【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(chǎng)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 。 2． 2 變換電路的基本形式 根據(jù)電路中是否含有高頻變壓器可以將功率變換電路分為非隔離式變換和隔離式變換電路。含有變壓器的隔離式變換電路不僅可以將輸入與輸出分離，降低相互之間的影響，還可以改變輸入輸出的電壓比。 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(chēng)為 Cuk 變換電路 )。這幾種變換電路工作時(shí)輸出電流都有連續(xù) 和不連續(xù)兩種狀態(tài)，對(duì)一般的逆變系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要求其輸出在一定范圍內(nèi)電流連 續(xù) 。 1． 降壓變換電路 (Buck 電路 ) Buck 變換電路的基本形式如圖 2． 2所示。 設(shè)開(kāi)關(guān)管 Q 在一個(gè)周期丁內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間為 ONT ，關(guān)斷時(shí)間為 OFFT ，導(dǎo)通時(shí)間 ONT 與周期 T之比定義為占空比，用 ? 表示 ? =OFFONONTT T? = TTON = ONTf? (2． 1) 10 式 (2． 1)f = T1 即為開(kāi)關(guān)管的工作頻率。 Buck 變換器輸出電壓 0V 和輸入電壓 dV 的關(guān)系為 0V =? . dV (2． 2) Buck 變換器要求輸出電壓 0V 的紋波很小，也就是輸出電 流 0I 紋波很小，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi) 0V 和 0I 幾乎都不變。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(kāi)關(guān)周期內(nèi)變化很小，其平均值等于 0I 。在一般系統(tǒng)中 ,輸 出紋波電壓 0V? 滿(mǎn)足 0V? = 208 )1( LCfV?? (2． 3) 2．升壓變換電路 (Boost 變換電路 ) Boost 變換電路的基本形式如圖 2． 3所示，其工作原理與 Buck 變換電路相似 。輸出電壓 0V 與輸入電壓 dV 的關(guān)系為 0V = dV???11 (2． 4) 圖 2． 3 Boost 變換電路 Boost變換電路中電感 L和電容 C設(shè)計(jì)與 Buck電路相似，當(dāng)輸出電流 0I = min0I時(shí)電感的電流應(yīng)連續(xù)，則 Li 的變 化量 Li? 不能超過(guò) min0I 的兩倍，即 Li? ? 2 min0I ，當(dāng)輸入電壓最低為 mindV 和輸出電壓最高為 minoV 時(shí)開(kāi)關(guān)管占空比 ? 最大，導(dǎo)通時(shí) 11 間最長(zhǎng) TTON ?? m axm ax ? ，由電感 的基本特性得 OMINONd ITVL 2 m axm in? (2． 5) 在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間 ONT 內(nèi)，輸出濾波電容 C 放電，規(guī)定在最大負(fù)載電流 maxoI下、最大開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間 maxONT 內(nèi)電容上電壓變化量不超過(guò)cV?，由電容的基本特性得 cONo VTIC ?? m axm ax (2． 6) 輸出紋波電壓 OV? 不僅與電容 C有關(guān)，與負(fù)載 R也有關(guān) RCfVV OO ??? (2． 7) 3．降壓一升壓變換電路 (BuckBoost 變換電路 ) Buck — Boost 變 換 電 路 的 基 本 形 式 如 圖 所示。 圖 2． 4 BuckBoost 變換電路 電路穩(wěn)定工作狀態(tài)下，當(dāng)開(kāi)關(guān)管 Q 導(dǎo)通時(shí)，電流通過(guò)電感 L，此時(shí)電感儲(chǔ)能， i=0，電容 C通過(guò) R 放電；當(dāng)開(kāi)關(guān)管 Q 關(guān)斷時(shí)，電感 L 釋放能量，電流通過(guò)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(mǎn) 足 0V = dV????1 (2． 8) 輸出電壓紋波 OV? 與濾波參數(shù) L、 C滿(mǎn)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(duì) 簡(jiǎn)單，其原理如下圖 。 圖 2． 5 Cuk 變換電路 假定電路處于穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管 Q導(dǎo)通時(shí)， D截止，電感 1L 儲(chǔ)能， 1C的放 電電流為 2C 充電，同時(shí)電感 2L 儲(chǔ)能， ci = 1Li + 2Li 。 當(dāng) Q 關(guān)斷時(shí)， D 導(dǎo)通， 電感 1L 釋放能量給電容 1C 充電，電感 2L 通過(guò) D釋放能量，保持輸出。所以 Cuk 變換電路無(wú)論在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通還 是關(guān)斷期間都有能量傳遞，但由于電容 1C 上的電壓比較高，所以該電路不常用，但其優(yōu)點(diǎn)還是很明顯的。 2． 2． 2 隔離式變換電路 隔離式變換電路已經(jīng)被廣泛應(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，它們都是由 Buck 變換電路和 Boost 變換電路等基本電路組成的。