（电气工程专业论文）高频链结构的车载逆变电源的研究.pdf

t ! ， ， i 套1 i 华北电力人孥l ：程硕十学何论文摘要 摘要 随着经济水平的提高，汽车正逐渐成为人们的同常交通工具。然而人们随身携 带的家用电器比如手机却不能与汽车上的电源电压相匹配，因此丌发一款经济实用 的车载逆变器成为一种需求。据统计，国内配备这种转换器的车辆还不足4 0 ，加 之每年汽车销售量居高不下，因而电源转换器在国内有很大的市场自仃景。 本逆变器设计输入电源取自汽车的点烟器( 1 2 v d c ) ，输出为工频方波交流电 ( 5 0 h z ，2 2 0 v ) 。其系统采用二级变换方式，即d c d c 变换和d c a c 逆变。即d c l 2 v 电压通过推挽式电路逆变为高频方波，经高频升压变妇i 器升压，再整流滤波得到一 个稳定的约3 2 0 v 直流式，将稳定的直流电压逆变成有效值稍大子2 2 0 v 的方波电压， 以驱动负载。 关键词：逆变电源，高频变压器，p w m a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fe c o n o m i cl e v e l ，c a r sa r eb e c o m i n gt h ep e o p l e sd a i l y t r a n s p o r t h o w e v e r ，p e o p l ew i l lc a r r yh o m ea p p l i a n c e ss u c ha sm o b i l ep h o n e sa n dt h e c a rc a nn o tm a t c ht h ep o w e rs u p p l yv o l t a g e ，s od e v e l o p m e n to fa ne c o n o m i c a la n d p r a c t i c a li n v e h i c l ei n v e r t e ri n t oad e m a n d a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，t h ed o m e s t i cv e h i c l e e q u i p p e dw i t hs u c hac o n v e r t e ri s l e s st h a n2 0 ，c o u p l e dw i t ha n n u a lv e h i c l es a l e s r e m a i nh i g h ，a n dt h u sp o w e rc o n v e r t e ri nt h ec o u n t r yh a v eg r e a tm a r k e tp r o s p e c t s t h ei n v e r t e rd e s i g ni n p u tf r o mt h ec a r sc i g a r e t t el i g h t e rp o w e rs u p p l y ( 12 v d c ) ， t h eo u t p u tf r e q u e n c ys q u a r ew a v ea l t e r n a t i n gc u r r e n t ( 5 0 h z ，2 2 0 v a c ) t r a n s f o r m a t i o n o fi t ss y s t e mu s e st w om e t h o d s ，n a m e l y ，d c d cc o n v e r s i o na n dd c a ci n v e r t e r t h a t 12 v d cv o l t a g et h r o u g ht h ep u s h - - p u l li n v e r t e rc i r c u i t sf o rh i g h - - f r e q u e n c ys q u a r ew a v e b yh i g h - f r e q u e n c ys t e p u pt r a n s f o r m e rs t e p - u p ，a n dt h e nr e c t i f i e dt og e ta s t a b l ef i l t e ro f a b o u t3 2 0 vd c s t y l e ，w i l lb e c o m eas t a b l ed cv o l t a g er e v e r s es l i g h t l yl a r g e rt h a nr m s 2 2 0 vs q u a r ew a v ev o l t a g et od r i v et h el o a d x i az h i h u a ( p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f p e n gy o n g l o n g k e yw o r d s ：i n v e r t e rp o w e rs u p p l y ，h i g h f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r , p w m irl-rll_rr ，1jj，j11j】，胡_， jl*一，0 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 随着经济水平的提高，汽车正逐渐成为人们的日常交通工具。然而人们随身携 带的家用电器比如手机却不能与汽车上的电源电压相匹配，因此开发一款经济实用 的车载逆变器成为一种需求。据统计，国内配备这种转换器的车辆还不足4 0 ，加 之每年汽车销售量居高不下，因而电源转换器在国内有很大的市场前景。 本逆变器设计输入电源取自汽车的点烟器( 1 2 v d c ) ，输出为工频方波交流电 ( 5 0 h z ，2 2 0 v ) 。其系统采用二级变换方式，即d c d c 变换和d c a c 逆变。即d c l 2 v 电压通过推挽式电路逆变为高频方波，经高频升压变压器升压，再整流滤波得到一 个稳定的约3 2 0 v 直流式，将稳定的直流电压逆变成有效值稍大于2 2 0 v 的方波电压， 以驱动负载。 