【正文】 脈寬 誤差 比較器 調(diào)制 放大 頻率 振蕩 控制電路 發(fā)生器 基準(zhǔn) 電壓 交流 輸入 電壓 220V 車載逆變電源 設(shè)計(jì) 2 源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。開關(guān)電源電路常采用有源功率因數(shù)校正。第四部分是輸出電路，用于將高頻方波脈沖電壓經(jīng)整流濾波后變成直流電壓輸出。第六部分是頻率振蕩發(fā)生器，它產(chǎn)生一種高頻波段信號(hào)，該信號(hào)與控制信號(hào)疊加進(jìn)行脈寬調(diào)制，達(dá)到脈沖寬度可調(diào)。 開關(guān)電源的分類及結(jié)構(gòu)形式 目前開關(guān)電源的種類很多，從工作性質(zhì)來分，大體上可分為“硬開關(guān)”和“軟開關(guān)”兩種。顯然，開關(guān)在接通和關(guān)斷期間是有電流、電壓存在的，因此，這種工作方式是有損耗的。目前 很多開關(guān)電源都用 PWM 來控制?？梢姡娮娱_關(guān)在“零狀態(tài)”下工作，理論上它的損耗為零，對(duì)浪涌電壓、脈沖尖峰電壓的抑制能力很大，其工作頻率可以提高到 5MHZ 以上，開關(guān)電源的重量和體積則可進(jìn)行更大的改變。從電子理論可知道，諧振就是容抗等于感抗，總的電抗為零，電路中的電流為無窮大。利用諧振電路可實(shí)現(xiàn)正弦波振蕩，當(dāng)振蕩到零時(shí)，電子開關(guān)導(dǎo)通， 稱之為零電壓導(dǎo)通（ Zero Voltage Switching）?？傊?，電子開關(guān)具有零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷的外部條件，這種變換器稱為準(zhǔn)諧振變換器。準(zhǔn)諧振變換器開關(guān)電源的輸出電壓不隨輸入電壓的變化而變化，它的輸出電流也不隨用電負(fù)載的變化而變化，這種開關(guān)電源的主變換器依靠 開關(guān)頻率來穩(wěn)定輸出參數(shù)，我們稱之為調(diào)頻開關(guān)電源。 DC/DC 變換類型是開關(guān)電源變換的基本類型，它通過控制開關(guān)通、斷時(shí)間的比例，用電抗器與電容器上蓄積的能量對(duì)開關(guān)波形進(jìn)行微分平滑處理，從而更有效地調(diào)整脈沖的寬 車載逆變電源 設(shè)計(jì) 3 度及頻率。每一類有 6種拓?fù)?，即降壓式?Buck）、升壓式（ Boost）、升壓 降壓式（ Buck Boost）、串聯(lián)式（ Cuk）、并聯(lián)式（ Sepic）、以及塞達(dá)式（ Zata）。自激式包括單管式和推挽式，他激式包括調(diào)頻式（ PWF）、調(diào)寬式（ PWM）、調(diào)幅式（ PAM）和諧振式（ RSM） 4 種，我們用得最多的是調(diào)寬式變換器。 按諧振方式分，有串聯(lián)諧振式、并聯(lián)諧振式和串并聯(lián)諧振式；按能量傳遞方式分，有連續(xù)模式和不連續(xù)模式兩種。 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)形式很多，按 PWM 方式來分有以下幾種： 1)反激式變換器； 2)反激式雙晶體管變換器； 3)正激式變換器； 4)正激式雙晶體管變換器； 5)半橋式變換器； 6)橋式變換器； 7)推挽式變換器； 8)RCC 變換器。任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源，它們對(duì)電源的要求也越來越高。小和高效率為發(fā)展方向。這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術(shù)比較成熟，并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊，具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小。由于調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓，這將導(dǎo)致調(diào)整管的功耗較大，電源效率很低，一般只有45%左右。 20 世紀(jì) 50 年代，美國宇航局以小型化、重量輕為目標(biāo)，為搭載火箭開發(fā)了開關(guān)電源。 20 世紀(jì) 80 年代，計(jì)算機(jī)全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成了計(jì)算機(jī)的電 源換代。 開關(guān)型穩(wěn)壓電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)管輸出脈沖信號(hào)的占空比調(diào)整輸出電壓。而功耗小，散熱器也隨之減小。此外，開關(guān)工作頻率為幾十千赫，濾波電 容器、電感器數(shù)值較小。另外，由于功耗小，機(jī)內(nèi)溫升低，提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。 10%），而開關(guān)型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓在 110～ 260V 范圍內(nèi)變化時(shí)，都可獲得穩(wěn)定的輸出電壓。另外，開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約資 源及保護(hù)環(huán)境方面都具有深遠(yuǎn)的意義。為提高開關(guān)頻率，必須采用高速開關(guān)器件。它可以極大地提高開關(guān)速度，理論上開關(guān)損耗為零，噪聲也很小，是提高開關(guān)電源工作頻率的一種方式。