【正文】 功，利用半導(dǎo)體技術(shù)就可以完成DCAC變換，這種變換裝置稱為靜止變流器，通常所說的逆變器均指靜止逆變器。近來，燃料電池的發(fā)展方興未艾，超大功率DCAC變換器必將取代旋轉(zhuǎn)變流機(jī)。逆變電源的發(fā)展和電力電子器件尤其是功率開關(guān)器件的發(fā)展是密不可分的，器件的發(fā)展推動(dòng)著逆變電源技術(shù)的發(fā)展。它代替了變流機(jī)組，減小了逆變電源的體積，但是SCR缺乏自關(guān)斷能力的缺點(diǎn)嚴(yán)重的阻礙了逆變電源的發(fā)展[2]。由于開關(guān)器件可以自行關(guān)斷，因此省去了復(fù)雜的換流電路，既減小了成本又提高了效率。第三代逆變電源采用實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)，它是針對(duì)第二代逆變電源對(duì)非線性負(fù)載適應(yīng)性不強(qiáng)及動(dòng)態(tài)特性不好而提出來的控制技術(shù)。在這個(gè)時(shí)期，各種小型化和高性能的新逆變技術(shù)層出不窮，特別是脈寬調(diào)制SPWM波形改善技術(shù)得到了飛速發(fā)展[4]。根據(jù)目前在逆變電路中使用到的大功率開關(guān)器件，可以將其進(jìn)行分類，如表11所示：表11大功率開關(guān)器件分類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MOSFETSIT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SCRGTOSITHGTR復(fù)合型絕緣柵型晶體管MOS控制晶體管IGBTMCT目前，在設(shè)計(jì)逆變電源時(shí)最常用到的開關(guān)器件為MOSFET、IGBT、GTO、GTR等，但SIT、SITH、MCT等新型開關(guān)器件正在研發(fā)和推廣，必將取代MOSFET、IGBT、GTO、GTR等。逆變器的損耗包括開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗[3]。在功率開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷的過程中，開關(guān)管兩端電壓不為零，流過開關(guān)管的電流也不為零，就必將產(chǎn)生開關(guān)損耗，這就是傳統(tǒng)的硬開關(guān)技術(shù)。由于軟開關(guān)技術(shù)克服了硬開關(guān)技術(shù)損耗隨頻率提高而增加的缺點(diǎn)，因此可以使得逆變電源采用更高的頻率，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)裝置的小型化、輕量化[5]。對(duì)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。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）。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(duì)較高，電路設(shè)計(jì)難度大；容易受外界環(huán)境（如氣溫）所影響，調(diào)試不方便。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]。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。第三章是逆變系統(tǒng)前級(jí)推挽升壓電路的設(shè)計(jì)。第四章主要講的是逆變系統(tǒng)后級(jí)DCAC變換器的設(shè)計(jì)。第六章主要是對(duì)本次設(shè)計(jì)的總結(jié)和設(shè)計(jì)存在的問題以及改進(jìn)的方法。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。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(duì)目前常用的逆變系統(tǒng)方案進(jìn)行分析對(duì)比。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。若采用雙極性SPWM調(diào)制法驅(qū)動(dòng)的話，則每組的功率開關(guān)管同時(shí)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(dòng)每一組開關(guān)管導(dǎo)通的信號(hào)的脈寬是隨著正弦波變化的脈沖波，即SPWM波。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。高頻鏈逆變器的工作頻率高，相對(duì)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(jí)DCDC變換器與后級(jí)DCAC逆變器之間的電氣隔離[6]。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，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。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)。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(gè)DCDC變換器；從高頻整流濾波電路到輸出濾波器，即DCLFAC為一個(gè)DCAC變換器。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。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(jí)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(shí)會(huì)出現(xiàn)電壓過沖現(xiàn)象。通過上面對(duì)兩種逆變方案的分析和對(duì)比可以看出，每種設(shè)計(jì)方案都有其各自的應(yīng)用場合。