā)熱效應導致的二次擊穿現(xiàn)象。分立元件構(gòu)成的驅(qū)動電路元件多，電路復雜，穩(wěn)定性欠佳和使用不便，有大規(guī)模集成化基極驅(qū)動電路芯片供選擇使用。門極可關(guān)斷晶閘管GTO開通和通態(tài)特性類似普通晶閘管，可以用一個負門極電流脈沖關(guān)斷陽極電流。關(guān)斷時間與GTR同一數(shù)量級，開關(guān)性能同門級驅(qū)動電路設(shè)計關(guān)系很大，也需要加緩沖電路和采用適當?shù)目焖龠^流保護措施。MOSFET功率器件一般選用三菱、富士、APT、IR公司的產(chǎn)品，如配套使用IR公司的三相驅(qū)動芯片IR2130和IR公司的MOSFET可方便的構(gòu)成三相逆變器。IGBT可選用三菱、東芝、西門子、富士生產(chǎn)的產(chǎn)品，如富士公司的EXB841和IGBT可容易的構(gòu)成單相變頻器回路。電源額定輸出為：電壓 =ll5V，功率 =2KW，考慮0U0P到濾波器的損耗以及功率開關(guān)的開關(guān)損耗，設(shè)效率為80％，則有：逆變器功率：=2/(KW)峰值電流值：NP= /115= /115≈55(A)INRAPK22其中： 為過載因數(shù)， 為安全系數(shù)。綜上，系統(tǒng)直流側(cè)PK輸出電壓約為U=180V，考慮電壓尖峰影響和留有一定裕量，可以選擇400V的MOSFET器件。器件的電流等級則要根據(jù)它所通過的最大峰值電流來確定?？紤]到系統(tǒng)的過載系數(shù)為 =，安全系統(tǒng) =，系統(tǒng)在輸出功率為2KVA時的MOSFET器件峰值約為AR55A?？紤]到電流紋波以及反并聯(lián)二極管反向恢復尖峰電流，因此器件的電流等級可取為60A(2)輸出濾波器的選擇及參數(shù)設(shè)計輸出交流濾波器的作用是濾除逆變橋輸出SPWM波的諧波分量，表面看來好象LC濾波參數(shù)越大，系統(tǒng)輸出波形越好。實際上，濾波時閫常數(shù)越大，不僅濾波電路的體積和重量過大，而且濾波電路引起的相位滯后變大，采用閉環(huán)波形反饋控制時，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差。相反，濾波參數(shù)選得過小，系統(tǒng)中的高頻分量得不到很好的抑制，輸出電壓不能滿足波形失真度的要求。因此，選擇濾波器參數(shù)時，要綜合考慮這兩方面的因素。輸出濾波器設(shè)計的基本要求應保證逆變器輸出正弦電壓的波形失真度滿足要求的前提下，盡可能減小體積、重量，盡可能減小無功功率損耗。為了滿足以上的幾點要求，可以通過以下兩個途徑設(shè)計濾波器的參數(shù)。濾波器是一種具有選擇性的四端網(wǎng)絡(luò)，它允許某些頻率信號通過，而不允許另一些頻率信號通過。允許通過的信號頻率范圍稱為通帶，不允許通過的信號頻率范圍