等离子射流电源设计.docx

第一章 绪论1.1等离子体的概念1.2 等离子体的分类1.3等离子体的产生及原理1.4等离子体的应用第二章控制电路与驱动的设计2.1 mega16的简要介绍2.2基于 mega16的控制电路设计2.3基于mega16的显示电路设计2.4驱动电路设计2.5辅助电源的设计第三章 逆变电源主电路的设计3.1高频变压器设计3.2逆变电路的设计3.3缓冲电路的设计第四章 实验结果与分析4.1 PWM的调制信号仿真4.2 负载的记录第五章 结论致谢摘要在工业中等离子体技术应用越来越普遍。由于等离子体的环保、清洁性，因此，它在工业领域的应用非常的广泛。经等离子处理过的材料表面的亲水性很好，而且材料表面的物理性质得到改变，因为他的这个特性，它在纸盒包装材料领域做出了非常大的贡献。等离子体具有的独特的环保、清洁及化学性质，它的使用已经取替了学多污染化学物质的使用，使工业生产变得更加的清洁，高效。本论文主要介绍了低温等离子体在工业中的应用以及设计了介质阻挡放电的等离子电源。本论文由绪论介绍了等离子的应用广泛和在工业中起到的重要作用，由此，介绍了在纸盒包装材料领域的贡献。论文主体对电源控制电路、驱动电路、逆变电路、缓冲电路和主电路中器件的的设计和保护等进行了详细的阐述。由于IGBT驱动的要求很严格，所要我们选用了设计已经很成熟的驱动模块，它具有很强的驱动和过流保护能力，使我们的模块工作在可靠安全的状态。最后我们合理的选择设计了IGBT缓冲电路，更加的保证了功率模块的可靠工作。关键字 ：等离子体；逆变电路；缓冲电路AbstractApplication of plasma technology in the industry is becoming more common. Because of the plasma, clean environmental protection, therefore, it is widely applied in the field of industrial. Treated by the plasma hydrophilicity on the surface of the material is very good, and the physical properties of material surface is changed, because of his this feature, it in the carton packaging material field has made the very big contribution.Plasma has a unique environmental protection, clean, and chemical properties, its use has been taken for the use of many chemical pollution, industrial production has become more clean, efficient. This paper mainly introduces the application of low temperature plasma in the industrial and dielectric barrier discharge plasma power supply is designed. Widely used by the introduction of plasma are introduced in this paper, and plays an important role in the industry, as a result, the contribution in the field of carton packaging material are introduced. Paper subject to the power supply control circuit, drive circuit, inverter circuit, snubber circuit and main circuit devices in the design and protection