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。本文只討論單相逆變電路中這幾種變換電路性能特點(diǎn)。 13 單端正激隔離式變換電路的原理圖和工作波 形如圖 2． 6 所示。 圖 2． 6單端正激式變換電路及其工作波形 當(dāng)開(kāi)關(guān)管 Q 導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)它的電流上升，次級(jí) 2D ：截止， 1D 導(dǎo)通，通過(guò)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(kāi)關(guān)管 Q關(guān)斷時(shí)， 1D 截止， 2D 導(dǎo)通，電感 L通過(guò) 2D 續(xù)流，并將能量傳遞到負(fù)載 R，同時(shí)電容 C放電。 開(kāi)關(guān)管 Q承受的最高電壓為 2 dV ，其工作電流為 1m a xLTVnii dLC ??? (2． 10) 式中 1L 為變壓器原邊勵(lì)磁電感， n為變壓器的匝比。 2．單端反激式變換電路 單端反激式變換電路的原理圖及工作波形如圖 2． 7所示。 14 圖 2． 7單端反激式變換電路及其工作波形 開(kāi)關(guān)管 Q 導(dǎo)通時(shí)，二極管 D 截止， dV 加在變壓器原邊，此時(shí)原邊勵(lì)磁電感儲(chǔ)能；在開(kāi)關(guān)管 Q關(guān)斷時(shí)， D導(dǎo)通，變壓器原邊儲(chǔ)存的能量耦合到副邊為負(fù)載尺提供能量并為電容 C 充電。 若變壓器初級(jí)電流峰值為 LI ,匝比為 n，原邊電感為 L，效率為 ? 開(kāi)關(guān)管周期為 T，則輸出功率 oP 為 oP = TLIL22? (2． 11) 開(kāi)關(guān)管最高工作電壓為 ( maxod nVV ? )，其工作電流 Ci 為 Ci =max2?doL nV PnI ? (2． 12) 反激式變換電路中，變壓器以耦合電感的形式工作，體積比較大，不適合做大功率變換器，但它的優(yōu)點(diǎn)也很明顯：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠自動(dòng)均衡各路負(fù)載，因此可以很容易的實(shí)現(xiàn)多路輸出。 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。 15 圖 2． 8推挽式變換電路原理圖及其工作波形 推挽變換電路中開(kāi)關(guān)管 Q Q2 由兩路相位相反的 PWM 波分別控制使它們交替通斷：當(dāng) Q1導(dǎo)通時(shí)， Q2關(guān)斷，輸入電壓 dV 加在變壓器原邊 1pN 繞組上，此時(shí)1pN 繞組上承受的電壓為 2 dV ：死區(qū)時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都關(guān)斷，端電壓都為 dV ；當(dāng) Q2 導(dǎo)通時(shí)， Q1 關(guān)斷，工作過(guò)程與 QI 導(dǎo)通時(shí)相似。 在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程中，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流尖峰，原因是在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，兩只開(kāi)關(guān)管都關(guān)斷，變壓器副邊電感通過(guò)兩只整流二極管續(xù)流，當(dāng)有一只開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí) ，副邊整流管將有一個(gè)截止，由導(dǎo)通到截止 的過(guò)程是一個(gè)反向恢復(fù)過(guò)程 ,變壓器副邊相當(dāng)于短路，因此在原邊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電流尖峰。 在開(kāi)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(xiàn)電感上儲(chǔ)存的能量會(huì)給開(kāi)關(guān)管等效輸出電容充電，這樣在開(kāi)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)。 4．半橋式變換電路 半橋式變換電路的原理如圖 2． 9所示。 16 圖 2． 9 半橋式變換電路原理圖 圖中 1C = 2C ，當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都關(guān)斷時(shí)，兩個(gè)電容中點(diǎn)電壓為輸入電壓的一半，即 221 ddd VVV ?? 。當(dāng) Q1導(dǎo)通時(shí)，電容 C1 通過(guò) Q1 和變壓器原邊放電，同時(shí)電源電壓 dV 通過(guò) Q1 和變壓器原邊給電容 C2充電， C1 與 C2中點(diǎn) A的電位上升 ； 當(dāng)Q1 關(guān)斷時(shí)， C C2端電 壓又恢復(fù)到電源電壓的一半； Q2 導(dǎo)通時(shí)工作情況與該過(guò)程相似。 半橋式變換電路中開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)也有電流尖峰，情況與推挽變換電路相似，由于 Dl、 D2 的鉗位作用，開(kāi)關(guān)管端電壓限制在 dV 。 半橋式變換電路在電源電壓一樣，開(kāi)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)。 5．全橋式變換電路 全橋式變換電路原理如圖 2． 10 所示。 圖 2． 