【文章內(nèi)容簡介】 電路的集成化；變換效率高的新型軟開關(guān)電路 [6]。 類型 名稱 英文縮寫 單極型 功率場效應(yīng)晶體管 靜電感應(yīng)晶體管 MOSFET SIT 雙極型 普通晶閘管 可關(guān)斷晶閘管 靜電感應(yīng)晶閘管 大功率晶體管 SCR GTO SITH GTR 復(fù)合型 絕緣柵型晶體管 MOS 控制晶體管 IGBT MCT 3 提高逆變器的工作可靠性和 EMC 性能 對于一件電子產(chǎn)品或電子系統(tǒng)來說，工作可靠性和電磁兼容性（ EMC）是相當(dāng)重要的。由于逆變系統(tǒng)可做到超大容量，并且功率開關(guān)管的狀態(tài)變換會對電網(wǎng)和外部電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，所以，可靠 性設(shè)計和 EMC 設(shè)計顯得尤其重要，它關(guān)系著逆變技術(shù)的發(fā)展。 數(shù)字控制逆變器的研究現(xiàn)狀 在輸出波形為正弦波的逆變器中，最常采用的控制方式是正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）。而SPWM 控制器既可以采用模擬電路來實(shí)現(xiàn)，也可以采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。如果采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，則存在的主要缺點(diǎn)有：由于電路功能的實(shí)現(xiàn)均依靠硬件來完成，故所需的元件多，成本相對較高，電路設(shè)計難度大；容易受外界環(huán)境（如氣溫）所影響，調(diào)試不方便。隨著大規(guī)模集成電路和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，基于微處理器（ MCU）的數(shù)字控制器在逆變電源控制系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的 應(yīng)用。數(shù)字控制具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)；控制策略的改變只需通過改寫軟件來實(shí)現(xiàn)，控制靈活，調(diào)試、維護(hù)方便 [5]。 本文的主要研究內(nèi)容 全文分六章： 第一章為緒論部分。簡單介紹了逆變技術(shù)的發(fā)展歷程及發(fā)展方向，結(jié)合本文的研究方向著重地闡述了數(shù)字控制技術(shù)在逆變電源的研究現(xiàn)狀。 第二章首先詳細(xì)分析與比較現(xiàn)有逆變系統(tǒng)的各種組合方案，根據(jù)設(shè)計要求選擇系統(tǒng)的硬件構(gòu)架和軟件算法；然后，介紹了 SPWM 的生成原理及控制方式，采用單片機(jī)軟件直接法生成 PWM 波和通過反饋控制使電源輸出電壓穩(wěn)定。 第三章 是逆變系統(tǒng)前級推挽升壓電路的設(shè)計。本章介紹了推挽電路的工作原理，并對電路主要器件參數(shù)進(jìn)行計算，同時根據(jù)設(shè)計指標(biāo)對輸出濾波器和高頻變壓器進(jìn)行設(shè)計。 第四章主要講的是逆變系統(tǒng)后級 DCAC 變換器的設(shè)計。本章首先分析了全橋逆變電路的工作原理并計算主電路器件參數(shù)；然后，設(shè)計了后級濾波器、過流保護(hù)電路等； 第五章測試與分析逆變系統(tǒng)各關(guān)鍵點(diǎn)的工作波形并展示了樣機(jī)實(shí)物圖。 第六章主要是對本次設(shè)計的總結(jié)和設(shè)計存在的問題以及改進(jìn)的方法。 4 第二章 逆變系統(tǒng)方案的選擇及設(shè)計 現(xiàn)有逆變方案對比 根據(jù)設(shè)計要求：輸入電壓 DC30V~50V，輸出電壓 AC220V， 50Hz。這種正弦波輸出逆變器的輸入電壓變化范圍較寬，而其輸出則要求是穩(wěn)壓的。因此，該逆變電源的逆變電路必須有一個升壓的過程。能將直流電能轉(zhuǎn)化為目標(biāo)交流電能的逆變系統(tǒng)有許多構(gòu)架方案，各種構(gòu)架在不同的應(yīng)用場合下具有不同的優(yōu)點(diǎn)，下面將對目前常用的逆變系統(tǒng)方案進(jìn)行分析對比。 