are detailed described. By IGBT drive is very strict, will we choose the driver module design has been very mature, it has a strong drive and overcurrent protection ability, make our module work in a reliable safety condition. Finally, we reasonable choice IGBT snubber circuit is designed, more to ensure the reliable work of power module.Key words: plasma; Inverter circuit; The buffer circuit第一章 绪论1.1 等离子体的概念在自然界中的各种物质，由于温度的不同变现出不同的状态，主要分为以下三种，分别是固态、液态和气态。这些三种状态都是由微观粒子组合成的实实在在物体的集合状态，所处条件的不同会以不同的状态存在。在物质的各种状态中，结合最紧密的物质是固态粒子，结合较紧密的是液态粒子，最分散的是气态粒子子。要使物质从紧密的固态转化到分散的气态，就需要吸收额外的能量。例如物质从固态转化成液态时，就需要吸收足够多的能量，只有使固态物质吸收足够的能量才能使粒子的平均动能超过粒子的固态结合能，才能使固态物质转变成液态的。从液态到气态的变化也是如此。在气态中的粒子，再给于提供更多的能量，这是时候组成气态物质的粒子物理键会断裂，电离成带成带正、负电荷的离子和电子。等离子体是物质存在的第四种状态。它由电离的导电气体组成，其中包括六种典型的粒子，即电子、正离子、负离子、激发态的原子或分子、基态的原子或分子以及光子。等离子体的明确定义是:“等离子体是由大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种中性气体，也就是高度电离的气体。”不管是物质是部分电离还是全部电离，电离后的正、负电荷的完全相等的，气体表现为中性，我们称这种现象为离子体。1.2 等离子体的分类1、按等离子体火焰温度分：（1）高温等离子体；温度高于108-109K并且完全电离的等离子体。（2）低温等离子体：温度不盖于103-105K并且完全电离的等离子体。低温等离子体又分为热等离子体和冷等离子体。2、按等离子体所处的状态分：（1）平衡等离子体：在较高的气压下，粒子的温度跟电离的气体的温度差不多的等离子体。（2）非平衡等离子体：在常大气压或以下，粒子的温度远远高于电离气体的温度。1.3 气体放电等离子体当前的等离子体主要是由气体放电产生的，主要包括:辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电(DBD)、射流放电和微波放电（如图1-1所示）。通常辉光放电、射频放电和微波放电要都在低气压条件下进行。在大规模的工业生产中，低气压等离子体存在着重要的缺点:1、放电在低气压的环境中，真空环境必不可少，因此环境复杂，费用昂贵;2、工作过程会大批量处理，无法在线产生连续生产，效率也难以提高，无法应用于许多必需在线连续运行处理的工业环境。大多数工业生产都是工作于在常压环境中，因此，迫切需要探索在常气压环境下可以连续获得大面积的低温等离子体，满足当今工业应用的需求，是具有非常重要的理论意义和实用价值。 图1-1 等离子的分类常见于大气压下的气体放电有:电弧放电、电晕放电、介质阻挡放电(细丝放电)。大气压或高于大气压环境下产生大面积的低温等离子体，在非真空和较低的温度环境下，获得化学反应所需的活性粒子，因此在材料的表面处理、臭氧合成、等离子体平板显示器、新物质合成、环境保护等领域获得广泛应用。辉光放电 辉光放电属于低气压放电，在封闭的容器內放置两个平行的电极板然后冲入低于10Mbar的气体，利用电子将中性原子和分子激发，当粒子由激发态降回至基态时会以光的形式释放出能量。电源可以为直流电源也可以是交流电源。各种气体都有它的特有的辉光放电的颜色(如下图1-2所示)，荧光灯的发光也是辉光放电。测试时如果等离子体表现的颜色有差异，通常说明气体在纯度上有一定的问题，也就是荧光灯漏气。