開關(guān)電源的技術(shù)追求和發(fā)展趨勢可以概括為以下 4個(gè)方面。在一定范圍內(nèi)，開關(guān)頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 2)高可靠性 —— 開關(guān)電源使用的元器件數(shù)量是連續(xù)工作線性電源的幾十分之一，因此提高了可靠性。所以，要從設(shè)計(jì)方面著眼，盡可能使用較少的元器件，提高集成度。 3)低噪聲 —— 開關(guān)電源的缺點(diǎn)之一是噪聲大。采用諧振變換技術(shù)，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲。 4)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制 —— 采用 CAA 和 CDD 技術(shù)設(shè)計(jì)最新變換拓?fù)浜妥罴褏?shù)，使開關(guān)電源具有最簡結(jié)構(gòu)和最佳工況。 車載逆變電源 設(shè)計(jì) 5 開關(guān)電源的發(fā)展從來都是與半導(dǎo)體器件及磁性元件等 的發(fā)展休戚相關(guān)的。發(fā)展功率 MOSFET、 IGBT 等新型高速器件，開發(fā)高頻用的低損磁性材料，改進(jìn)此元件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法，提高濾波電容的介電常數(shù)及降低其等效串聯(lián)電阻等，對(duì)于開關(guān)電源小型化始終產(chǎn)生著巨大的推動(dòng)作用。 逆變電源技術(shù)的發(fā)展概況 逆變電源技術(shù) 逆變電源技術(shù)是電力電子技術(shù)的重要組成部分。圖 12所示為典型的交流輸入、交流輸出隔離型逆變電源的基本結(jié)構(gòu)。逆變電源中的能量轉(zhuǎn)換過程是：輸入的工頻交流電經(jīng)過整流電路成為直流電，直流電通過逆變電路變?yōu)榻涣?PWM波電壓，其基波頻率是逆變電源的輸出頻率， PWM波電壓經(jīng)輸出變壓器隔離，再由濾波器濾成正弦波。直流輸入、輸出隔離型的逆變電源結(jié)構(gòu)與圖 12基本相同， 只是不需要輸入端的整流電路，能量轉(zhuǎn)換傳遞的過程可表示為 DC— AC。 圖 12 逆變電源基本結(jié)構(gòu) 逆變電源技術(shù)的 發(fā)展概況 逆變電源出現(xiàn)于電力電子技術(shù)飛速發(fā)展的 20世紀(jì) 60年代，逆變電源的發(fā)展是和電力電子器件的發(fā)展聯(lián)系在一起的，器件的發(fā)展帶動(dòng)著逆變電源的發(fā)展。由于 SCR是一種沒有自關(guān)斷能力的器件，因此必須通過增加換流電路來強(qiáng)迫關(guān)斷 SCR， SCR的換流電路限制了逆變 電源的進(jìn) 車載逆變電源 設(shè)計(jì) 6 一步發(fā)展。自關(guān)斷器件在逆變器中的應(yīng)用大大提高了逆變電源的性能。從而逆變橋輸出電壓中低次諧波的頻率比較高，使輸出濾波器的尺寸得以減小，而且對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性得以提高。采用輸出電壓有效值或平均值反饋控制的方法具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但存在以下缺點(diǎn)：①對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性不強(qiáng)；②死區(qū)時(shí)間的存在將使 PWM波中含有不易濾掉的低次諧波，使輸出電壓出現(xiàn)波形畸變；③動(dòng)態(tài)特性不好，負(fù)載突變時(shí)輸出電壓調(diào)整時(shí)間長。實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù) 多種多樣，主要有以下幾種： (1)諧波補(bǔ)償控制 當(dāng)逆變電源的負(fù)載為整流負(fù)載時(shí)，由于負(fù)載電流中含有大量諧波，諧波電流在逆變電源內(nèi)阻上的壓降致使逆變電源輸出電壓波形畸變，諧波補(bǔ)償控制可以較好地解決這一問題，其是在逆變橋輸出 PWM波中加入特定的諧波，抵消負(fù)載電流中的諧波對(duì)輸出電壓波形的影響，減小輸出電壓的波形畸變。 (2)無差拍控制 1959年， Kalman首次提出了狀態(tài)變量的無差拍控制理論。 逆變器的無差拍控制才引起了廣泛的重視。這種控制方法根據(jù)逆變電源系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出反饋信號(hào)來推算下一個(gè)采樣周期的開關(guān)時(shí)間，使輸出電壓在每個(gè)采樣點(diǎn)上與給定信號(hào)相等。 (3)重復(fù)控制 為了消除非線性負(fù)載對(duì)逆變器輸出的影響，在 UPS逆變器控制中引入了重復(fù)控制技術(shù)。后來，鄒應(yīng)嶼等人進(jìn)一步完善了逆變器的重復(fù)控制理論，給出了一種重復(fù)控制器的設(shè)計(jì)方法，提出了自適應(yīng)重復(fù)控制的理論。在這種控制方法中，加到控制對(duì)象的輸入信號(hào)除偏差信號(hào)外，還迭加了一個(gè)“過去的控制偏差”，這個(gè)“過去的控制偏差”是上一個(gè)基波周期中的控制偏差，把上一個(gè)基波周期的偏差反映到現(xiàn)在和“現(xiàn)在的偏差”一起加到控制對(duì)象進(jìn)行控 制，這種控制方式，偏差好像在被重復(fù)使用，所以稱為重復(fù)控制。