低頻鏈逆變系統(tǒng) 低頻鏈逆變器的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示： 圖 21 低頻鏈逆變器的電路結(jié)構(gòu)框圖 從圖中可以看出，低頻鏈逆變器的功率變換方式為 DC→LFAC ，電路由直流電源、輸出濾波器、工 頻逆變器、功率變壓器和輸出濾波器等組成。它的特點(diǎn)是擁有用于電氣隔離和給定電壓比的變壓器，其工作頻率等于輸出電壓頻率。在低頻鏈逆變器當(dāng)中，按所采用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又可以分為許多種類，其中，以全橋式工頻逆變器最為常用，其電路結(jié)構(gòu)圖如圖 22 所示： 圖 22 全橋式工頻逆變器 5 圖中，橋?qū)堑膬蓚€功率開關(guān)管為一組，即 M1 和 M4 為一組， M2 和 M3 為一組。若采用雙極性 SPWM 調(diào)制法驅(qū)動的話，則每組的功率開關(guān)管同時導(dǎo)通或關(guān)斷，兩組功率開關(guān)管輪流變換狀態(tài)，驅(qū)動每一組開關(guān)管導(dǎo)通的信號的脈寬是隨著正弦波變化的脈沖波，即SPWM 波。經(jīng)過調(diào)制之后，可以將電源 DCV 提供的低壓直流電逆變成同等幅值的 SPWM 波，再經(jīng)過工頻變壓器進(jìn)行升壓，濾波之后得到我們所需的交流電。這種逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟，性能可靠，目前仍有比較廣泛的應(yīng)用，但是由于工頻變壓器的存在，使得低頻鏈逆變器的體積大、重量重、成本高、音頻噪聲很大。所以，要實(shí)現(xiàn)逆變器的小型化、輕量化，就必須采用新的逆變技術(shù)。 高頻鏈逆變器 高頻鏈逆變器的工作頻率高，相對于低頻鏈逆變器而言，變壓器的體積可以做得很小，減輕了重量，也實(shí)現(xiàn)了逆變電源 前級 DCDC 變換器與后級 DCAC 逆變器之間的電氣隔離[6]。使得高頻逆變電源也可以應(yīng)用在汽車，航天等對電源的體積和重量有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域。這一逆變技術(shù)是一名叫 Espelage的德國學(xué)者在 1977年首先提出來的，而在 1980年， 從另一個角度闡述了高頻鏈逆變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，他將高頻鏈逆變器分為兩大類：電壓源（ Buck Mode）和電流源 (BuckBoost Mode)，由于本課題所研究的逆變器輸入源為電壓源，故在此只討論電壓源型逆變器。電壓源高額鏈逆變器按照功率的傳輸方向又可分為兩大類：單 向型 (Unidirectional Power Flow Mode)和雙向型 (Bidirectional Power Flow Mode)。 1)單向電壓源高頻鏈逆變器 圖 23 給出了單向電壓源高頻鏈逆變器的電路結(jié)構(gòu)。電路由輸入濾波器、高頻逆變器、高頻變壓器、高頻整流濾波電路、 PWM 逆變器和輸出濾波器等組成。從電路結(jié)構(gòu)圖可以看出，單向電壓源高頻鏈逆變器主要包括兩大部分：從輸入濾波器到高頻整流濾波電路，即DCHFACDC為一個 DCDC 變換器；從高頻整流濾波電路到輸出濾波器，即 DCLFAC 為一個 DCAC 變換器。 圖 23 單向電壓源高頻鏈逆變器的電路結(jié)構(gòu) 2)雙向電壓源高頻鏈逆變器 如圖 24 所示為全橋全波式雙向電壓源高頻鏈逆變器的電路結(jié)構(gòu)： 6 圖 24 全橋全波式雙向電壓源高頻鏈逆變器 該結(jié)構(gòu)式目前較為常用的一種功率雙向式傳輸?shù)哪孀兤鹘Y(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，它主要是由輸入、輸出濾波器、高頻逆變器、高頻變壓器、頻率變換器等組成。其中輸入級的四個功率管組成橋式逆變器，用于調(diào)制輸入電壓，使其變成不含調(diào)制波頻率的雙極性 SPWM波，經(jīng)過高頻變壓器進(jìn)行隔離、升壓，再經(jīng)過后級整流濾波，實(shí)現(xiàn) DCAC。該雙向電壓源高頻鏈逆變器具有以下特點(diǎn)： ① 只需要兩級功率變換 (DCHFACLFAC)； ② 雙向傳輸功率 (DCHFACLFAC 和 LFACHFACDC)； ③ 若頻率變換器采用傳統(tǒng)的 PWM 技術(shù)，在換流時會出現(xiàn)電壓過沖現(xiàn)象。