辉光放电在化学等离子体实验中具有突出的作用，但受限于低气压环境，在工业应用中难以实现连续化生产且成本高昂，从而无法广泛应用于工业制造中。现在的应用范围仅仅局限于实验室、半导体工业和灯光照明产品等。图1-2 辉光放电色带图电晕放电电晕放电是气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。是一种最常见的气体放电形式。在曲率半径很小的尖端电极附近，局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，于是出现了放电，这就是电晕放电。电晕放电时在电极周围可以看到光亮，并伴有清脆的咝咝声。电晕放电可以存在于相对稳定的放电，也可以存在不均匀电场中的间隙击穿放电。介质阻挡放电 介质阻挡放电是一种不平衡的气体放电，又称为介质阻挡电晕放电或无声放电。介质阻挡放电能工作于高气压和较宽频率范围下，一般工作在气压是104106Kbar。电源频率在50Hz到1MHz自己都可以放电。电极结构的设计形式多种多样。最简单的方法就是把绝缘介质直接放于放电电极之间，然后在两个电极上施加足够高的交流电压，电极间流动的气体会被击穿而产生放电，这就是最简单的介质阻挡放电。在实际应用中，圆管式的电极结构被广泛的应用在各种化学反应器中，而平板式电极结构则被广泛的应用在工业中的高分子和金属薄膜及板材的改性、接枝、表面张力的提高、清洗和亲水改性中。图1-3 常用介质形式1.4 大气射流低温等离子表面处理的原理被电离的空气气流产生大量的氧原子在内的氧基活性气体，用氧基等离子体照射材料表面，可以使附着于材料表面上的有机污染物C元素的分子分离，并变成二氧化碳后被清除；同时可以提高接触性能，从而可以提高接合强度和可靠性。1.5 大气射流低温等离子表面处理的工业应用a) 不锈钢薄板对焊处的焊前处理不锈钢薄板对焊在工业中应用很普遍。用等离子体气体对薄板在焊接前进行气体清洗代替了化学试剂的清洗，使清洗更加清洁环保，并且降低了清洗成本。b) 塑料板的表面处理木塑是一种可以取代木材的新型材料，如果想在材料表面刷漆那是非常难的，所要木塑材料的使用受到了限制。用等离子体气体处理材料，可使材料表面会发生明显的变化：颜色略有变浅，反光度降低，呈亚光性；用手触摸可以感觉到表面略有粗糙；使喷漆的附着性能大大增强。c) 橡胶制品的处理橡胶在我们日常生活中大量使用，例如汽车的门封条。它的表面须要上漆或织绒。如果不经过低温等离子处理，则不易粘接。如果用化学清洗，既是离线的，又会污染环境。用在线等离子体处理是理想的解决办法。d) 用于玻璃和金属平板处理用等离子体气体处理玻璃和金属表面，可以使其表面更加的清洁并且还改变了表面的性能，能使它在较长时间里表现这一性能。因而可以提高产品的接合强度。此外，常压等离子体清洗还可以用于有机材料和金属材料表面。F）对纸盒包装材料的处理市场上的包装纸盒越来越精美，不仅从以前的油纸发展成为了现在的覆膜纸、上光纸、淋膜纸、镀铝纸、PP、PET等塑料新材料，但是这些高品质的材料加工难度也变大了，同时也给糊盒包装产业带来了新的挑战。面对这些新材料不能粘结或者是粘结不牢，企业通常采用特殊的胶水和表面打光、局部上光等办法，但是这就增加了生产成本和造成了更重环境的污染。经过等离子体气体表面处理后，纸张的亲水性变强了，编码变得粗糙有附着性了，这样使胶水的粘贴更牢。更为重要的是大大降低了生产成本。第二章 控制脉宽调制电路及其供电稳压电源设计2.1 mega16的简要介绍mega16是Atmel公司发行的一款具有AVR内核的芯片。该芯片具有大量的外设资源，完全可以满足我们控制电源的设计要求，它具有以下的特点：1. ATmega16 是一款基于增强的AVR RISC结构的超低功耗的8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1MIPS/ MHz，可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。2.大容量的存储器 芯片集成有可编程Flash16K字节(具有同时读写的能力，即RWW) ，512 字节EEPROM，1K字节SRAM。3. 