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(shí)，逆變器按DCHFACLFAC給交流負(fù)載供電。本文所要設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)方案。 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。推挽式變換器的兩個(gè)開關(guān)器件有一個(gè)公共接地端，因此驅(qū)動(dòng)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(gè)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)。半橋式變換器最大的優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)兩個(gè)開關(guān)器件的耐壓要求比推挽式變換器對(duì)兩個(gè)開關(guān)器件的耐壓要求可以降低一半。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(dòng)信號(hào)連接比較麻煩；③當(dāng)兩個(gè)控制開關(guān)處于交替轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的時(shí)候，由于電容充放電需要一個(gè)過程，兩個(gè)開關(guān)器件會(huì)同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)很短時(shí)間的半導(dǎo)通區(qū)域，此時(shí)，在兩個(gè)控制開關(guān)的串聯(lián)回路中將出現(xiàn)很大的電流，而這個(gè)電流并沒有通過變壓器輸送給負(fù)載，因此兩個(gè)開關(guān)管將會(huì)產(chǎn)生很大的功率損耗。因?yàn)?，全橋式變壓器開關(guān)電源四個(gè)開關(guān)器件分成兩組，工作時(shí)兩個(gè)開關(guān)器件互相串聯(lián)，關(guān)斷時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件所承受的電壓，只有單個(gè)開關(guān)器件所承受電壓的一半。經(jīng)過上述對(duì)DCDC變換器的三種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)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(jì)的輸入電壓為30V~50V(實(shí)際輸入48V)直流電，所以本設(shè)計(jì)選擇推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于我們整體的設(shè)計(jì)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(gè)高壓直流電將作為DCAC變換器的輸入電壓。半橋式逆變器對(duì)輸入電源電壓的利用率比全橋式逆變器要低很多，而全橋式逆變器則幾乎為1。過大的電流將會(huì)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。至此，整個(gè)逆變系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案已經(jīng)確定：前級(jí)DCDC變換器采用推挽式電路，后級(jí)DCAC逆變器采用全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。把正弦信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過調(diào)制得到PWM波，因?yàn)檎{(diào)制信號(hào)為正弦信號(hào)，所以此時(shí)的PWM波也叫做SPWM波。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(hào)的幅度和頻率[10]。由于模擬法存在所需的元件較多、設(shè)計(jì)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波。經(jīng)過理論分析后知自然采樣法和直接等效法相對(duì)于規(guī)則采樣法來說諧波較小，而又因?yàn)樽匀徊蓸臃ǖ膶?shí)現(xiàn)需要花費(fèi)單片機(jī)大量的時(shí)間來運(yùn)算及占用大量的內(nèi)存。直接法也叫做面積等效法或沖量法，只需要知道載波周期就可以計(jì)算出脈沖的寬度，如圖29所示：圖29直接法生成SPWM波把正弦半波分為N等份，則每一等份的寬度為π/N弧度[11]。圖中，當(dāng)t位于到區(qū)間內(nèi)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的面積為：假設(shè)調(diào)制度為M，脈沖序列的幅度為，則有，第k份正弦波面積所對(duì)應(yīng)的脈沖寬度面積。目前采用較多的是正弦脈寬調(diào)制技術(shù)即SPWM控制技術(shù)。1)雙極性SPWM調(diào)制在雙極性控制方式中，載波（三角波）在調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)是在正負(fù)兩個(gè)方向變化，所得到的PWM波形也正負(fù)兩個(gè)在方向變化，圖210為雙極性PWM調(diào)制。圖210雙極性SPWM控制示意圖2)單極性SPWM調(diào)制單極性調(diào)制方式與雙極性調(diào)制方式不同的是，單極性調(diào)制方式的特點(diǎn)是在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)兩只功率管以較高的開關(guān)頻率互補(bǔ)開關(guān)，保證可以得到理想的正弦輸出電壓：另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上減小了開關(guān)損耗。可見在相同的載波頻率下，單極性調(diào)制方式比雙極性調(diào)制的開關(guān)損耗要低，故本文采取單極性SPWM調(diào)制方式。