【正文】 ............ 32 輔助電源電路 ........................................................................................... 32 本章小結(jié) ........................................................................................................... 33 第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 .................................................................................................... 34 前級 DCDC 驅(qū)動(dòng)波形分析 ................................................................................. 34 后級 DCAC 驅(qū)動(dòng)波形分析 ................................................................................. 34 系統(tǒng)輸出電壓及效率 .......................................................................................... 35 硬件電路外觀 .................................................................................................... 37 本章小結(jié) ........................................................................................................... 39 第六章 結(jié)論 .................................................................................................................. 40 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 41 附 錄 ........................................................................................................................... 42 原理圖 .................................................................................................................... 42 部分程序 ................................................................................................................. 43 致 謝 ........................................................................................................................... 51 1 第一章 前言 概述 電能變換的類型有四種： DCDC 變換器，它是將一種直流電能變換為另一種直流電能的變換器； DCAC 變換器，它是將直流電能變換為交流電能的變換器，這種交流裝置稱為逆變器； ACDC 變換器，它是將交流電能變換為直流電能的變換器；ACAC 變換器，它是將一種交流電能變換為另一種交流電能的變流器 [1]。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，大功率開關(guān)器件和集成控制電路的研發(fā)成功，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)，它是針對第二代逆變電源對非線性負(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 2 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 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]。 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。 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）。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(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 DCAC 變換器的設(shè)計(jì)。 第六章主要是對本次設(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)，下面將對目前常用的逆變系統(tǒng)方案進(jìn)行分析對比。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 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]。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(gè)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。 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。 通過上面對兩種逆變方案的分析和對比可以看出，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。 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，對兩個(gè)開關(guān)器件的耐壓要求比推挽式變換器對兩個(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 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(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。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 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)。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(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于規(guī)則采樣法來說諧波較小，而又因?yàn)樽匀徊?樣法的實(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 1kN?? 到 kN? 區(qū)間內(nèi)時(shí)，所對應(yīng)的面積 1S 為： 11 ( 1 )s in [ c o s c o s ]k mNk mN U kkS U td t NN?? ????? ?? ? ?? 11