32个通用I/O 口，32个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器 / 计数器(T/C),多个片内/外中断。4. 8 路10位具有可选差分输入级可编程端口，具有可编程片内振荡器和看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以设置选择的省电模式。5. 具有4个外部中断和内部中断6. ATmega16的编程软件与系统开发工具齐全包括：C 语言编译器、宏汇编、 程序调试器 / 软件仿真器、仿真器及评估板。2.2基于 mega16的控制电路设计控制系统采用5V电源供电，为使系统更稳定更高效的工作我们为控制系统设计了专门的5V电源，后面的小节为大家介绍。如图2-1是基于mega16的最小系统图。图中的RXD、TXD引脚是为现实显示模块的串口引出线。传感器采集的数据都是经过串口发送给显示模块，再由显示模块处理显示的。OCR1A、OCR1B引脚是比较输出脚，也就是控制半桥模块的PWM输出引脚。它们的信号经过驱动器的放大而驱动我们的功率模块。 MOSI、MISO、SCK引脚是单片机的程序烧写引脚，程序都是经过它们烧录给单片机的。图2-1 最小系统图复位电路复位电路对微机抗干扰起着非常重要的作用，一个系统在上电后能正常工作必须对其正确的复位。我们的系统复位采用上电低电平复位，如图2-2所示，复位电路上电时。复位电容使RESET保持在低电平状态，然后有上拉电路使其变高电平。 图2-2 复位电路晶振振荡器XTAL1与XTAL2是mega16的片外振荡器的输入和输出，如图2-3所示，振荡器可以是石英晶体材料的晶振，也可以是陶瓷谐振器。内部熔丝位 CKOPT的设置是选择这两种放大器模式。熔丝位 CKOPT被我们置1时振荡器在输出引脚上产生满幅度的振荡，它被用于噪声环境中。熔丝位 CKOPT被我们置0时振荡器的输出信号幅度比较小。这样的状态在很大程度上降低了功耗，不过工作在较窄的频率范围，而且同时驱动其他时钟缓冲器。对于谐振器，CKOPT未编程时的最大频率为8 MHz ，CKOPT 编程时为16 MHz。C1和C2的容值要相等，无论使用的是晶体还是谐振器。我们的控制电路C1、C2为22P晶振为8MKZ。这样我们选用的就是外部的晶振对单片机起振提供外部的频率。晶振的周围最好是用地线包围起来，这样可以提高晶振的抗干扰能力，同时是单片机工作在最佳的状态。图2-3 晶振振荡器连接图欠压及过压保护要对主电路进行欠压或过压保护，首先就要对主电路的直流电压进行采样测量，也就是采样经全桥整流及滤波后的直流电压，而本电源的交流输入为AC220V(50Hz)，所以此直流电压的正常值应该在310V左右，要对这个电压进行采样就必需在主电路分压后，再送入单片机进行处理，并判断主电路电压是否正常。另外，要在分压电路和采样电路之间加入一级电压跟随器，起到缓冲和隔离的作用。电压跟随器的原理图如图2-4所示。图2-4 电压跟随器原理图然后，单片机对电压跟随器输出电压进行AD采样，并在程序中判断主电路的工作状态，从而实现主电路的欠压及过压保护。过流保护主电路的过流保护采用电流互感器对主电路工作电流进行采样，通过整流滤波后，经一级跟随器后送入AD采样，由程序处理判断主电路工作状态，并将采样到的数据发送至显示模块，由显示模块显示当前的工作电流及功率。同时，又将跟随器输出电压接入比较器同向输入端，当采样电压高于预设值时，比较器输出由低电平转换为高电平，引发中断并保护电路，通过调整R11与R15的值，即可改变预设保护值，采样电路如图2-5所示。图2-5 过流保护采样电路无风故障保护涡流式气泵故障保护采用压差开关来判断风机是否正常工作，压差开关有常开和常闭两个触点，当风机故障时，压差开关即动作，在此，采用压差开关的常开触点，常开触点闭合后将使光耦动作，在LosePump引脚产生由低电平向高电平的转换，此上升沿将引发单片机中断对电源进行保护。涡流式气泵故障保护原理图如图2-6所示。图2-6 风机故障保护原理图2.3基于mega16的显示电路设计我们采用的是四位共阳极的数码管显示，四位数码可以提高精确度。为了使数据更好的反应出来，我们设计了电流显示模块和功率显示模块。数显模块也具有一定的数据接收和处理能力。数据的传送都是采用了串口，因为串口传送数据可以减少控制系统对大量数据的运算，减少占用主控的资源。