第三章 逆變器前級(jí)DC/DC推挽升壓DCDC推挽升壓電路原理圖如圖31所示，可以看出主要由輸入推挽主電路、高頻變壓器、輸出整流電路和輸出濾波器五部分組成。電路中接有儲(chǔ)能濾波電容C，儲(chǔ)能濾波電容會(huì)對(duì)輸出電壓的脈動(dòng)電壓起到平滑的作用，因此，輸出電壓Uo不會(huì)出現(xiàn)很高幅度的電壓反沖，其輸出電壓的峰值Up就可以認(rèn)為是半波平均值Upa，其值略大于正激輸出nUi，n為變壓器次級(jí)線圈N3繞組與初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組的匝數(shù)比。所以，推挽式DCDC變換器的輸出電壓uo，約等于高頻變壓器次級(jí)線圈N3繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓Up或Up的半波平均值Upa或Upa： ——M1導(dǎo)通期間；或——M2導(dǎo)通期間。逐漸增加到最大值；在兩者的共同作用下剛好產(chǎn)生一個(gè)方波。而如果開關(guān)管采用的是MOSFET管，則這個(gè)問題就沒那么嚴(yán)重。1)額定電壓由電路工作原理可知:功率開關(guān)管的最大應(yīng)力為2Vin，考慮到輸入電壓為30V~50V（實(shí)際使用電壓40V)，由推挽電路的工作原理可以知道，MOSFET管兩端承受的最大電壓為兩倍的輸入電壓40=60V，考慮到分布電感引起的電壓尖峰及可靠性設(shè)計(jì)，選用80V耐壓的MOSFET開關(guān)管?？紤]到綜上的計(jì)算選用選取的MOSFET管為RU190N08，該管的主要參數(shù)如下：；；；；。在整流開關(guān)時(shí)有一定的電壓振蕩，,則額定電壓為400=600V本設(shè)計(jì)的逆變電源開關(guān)頻率為31KHz，輸出為220V的正弦波，其峰值電壓約為311V，假設(shè)系統(tǒng)后級(jí)的逆變效率為86%，則可以計(jì)算出前級(jí)DCDC變換器輸出的電壓為360V，功率為220W，輸出電流有效值約為1A。本文設(shè)計(jì)的輸出濾波器采電容濾波方案。輸出電容Co的容量和輸出電壓紋波并沒有直接的關(guān)系，紋波的大小是由輸出電容的ESR（等效串聯(lián)電阻Ro）來決定的，假設(shè)紋波電壓峰—峰值為Vr，則它們的關(guān)系為：式中，dI是所選的電感電流紋波的峰—峰值。因此可選為假設(shè)，代入數(shù)據(jù)得，在設(shè)計(jì)當(dāng)中選用的是330uF/450V的電解電容。ATmega128L是一款基于AVRRISC、低功耗 COMS的8位單片機(jī)，由于在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，ATmega128L可以達(dá)到接近1MIPS/MHz。ATmega128L成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。T/C1有多種工作模式，其中相位可調(diào)的PWM模式可以產(chǎn)生高精度相位可調(diào)的PWM波形。在設(shè)置正向比較匹配輸出模式下:正向加1過程中，TCNT1的計(jì)數(shù)值與輸出比較寄存器OCR1A/ OCR1B的值相同匹配時(shí)清零OC1A/OC1B，即使引腳OC1A和OC1B輸出低電平。設(shè)置成反向比較匹配輸出模式時(shí)工作過程與上述過程相反[13]。圖33 T/C1模式PWM工作時(shí)序圖由以上可知，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)上限TOP值的大小決定了PWM輸出頻率的高低，而比較寄存器的數(shù)值則決定了輸出脈沖的起始相位和脈寬。TCCR2=0X79。 OCR0=OCR2=0。}void dutfactor2(unsigned int q){ OCR2=255(255*q/100)。高頻鏈變壓器是裝置的核心部件，其性能的好壞直接決定了整個(gè)逆變器的性能承擔(dān)著隔離和傳輸功率的重任。高頻變壓器的工作頻率比一般的工頻電力變壓器要高，達(dá)幾十KHz甚至更高，因此其設(shè)計(jì)有自身的特點(diǎn)。高頻變壓器磁心多是低磁場下使用的軟磁材料，有較高的磁導(dǎo)率、低的矯頑力和高的電阻率。磁心矯頑力低，磁滯回環(huán)面積小，則鐵損也小。本論文采用鐵氧體磁性的高頻鏈變壓器。設(shè)變壓器原、副邊匝數(shù)分別為和，原邊輸入電壓為，由法拉第電磁感應(yīng)定律，有：式中：為開關(guān)工作頻率（Hz），工作磁通密度，原邊繞組，磁芯有效面積，為波形系數(shù)，有效值與平均值之比（方波時(shí)為4，）整理得磁芯窗口面積乘上使用系數(shù)為有效面積，該有效面積為原邊繞組占據(jù)的窗口面積與副邊繞組占據(jù)的窗口面積之和，即式中：為窗口使用系數(shù)（）。設(shè)原副邊電流密度相等，為J，則由上述三式可得：即 即為變壓器窗口面積和磁芯截面積的乘積。上式表明工作磁通密度、開關(guān)工作頻率窗口面積使用系數(shù)、波形系數(shù)和電流密度都影響面積的乘積[14]。又設(shè)為變壓器的視在功率，則公式可以進(jìn)一步表示為：式中除了AP單位為cm，其余物理量均為國際單位制。當(dāng)輸出是整流橋時(shí)k=1，當(dāng)輸出接推挽電路時(shí)由于本文前段采用推挽結(jié)構(gòu)，輸出采用全橋整流因此，；設(shè)變壓器效率為90%，即η=，得采用EE型磁芯，查表磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)表可得，容許溫升25℃時(shí)，=323，X=，用高頻鐵氧體材料R2KBD，其飽和磁通約為B=5100G，考慮高溫飽和磁密會(huì)下降，同時(shí)防止合閘瞬間高頻變壓器進(jìn)入飽和取。則：增加10%的裕度取查手冊(cè)選取EE40鐵氧體磁芯，其,有效截面積。從提高高頻變壓器利用率，減小開關(guān)管的電流，降低輸出整流二極管的反向電壓角度考慮高頻變壓器原副邊匝比應(yīng)盡可能取大一些。為了在規(guī)定的輸入電壓范圍內(nèi)能夠達(dá)到輸出要求，變壓器