但重復(fù)控制的控制實(shí)時(shí)性差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢。 (4)滑模變結(jié)構(gòu)控制 滑模變結(jié)構(gòu)控制理論起于 20世紀(jì) 50年代，它最顯著的特點(diǎn)是對(duì)參數(shù)變動(dòng)和外部擾動(dòng)不敏感，因此非常適用于閉環(huán)反饋控制的電能變換器。 20世紀(jì) 90年代中后期?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制實(shí)質(zhì)上是一種非連續(xù)的開關(guān)控制方法，它強(qiáng)迫系統(tǒng)的跟蹤誤差及其導(dǎo)數(shù)運(yùn)行于相平面的一條固定的滑模曲線上，與系統(tǒng)參數(shù)變動(dòng)及外部擾動(dòng)無關(guān)，因此系統(tǒng)有極強(qiáng)的魯棒性。 (5)單一的電壓瞬時(shí)值反饋控制 這種控制方法的基本思想是把輸出電壓的瞬時(shí)反饋值與給定正弦波進(jìn)行比較，用瞬時(shí)偏差作為控制量，對(duì)逆變橋輸出 PWM波進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。這種方法的缺點(diǎn)是系統(tǒng)的穩(wěn)定性不好，特別是空載時(shí)，輸出電壓容易振蕩。 (6)帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋控制 帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋控制方法是在單一的電壓瞬時(shí)值反饋控制方法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。電壓環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)。由于穩(wěn)定性的提高使得電壓調(diào)節(jié)器增益可以取比較大的值，所以突加突卸負(fù)載時(shí)輸出電壓的動(dòng)態(tài)特性大大提高，抗擾性大大提高，對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性也大大提高。此外，為了進(jìn)一步減小裝置的體積和重量，必須去掉笨重的工頻隔離變壓器，采用高頻隔離。高頻化僅限于小容量逆變電源。 (2)高性能化 高性能主要指輸出電壓特性的高性能，它主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①穩(wěn)壓性能好，空載及負(fù)載時(shí)輸出電壓有效值要穩(wěn)定；②波形質(zhì)量高，不但要求空載時(shí)的波形好，帶載時(shí)波形也要好，對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性要強(qiáng)；③突加突減負(fù)載時(shí)輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)特性好；④電壓調(diào)制量??；⑤輸出電壓的頻率穩(wěn)定性好；⑥對(duì)于三相電源，帶不平衡負(fù)載時(shí)相電壓失衡小。 (3)并聯(lián)及模塊化 當(dāng)今逆變電源的發(fā)展趨向是大功率化和高可靠性。為了提高系統(tǒng)的可靠性，就必須實(shí)現(xiàn)模塊化。模塊化需要解決逆變電源之間的并聯(lián)問題，逆變電源的并聯(lián)要比直流電源的并聯(lián)復(fù)雜，它面臨著負(fù)荷分配、環(huán)流補(bǔ)償、通斷控制等多方面的問題。當(dāng)單臺(tái)電源出現(xiàn)故障時(shí)，可以很方便地通過熱插拔方式進(jìn)行更換和維修。要使逆變電源小型化，可以采 車載逆變電源 設(shè)計(jì) 9 用的方法有三種： 1)提高開關(guān)頻率，使濾波器小型化； 2)采用新的 PWM控制方式，優(yōu)化逆變橋輸出 PWM波的頻譜，使濾波器小型化； 3)用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓的隔離及 匹配，替代輸入或輸出的低頻變壓器，實(shí)現(xiàn)變壓器的小型化。提高整流側(cè)的輸入功率因數(shù)不僅可大大提高逆變電源對(duì)輸入電能的利用率，而且可以克服逆變電源對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染的缺點(diǎn)。 (7)智能化 一個(gè)智能化的逆變電源除了能夠完成普通逆變電源的所有功能外，還應(yīng)具有以下功能： 1)對(duì)運(yùn)行中的逆變電源進(jìn)行監(jiān)測，隨時(shí)將采樣點(diǎn)的狀態(tài)信息送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，一方面獲取電源工作時(shí)的有關(guān)參數(shù)，另一方面監(jiān)視電路中各部分的狀態(tài)，從中分析電路的各部分工作是否正常； 2)在逆變電源發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果，進(jìn)行故障診斷，指出故障的部位，給出處理方法； 3)自動(dòng)顯示所監(jiān)測的參數(shù)，有異常或發(fā)生故障時(shí)，可以自動(dòng)記錄有關(guān)異常或故障的信息； 4)按照技術(shù)說明書給出的指標(biāo)，自動(dòng)定期地進(jìn)行自檢，并形成自檢記 錄文件； 5)能夠用程序控制逆變電源的啟動(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn)無人值守的自動(dòng)操作； 6