主控只需要把采集回来的数据经过串口放松给显示模块，数据的处理就由显示模块处理和现实。下图是显示模块的电路图。2.4驱动电路设计绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种新型的电力半导体器件，IGBT既具有功率场效应晶体管(MOSFET)高速、高输入阻抗、易驱动的特点，又具有双极达林顿功率晶体管GTO饱和电压低、电流容量大等优点的电力电子开关器件。IGBT 也是一款采用电压型驱动、高输入阻抗、开关速度快(可正常工作在几十千赫兹频率范围内)的电力电子开关器件。由于他的这么多的优点让IGBT广泛应用于大中功率开关电源、逆变器、高频感应加热、有源滤波器、家用电器等需要电流变换场合。IGBT的额定工作电流较高，可以应用于输出数百安电流的变频装置，也可应用于数码相机的闪光灯控制电源。近几年来，变频技术在交流传动领域的应用风起云涌，IGBT作为变频器的功率输出器件，其应用也是日趋广泛。在快速低损耗的电力电子应用中，在中、低频功率控制应用中，IGBT最具独特性能。IGBT有逐步取代MOSFET和GTO之趋势。IGBT与其它半导体开关器件一样，其工作特性依赖于具体电路条件和开关环境。因此，IGBT的驱动电路及保护电路是电路设计的难点。采用性能优良的驱动电路，能够保证IGBT开关的可靠运行，提高设备的稳定性。以下是本论文所采用的驱动电路：驱动信号是两路输出分别驱动IGBT的上半桥和下半桥。驱动模块包括DC/DC电源模块和隔离驱动模块。结构框图如下：驱动特性(均为在以下条件时测得:Ta=25,Vp=15V,Fop=50KHz,模拟负载电容CL=220nF) 如附表一。参数 符号 最小值 典型值 最大值 单位 输入脉冲电压幅值 Vpwm2 15 V 输入脉冲电流幅值 Ipwm9 10 12 mA 输出电压 VOH 14.5 V VOL -8 输出电流 IOHP 6 A IOLP -6 栅极电阻 Rg1.5 10 输出总电荷 Qout2 2.8 C工作频率 Fop 0 60 KHz 占空比 0 100 最小工作脉宽 Tonmin0.5 S上升延迟 Trd0.3 S下降延迟 Tfd0.4 使能端电平(1) ENA 2.2 18 V 0.4 绝缘电压 VISO 3500 Vrms共模瞬态抑制 CMR 30 KV/SDC/DC辅助电源电性能参数(均为在以下条件时测得:Ta=25,Vp=15V)，如附表二。参 数 符号 最小值 典型值 最大值 单位 输入电压 (1) Vdc12 15 20 V 电源输入电流 (2) Idc 0.05 A 0.5 输出电压 Vo 24.2 V 输出功率 Po 6 W 效率 75 短路保护性能(均为在以下条件时测得:Ta=25,Vp=24V,Fop=50KHz,模拟负载电容CL=220nF)，如附表三。参 数 符号 最小值 典型值 最大值 单位 保护动作阈值(1) Vn 8.5 V 保护盲区(2)Tblind1.2 S软关断时间(3)Tsoft4S故障后再启动时间(4)Trst1.110mS故障信号延迟Talarm5S故障信号输出电流 Ialarm10mA电路板的输出接线示意图，如图2-8。本驱动电路模块既可以驱动一只IGBT，也可以驱动两只并联的IGBT。 图2-8 驱动电路接线图1.输出插座Jo到IGBT栅极和发射极的引线要短一些，并使用绞线，以减小寄生电感，但集电极的反馈连线不要绞在一起。2. 谨防栅极和发射极输出短路，短路时间超过几秒，可能损坏板上器件。3. 尽量减小杂散电感，并设置良好的IGBT过压吸收回路，避免尖峰电压击穿IGBT。4. 输入电源接反，电源插座上并联的二极管将短路外部输入电源，做实验时请注意。报警信号输出由于提高输入输出的抗干扰力，我们应用光耦对信号隔离。报警信号输出可以是高电平输出也可以是低电平输出我们的系统应用了高电平输出。当IGBT过流时，烯烃会检测到高电平。图2-9是报警电路的设计： 图2-9 报警信号电路2.5辅助电源设计 系统电源采用5V、12V、15V供电，5V电源是供给芯片的消耗电源和串口的显示电源。12V是作为系统版的隔离电源，为了增大控制系统的稳定性和抗干扰力。我们用12V电源让他对输出进行隔离。15V是开关器件IGBT的驱动电源供电。