10 全橋式變換電路 全橋式變換電路與半橋式變換電路結(jié)構(gòu)相似，只是用兩個(gè)開(kāi)關(guān)管代替兩個(gè)電容，四個(gè)開(kāi)關(guān)管由兩組相位相反的驅(qū)動(dòng)脈沖分別控制。 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。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電路的工作情況與半橋電路相似。 2． 2． 3 各種變換電路的特點(diǎn)及應(yīng)用 由以上分析可知，各種變換電路的特點(diǎn)差別很大，因此應(yīng)用范圍不同。 1．單端式變換電路特點(diǎn)及應(yīng)用 單端式變換電路有正激式和反激式兩種，它們有以下特點(diǎn)： ⑴ 開(kāi)關(guān)器件少，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 ⑵ 沒(méi)有開(kāi)關(guān)管直通問(wèn)題，可靠性高。 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(wèn)題。 同時(shí)，單端式變換電路也有缺點(diǎn)： ⑴ 單端式變換電路的開(kāi)關(guān)管承受的輸入電 壓比半橋式和全橋式變換電路要高。 ⑵ 由于單端式變換電路變壓器單向工作，磁芯的利用率低，因此變壓器體積較大。 ⑶ 電路工作占空比小，通常小于 0． 5，所以輸出功率小。對(duì)于正激式變換電路，最大的優(yōu)點(diǎn)就是可靠性高，應(yīng)用范圍比較廣；而反 激式變換電路一般用于功率較小的場(chǎng)合，原因是它的變壓器以電感的形式工作，體積限制了它無(wú)法應(yīng)用于大功率場(chǎng)合。 2．雙端式變換電路的特點(diǎn)及應(yīng)用 雙端式變換電路不包括由單端式變換電路復(fù)合而成的變換電路，它們的特點(diǎn)與性能比較如下： ⑴ 推挽式變換電路使用的開(kāi)關(guān)器件較少且輸出功率大，但開(kāi)關(guān)管 承受的電壓高，適用于輸入電壓較低的場(chǎng)合。 ⑵ 半橋式變換電路使用的開(kāi)關(guān)器件也較少，開(kāi)關(guān)管承受的電壓不高，驅(qū)動(dòng)相對(duì)容易，抗不平衡能力強(qiáng)，但輸出功率小，適合中小功率的應(yīng)用場(chǎng)合。 ⑶ 全橋式變換電路開(kāi)關(guān)管承受的電壓不高，輸出功率大，但使用的開(kāi)關(guān)管數(shù)量多，驅(qū)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜，適用于功率較大的場(chǎng)合。 雙端式變換電路性能對(duì)比和應(yīng)用情況如表 2． 1所示。 表 2． 1 雙端功率變換電路性能對(duì)比 18 2． 3 本章小結(jié) 本章對(duì)電源變換電路的各種結(jié)構(gòu)作了簡(jiǎn)要分析，比較了非隔離式變換電路和隔離式變換電路的特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)隔離式變換電路適用的場(chǎng)合作分析，為下一章主電路結(jié)構(gòu)的選擇與設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。 3 逆變系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì) 3． 1 現(xiàn)代逆變系統(tǒng)中的功率變換技術(shù) 在進(jìn)行逆變器設(shè)計(jì)時(shí)，首先要選擇合適的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開(kāi)關(guān)器件的型號(hào)，其次確定開(kāi)關(guān)器件的工作頻率及電壓、電流大小 ，再次要設(shè)計(jì)合理的控制電路。這些問(wèn)題確定之后需要通過(guò)一定的功率變換技術(shù)來(lái)完成設(shè)計(jì)，因此首先介紹下開(kāi)關(guān)電源的功率變換技術(shù)。 功率變換的技術(shù)有很多，每種技術(shù)的工作原理和特點(diǎn)、設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況各不相同，根據(jù)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)方式分為硬開(kāi)關(guān) PWM 變換和軟開(kāi)關(guān) PWM 變換 。 1．硬開(kāi)關(guān) PWM 變換技術(shù) 硬開(kāi)關(guān) PWM 變換技術(shù)是 20 世紀(jì) 60 年代開(kāi)始發(fā)展和應(yīng)用的，“硬開(kāi)關(guān) 指的是開(kāi)關(guān)管開(kāi)通或者關(guān)斷時(shí)，其上的電壓或電流不為零，通過(guò)控制電路強(qiáng)迫其開(kāi)通或關(guān)斷，這種變換技術(shù)的電路中開(kāi)關(guān)管工作頻率固定，通過(guò)調(diào)節(jié)每周期開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間調(diào)節(jié) 和穩(wěn)定輸出。硬開(kāi)關(guān) PWM 技術(shù)中開(kāi)關(guān)管承受的電壓為固定值，這樣對(duì)開(kāi)關(guān)管的要求相對(duì)低一些，同時(shí)控制電路也比較簡(jiǎn)單，因此硬開(kāi)關(guān) PWM 技術(shù)是使用最為廣泛的變換技術(shù)之一。 然而硬開(kāi)關(guān) PWM 技術(shù)也有其缺點(diǎn)，如開(kāi)關(guān)損耗大，開(kāi)關(guān)管的電流變化率 ti dd和電壓變化率 tv dd 較大，從而產(chǎn)生比較高