為了避免電壓過沖，需要采用緩沖電路或有源電壓鉗位電路，從而增加了電路的復(fù)雜性 [7]。 通過上面對兩種逆變方案的分析和對比可以看出，每種設(shè)計方案都有其各自的應(yīng)用場合。雙向電壓源高頻鏈逆變器應(yīng)用于需要雙向傳輸功率的場合，如 UPS（不間斷電源）。逆變器并接在市電電網(wǎng)上，正常情況下，電網(wǎng)一方面給交流負(fù)載 供電，另一方面按LFACHFACDC 給逆變器直流側(cè)的蓄電池充電；在市電電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，逆變器按DCHFACLFAC 給交流負(fù)載供電。單向電壓源高頻鏈逆變器只能單向傳輸功率，即DCHFACDCLFAC，和雙向逆變器相比，雖然多了一級功率變換，但卻省去了緩沖電路和有源電壓鉗位電路，電路結(jié)構(gòu)相對來說要簡單得多，所以非常適用于不需要雙向功率傳輸?shù)膱龊?，如只由蓄電池或太陽能電池等低壓直流電源提供電能的情況下。本文所要設(shè)計的逆變電源由蓄電池進(jìn)行供電，不需要和電網(wǎng)進(jìn)行并接，同時考慮到成本和實(shí)現(xiàn)的難易程度，選擇 了單向電壓源高頻鏈逆變器作為本文的設(shè)計方案。 單向電壓源高頻鏈逆變器實(shí)現(xiàn)方案 通過上一小節(jié)的分析得知單向高頻鏈逆變器主要由 DCDC 變換器和 DCAC 變換器組成，而這兩個變換器又各自有多種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本節(jié)將分析各種組成方案的優(yōu)缺點(diǎn)。 7 DCDC 變換器 DCDC 變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，最常用的有推挽式、半橋式和全橋式。 推挽式變換器 圖 25 推挽式 DCDC 變換器 圖中兩個開關(guān)管輪流交替工作，其輸出電壓波形非常對稱，并且開關(guān)電源在整個工作周期之內(nèi)都向負(fù)載提供功率輸 出，因此，其輸出電流瞬間響應(yīng)速度很高，電壓輸出特性很好 [8]。推挽式變換器的兩個開關(guān)器件有一個公共接地端，因此驅(qū)動電路簡單，另外，推挽式變換器是所有開關(guān)電源中電壓利用率最高的開關(guān)電源，它在輸入電壓很低的情況下，仍能維持很大的功率輸出，它的主要缺點(diǎn)是兩個開關(guān)器件需要很高的耐壓，其耐壓必須大于工作電壓的兩倍，因此，在高輸入電壓的情況下，很少使用這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 半橋式變換器 半橋式 DCDC 變換器的電路結(jié)構(gòu)圖如圖 26 所示： 8 圖 26 半橋式 DCDC 變換器 半橋式變換器與推挽式變換器一樣，兩 個開關(guān)管輪流交替工作，相當(dāng)于兩個開關(guān)電源同時輸出功率，其輸出功率約等于單一開關(guān)電源輸出功率的兩倍。半橋式變換器最大的優(yōu)點(diǎn)是，對兩個開關(guān)器件的耐壓要求比推挽式變換器對兩個開關(guān)器件的耐壓要求可以降低一半。因?yàn)?，半橋式變壓器開關(guān)電源兩個開關(guān)器件的工作電壓只有輸入電源電壓 Vin的一半，其最高耐壓等于工作電壓與反電動勢之和，大約是電源電壓的兩倍 [9]。半橋式變換器的缺點(diǎn)有： ① 電源利用率比較低，變壓器原邊電壓僅為 Vin/2； ② 開關(guān)器件連接沒有公共地，驅(qū)動信號連接比較麻煩； ③ 當(dāng)兩個控制開關(guān)處于交替轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的時候 ，由于電容充放電需要一個過程，兩個開關(guān)器件會同時出現(xiàn)一個很短時間的半導(dǎo)通區(qū)域，此時，在兩個控制開關(guān)的串聯(lián)回路中將出現(xiàn)很大的電流，而這個電流并沒有通過變壓器輸送給負(fù)載，因此兩個開關(guān)管將會產(chǎn)生很大的功率損耗。 全橋式變換器 全橋式 DCDC 變換器的電路結(jié)構(gòu)圖如圖 27 所示： 圖 27 全橋式 DCDC 變換器 全橋式變換器最大的優(yōu)點(diǎn)是，對四個開關(guān)管的耐壓要求比推挽式變換器對兩個開關(guān)管的耐壓要求低一半。