由于单片机和驱动的可靠工作，对电源的可靠性和稳定性要求很高。并且IGBT的驱动工作电流很大，所要对电源稳压芯片的要求比较高。我们设计用LM1085电源稳压芯片满足大电流可靠供电的要求。LM1085 的正常工作通流能力3A 最大带负载功率可达几十瓦。图2-10是由LM1085设计的电源原理图。电容是为了滤波、稳压、储能的作用。 图2-10 电源电路第三章 逆变电源主电路的设计与构成3.1 高频变压器设计1） 高频变压器的定义与分类高频变压器是相对于音频和工频变压器而言的。由于高频的范围涉及很广，要划分明确是困难的。工作频率在音频以上的变压器统称为高频变压器。应该说，这种叫法是不严格的。其工作频率的不同，我们把高频变压器按以下进行分类： 按频率范围可分为a. kHz级高频变压器，指工作频率在几kHz到几百kHz之间的高频变压器；b. MHz级高频变压器,指工作频率在1MHz以上的高频变压器。 按工作频带可分为a. 窄频带高频变压器，指工作在一个很窄频率范围内的变压器，例如变换器变压器、振荡器变压器；b. 宽频带高频变压器，指工作在一个很宽频率范围内的变压器，例如阻抗变换器变压器、通讯变压器。2）磁芯材料的选择提高逆变电源效率的关键因素就是合理选择变压器的磁芯材料和结构以及降低变压器的能耗。高频变压器工作在频率较高的环境下。选择饱和磁感应强度、电阻率及磁导率较高的磁芯材料就能可靠的使变压器工作在损耗小、输出脉冲上升速度快、结构紧凑的环境中。铁氧体材料均为软磁铁氧体材料多用于高频变压器中。软磁铁氧体材料的高频损耗小，电阻率高，并且易于生产加工，成本低，是目前高频变压器中使用量最大的磁性材料。软磁铁氧体材料主要分为Mn-Zn铁氧体和Ni-Zn铁氧体两大类。在0.51MHz 的频率场所主要用Mn-Zn铁氧体的高频变压器，在1MHz以上的产生主要用Ni-Zn铁氧体的高频变压器。我们采用的是Mn-Zn铁氧体磁性材料做成的U型磁芯。3）变压器的计算与制作变压器的一次侧电压为方波电压，幅值是电网输入电压经过整流后的输出电压值，按电网峰值电压计算： UL=2U=1.414220=311（V）整流后的最大值一个周期的导通时间Ton=DT，D是占空比，T是周期，考虑到为了防止IGBT的直导通我们留有3us的死区时间。Ton=120103-2310-6=44us一次侧匝数：N=ULTonB=11匝B=0.4T 与磁导率无关，只与饱和磁密度和剩余磁通密度有关故一次侧按11匝设计计算二次测匝数变压器二次测电压U2按空载电压7500V计算。由计算公式：L1L2=N12N22=U1U2由于我们测得的电感L1=1.7mH L2=4.3HN2=553匝一二次绕组尽可能紧密祸合，减小漏感。3.2逆变电路的设计逆变器是把直流电能转变成交流电能的电力电子装置，换句话说，逆变器就是一种将直流电转变为交流电的装置。逆变器按照输出的相数分类，可分为单相逆变器、三相逆变器两种。三相半桥结构可组成三相逆变器，3个相位互差120的单相逆变器也可组成三相逆变器。因此，单相逆变器的技术可以应用到三相逆变器中。半桥逆变器半桥逆变器的主电路如图3-1（A）所示，由两个相等的电容C1和C2构成一个桥臂，开关管Q1和Q2及其反并联二极管D1和D2构成另一个桥臂，两个桥臂的中点A和B为输出端，可以直接由这两端输出，也可以通过变压器输出。由于电容C1和C2容量相等，而且容量较大，所以VC1=VC2=Vin/2，中间点B的电位基本保持不变，且V0=Vin/2。A点的电位则取决于Q1和Q2的工作情况。若Q1导通，则VAB=Vin/2，若Q2导通，则VAB=-Vin/2。所以变压器二次侧空载输出电压V0是一个方波交流电，宽度等于Ton，Ton为Q1或Q2的导通时间。幅值V0=W2/W1.Vin/2，V0的频率取决于开关频率，fs=1/Ts，Ts为开关周期。若输出端接电阻负载Rld，则负载电流波形和V0相同，幅值IRd=V0/RLd如图3-1（B）所示。如果输出图3-1（A） 图3-1（B）端接电感负载L，则负载L的电流iL是三角波，当Q1或Q2的导通时，在电容的作用下，iL线性增长。电流的最大值iL=Vin/2Lf.W2/W1.D ,D为Q1和Q2的占空比，D=Ton/T/2 。当Q1截止后iL维持原方向不变，变压器一次侧电流经二级管D2续流，于是电源电压变负,VAB=-Vin/2。由于电源的负压变压器电路 iL下降，下降速度与增长速度相同。感性负载的时候Q1和Q2、D1和D2都是轮流导通的。由于二极管的续流，电压VAB和V0形成一个负的电压，如图3-2所示。电感负载时如果Q1或者Q2导通时间超过了T/4时， V0是1800的方波，iL变成了正负面积对称的三角波，就不会再受Q1和Q2导通时间变化的影响。图3-2 电感负载输出全桥逆变器全桥逆变器的主电路如图3-3（A）所示，由四只功率管Q1Q4,反并联二极管D1D4和变压器Tr等组成。输入直流电源电压Vin，输出交流电压为V0。变压器Tr的一次绕组接于AB两端，变压器一次侧绕组匝数为W1，二次测绕组为W2，变比为K=W2/W1全桥逆变器有三种控制方式分别为双极性控制、有限双极性控制和移相控制。如图3-3（B）是双极性控制方式下的波形。开关管为PWM工作方式，在一个开关周期的前半周期，Q1和Q4导通时间为Ton ，Dy为占空比, Dy=Ton/Ts/2,后半周期为Q2和Q3导通，导通时间也为。Q1和Q4导通时，若不计开关管通态压降，则变压器一次侧绕组上的电压为VAB=Vin，Q2和Q3导通时VAB=Vin；Q1和Q4与Q2和Q3均截止时，VAB=0。当变压器二次侧开路时，变压器一次侧电压VAB的波形，是一个方波电压。调节开关管的导通时间，也就是调节占空比Dy，可以调节VAB的宽度，并调节VAB的有效值大小。二次侧电压V0波形与VAB的波形相同，幅值为Vin/K。若变压器二次侧接电阻负载Rld，则有电流is流过电阻，is的波形与V0、VAB相同，幅值ISM=Vin/K.1/RLD。变压器一次侧电流ip的波形和二次侧电流is相同，幅值Ipm=Vin/K2.1/RLD，此式可写成Ipm=Vin/R1 , R1=K2.RLD ，R1可以看成是二次侧电阻RLD折算到一次侧的值。在Q1和Q4导通时，流过的电流为Vin/R1,Q2和Q3导通时的电流也为Vin/R1，此时功率管的反并联二极管D1D4中没有电流流过。图3-3（A）全桥式图3-3（B）全桥式逆变器主要波形若为电感负载L，Q1和Q4导通时， VAB=Vin , V0=Vin/K 。在V0 的作用下，负载电流自零增加， Imax=Vin/K.1/L.DTs/2 。Q1和Q4 断开后电流不可能突然变化，仍会沿着原来的方向流动，所要会是D3和D4导通，及VAB=-Vin，V0的极性反向。在这种负电压的作用下，电感电流会减小，减小的速度与Q1、Q4开通时的增长速度一样。在这种情况下，变压器一次侧和二次侧电压波形和阻性负载时有很大不同，出现一块相同阴影的电压面积（如图3-4）。因此输出电压的波形不仅有Q1和Q4的导通状态决定，而且与负载的性质有关。图3-4 电感负载有限双极性控制方式全桥控制的另一种控制方式是有限双极性控制，有限双极性控制的步骤为：首先让桥臂的两个管子（Q1和Q3）为PWM工作方式，另一个桥臂（Q2和Q4 ）轮流导通半个周期。在这种控制方式下，逆变器空载和电阻负载时的电压和电流波形和双极性的控制方式相同。电压VAB和输出电压V0只与开关器件工作的状态有关，与负载性质和大小无关。移相控制方式全桥逆变器的第三种控制方式是移相控制方式，这种控制方式是Q1和Q3轮流导通，各导通1800角。Q3和Q4也一样导通1800角。Q1先导通，Q4后导通，两者导通相差一定的角度。其中Q1和Q3分别先于Q4和Q2导通，所以Q1和Q3组成的桥臂为超前桥臂，Q2和Q4组成的桥臂为滞后桥臂。移相控制时输出电压波形会畸变，方波电压VAB的宽度仅与移相角有关，移相角越大，则VAB波形越窄。2.1.3推挽逆变器推挽逆变器的主电路如图（3-5）所示，主要有具有中心抽头的变压器、两只开关管Q1和Q2与两只二极管D1和D2组成，是完全对称的结构，而且Q1和Q2的发射极接电源的负端，驱动十分方便，不需要隔离。变压器两个原边绕组匝数相等，也就是=,副边绕组的匝数为。若Q1和Q2工作在180互补导通模式下，当Q1导通时，电源电压Vin加在W11上，在W11中感应出与Vin相等的电势，“*”端为“正”极性。Q2导通时，Vin加在W12上，W12的电势“*”端为“负”极性，所以W12绕组中的电势是一个180的交变的方波电势，幅值为EW2=W2/W1.Vin。