因?yàn)?，全橋式變壓器開關(guān)電源四個開關(guān)器件分成兩組，工作時兩個開關(guān)器件互相串聯(lián)，關(guān)斷時，每個開關(guān)器件所 承受的電壓，只有單個開關(guān)器件所承受電壓的一半。但由于因?yàn)閮山M開關(guān)器件互相串聯(lián)，兩個開關(guān)器件接通時總的電壓降要比單個開關(guān)器件接通時的電壓降大一倍，因此電源利用率比推挽式要低一些，損耗也要大一些；另外， 9 全橋式變換器中的四個開關(guān)器件連接沒有公共地，與驅(qū)動信號連接比較麻煩，增加了電路的復(fù)雜性。 經(jīng)過上述對 DCDC 變換器的三種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對比和分析，可以看出半橋式和全橋式變換器更適合應(yīng)用在高電壓輸入得場合，而本設(shè)計的輸入電壓為 30V~50V(實(shí)際輸入 48V)直流電，所以本設(shè)計選擇推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 DCAC 逆變器 常用的單相 DCAC 逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和 DCDC變換器一樣，有：推挽式、半橋式和全橋式。由于我們整體的設(shè)計方案是需要把 48V 直流電轉(zhuǎn)變成為 220V， 50Hz 的交流電，為滿足電壓輸出要求，綜合考慮了開關(guān)管、變壓器等損耗， DCDC 變換器需要將 48V直流電壓升壓到 360V 或者 720V 的高壓直流電，而這個高壓直流電將作為 DCAC 變換器的輸入電壓。結(jié)合上一小節(jié)的分析可以知道，推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不適合應(yīng)用于高電壓輸入的場合，因此我們將在半橋式和全橋式結(jié)構(gòu)當(dāng)中選擇一種作為本文 DCAC 變換器部分的設(shè)計方案。半橋式逆變器對輸入電源電壓的利用率比全橋式逆變器要低很多，只有 ，而全橋式逆變器則幾乎為 1。若采用半橋式結(jié)構(gòu)，要使逆變器輸出 220V交流電，需要的輸入電壓為 760V，這個電壓是由前級 DCDC 變換器來提供的，這就使得前級高頻逆變器要有很高的匝數(shù)比，在輸出功率一樣的時候，變壓器初級的輸入電流是全橋式逆變器的兩倍。過大的電流將會造成較大的損耗，影響整機(jī)的效率；而且，變壓器的原邊繞組也需要更粗的線徑，加大了變壓器繞線的難度。 綜上所述， DCAC 逆變器采用全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。至此，整個逆變系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案已經(jīng)確 定：前級 DCDC 變換器采用推挽式電路，后級 DCAC 逆變器采用全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 28 所示： 圖 28 系統(tǒng)硬件電路圖 10 逆變系統(tǒng)控制策略 脈沖寬度調(diào)制（ PWM:Pulse Width Modulation）是德國學(xué)者 在 1964 年率先提出的思想，他們把通訊技術(shù)中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流傳動中，開創(chuàng)了DCAC技術(shù)研究的新領(lǐng)域。把正弦信號作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過調(diào)制得到 PWM 波，因?yàn)檎{(diào)制信號為正弦信號，所以此時的 PWM 波也叫 做 SPWM 波。在SPWM 信號輸出端加適當(dāng)?shù)臑V波器就可以恢復(fù)出原調(diào)制正弦波信號。通過調(diào)節(jié) PWM 波的占空比和基波頻率就可以很方便的調(diào)節(jié)輸出信號的幅度和頻率 [10]。 SPWM 波的實(shí)現(xiàn)方法 SPWM 控制脈沖可以通過模擬法和軟件法兩種方法實(shí)現(xiàn)。由于模擬法存在所需的元件較多、設(shè)計難度大、系統(tǒng)容易受外界因素影響等缺點(diǎn)，故本文將采用單片機(jī)編寫軟件的方法來生成 SPWM