开关管Q1和Q2判断时所承受的电压Vq1=Vq2=Vin+el ， e1为W11或W12的感应电势，且有e1=V11，则Vq1=Vq2=2Vin。为了减小Q1和Q2关断所产生的峰值电压，W11和W12绕组应该紧密耦合。若输出端接电阻负载，电阻为RLD，负载电流iRD和输出电压V0的波形相同，电流幅值IRD=V0/RLD，如图3-6所示。图3-5 推挽式图3-6 推挽式逆变器主要波形3.3 逆变器对比半桥电路电压利用率较低，其输出端的电压波形幅值只有直流母线电压值的一半；但是在半桥电路中，可以利用两个大电容C1和C2自动补偿不对称波形，这是半桥电路的一大优点，而且开关管承受的电压为电源电压，所以可以用在电源电压较高的场合。全桥电路和推挽电路的电压利用率是一样的，都比半桥电路的电压大一倍。但全桥和推挽电路都存在变压器直流不平衡问题，需要采取解决措施。推挽电路有以下的优点：1、电压损失小； 2、直流母线电压只有一个开关管的管压降损失；3、两个开关管的驱动电路电源可以共用，可以不隔离，驱动电路设计简单。在低压输入的场合推挽式比较适用，低压输入的推挽式变压器，原边绕组匝数少，通常为了增加两个绕组的对称性采用并绕的方式，但是在变压器制造工艺上加大了难度。中、大容量逆变器多采用全桥结构，它的控制方法比较灵活，有多种控制方式。在不同的容量范围里学着不同的开关器件，小容量的逆变器多用电力MOSFET，大容量的逆变器多用IGBT,特大容量的逆变器则常用GTO。半桥式相对于全桥式电路的开关管数量少，成本也就相应的低。全桥式电路有四只开关管，需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关管，那就难免导致驱动电路的复杂。半桥式电路由于只有两只开关管，不涉及同时通断地问题，驱动电路相应简单。半桥和全桥电路的适用场合也不相同。半桥式电路变压器原边电压为Vin/2，而全桥式电路变压器原边电压为Vin。功率的计算：P=V原边*I输入，要使输出相同的功率，则半桥式电路的输入电流是全桥式电路输入电流的2倍；换句话说，如果它们的开关电流相等，输入电压也相等，半桥式电路的输出功率将是全桥式电路的一半。因此，半桥式电路不适用于大功率的逆变电路。由于其输入电压电流的不同，在变压器的设计上也存在一定的区别，半桥式电路变压器原边线径要粗一些，圈匝数少一些。全桥式电路的原边线径要细一些，线圈匝数则要相对多一些。半桥式电路和全桥式电路与其他电路相比还有一个共同的优点，他们在工作时都不需要泄放电阻，漏感中储存的能量会直接回馈给主线路，电路的效率就相对变高。3.4缓冲电路的设计缓冲电路也称为吸收电路，它是大功率变流技术中必不可少的组成部分。IGBT等功率器件在高频电路中工作时，主电路中会存在一定的杂散电感和电容，在关断时主电路的电流急剧变化，杂散电感上会诱发较高的电压冲击，是功率器件在关断瞬间承受很大的涌浪电压。还有IGBT反并联的续流二极管反向恢复时两端电压会异常升高，也会产生相似的涌浪电压。这种涌浪电压会影响IGBT的正常工作，如果开关损耗大，器件会过热，严重时甚至会造成IGBT的损坏。缓冲电路的工作原理目前应用最多最成熟的IGBT缓冲电路有以下三种：RC缓冲电路、充放电型RCD缓冲电路、放电阻止型缓冲电路。（A）RC型吸收 （B）RCD型吸收 （C）放电阻止型吸收图3-7如图3-7（A）所示的RC型吸收电路，RC型吸收电路的优点是结构很简单，它是现在工程实践中运用最多的吸收电路，缺点是它易于造成过冲电压，并且在使用大容量的IGBT时，会引起集电极电流的升高，所以必须要增大电阻R，这样IGBT的功能会受到一定的限制。RC型吸收电路适用于斩波电路和小容量、低频率装置。如图3-7（B）所示的RCD吸收电路, 此电路可以有效地避免阻容吸收电路所产生的振荡, 此缓冲电路中的快恢复二极管可有效的箝住瞬变电压，有效的减小振荡。在设计电路时，在快速二极管上并联的电阻阻值可以适当增加，也就是增加了缓冲电阻，避开了IGBT功能受限制的问题。但功率进一步增大时，主回路中寄生电感则会相应的变得很大，也无法有效的控制瞬变电压，它虽然能较好地克服过冲电压的能力, 但是它还是会引起集电极电流升高。放电阻止型缓冲电路如图3-7（C）所示。该吸收电路适合大功率电路，过电压抑制效果好。不会引起集电极电流上升，并且附加损耗小，适合于高频开关电源。在电路中，电容C的放电