关键词：逆变电源，高频变压器，p w m a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fe c o n o m i cl e v e l ，c a r sa r eb e c o m i n gt h e p e o p l e sd a i l y t r a n s p o r t h o w e v e r ，p e o p l ew i l lc a r r yh o m ea p p l i a n c e ss u c ha sm o b i l ep h o n e sa n dt h e c a rc a nn o tm a t c ht h ep o w e rs u p p l yv o l t a g e ，s od e v e l o p m e n to ff i ne c o n o m i c a la n d p r a c t i c a li n v e h i c l ei n v e r t e ri n t oad e m a n d a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，t h ed o m e s t i cv e h i c l e e q u i p p e dw i t hs u c hac o n v e r t e ri sl e s st h a n2 0 ，c o u p l e dw i t ha n n u a lv e h i c l es a l e s r e m a i nh i g h ，a n dt h u sp o w e rc o n v e r t e ri nt h ec o u n t r yh a v eg r e a tm a r k e tp r o s p e c t s t h ei n v e r t e rd e s i g ni n p u tf r o mt h ee a r sc i g a r e t t el i g h t e rp o w e rs u p p l y ( 12 v d c ) ， t h eo u t p u tf r e q u e n c ys q u a r ew a v ea l t e r n a t i n gc u r r e n t ( 5 0 h z ，2 2 0 v a c ) t r a n s f o r m a t i o n o fi t ss y s t e mu s e st w o m e t h o d s ，n a m e l y ，d c d cc o n v e r s i o na n dd c a ci n v e r t e r t h a t 12 v d cv o l t a g et h r o u g ht h ep u s h p u l li n v e r t e rc i r c u i t sf o rh i g h - f r e q u e n c ys q u a r ew a v e b yh i g h - f r e q u e n c ys t e p u pt r a n s f o r m e rs t e p u p ，a n dt h e nr e c t i f i e dt og e tas t a b l ef i l t e ro f a b o u t3 2 0 vd c - s t y l e ，w i l lb e c o m eas t a b l ed cv o l t a g er e v e r s es l i g h t l yl a r g e rt h a nr m s 2 2 0 vs q u a r ew a v ev o l t a g et od r i v et h el o a d x i az h i h u a ( p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f p e n gy o n g l o n g k e yw o r d s ：i n v e r t e r p o w e rs u p p l y ，h i g h f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r , p w m 华北电力火学：r 程硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 现代逆变技术概述l 1 2 高频链逆变技术及其发展一2 1 3 逆变电源的发展3 1 4 设计指标和要求5 第二章车载逆变电源主电路分析6 2 1 主电路几种典型的拓扑结构6 2 1 1 半桥高频逆变主电路6 2 1 2 全桥高频逆变电路7 2 1 3 推挽逆变电路7 2 1 4 典型主电路拓扑结构的比较8 2 2 车载逆变电源的研究与设计9 2 2 1 车载逆变系统的基本原理9 2 2 2 前级升压电路的设计1 0 2 2 3 逆变电路的输出1 3 第三章控制电路的研究1 7 3 1 脉宽调制技术1 7 3 2 推挽电路的驱动电路1 8 3 2 1t l 4 9 4 c n 芯片结构1 8 3 2 2t l 4 9 4 的驱动电路与外围电路1 9 3 2 3 反馈控制及p w m 调压电路2 0 3 3 全桥逆变的驱动电路2 3 3 4 保护电路的设计2 5 3 4 1 输入保护2 5 3 4 2 输出保护2 5 第四章高频变压器设计2 8 4 1 磁性元件在电源设计中的意义2 8 4 2 高频变压器使用的磁性材料2 8 4 3 磁芯结构2 9 4 4 推挽变换器中的变压器设计3 0 i 华北电力大学工程硕七学位论文目录 4 4 1 变压器工作原理3 0 4 4 2 双极性变压器的计算3 1 4 4 3 变压器绕组匝数3 2 4 5 变压器绕制注意事项3 5 第五章实验结果与分析3 6 5 1 驱动电路的波形3 6 5 2 输入输出电压范围3 7 5 3 最大输入电流一3 8 5 4 输出频率范围一3 8 5 5 输出短路保护和过载保护3 8 5 6 输入欠压、过压和输入反接保护3 8 第六章结论与展望3 9 6 1 结论3 9 6 2 问题与展望3 9 参考文献一4 0 致谢4 3 附录4 4 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 5 华北电力大学上程硕士学位论文 1 1 现代逆变技术概述 第一章引言 逆变是对电能进行变换和控制的一种基本形式，现代逆变技术是一门综合了现 代电力电子开关器件的应用、现代功率变换、模拟和数字电子技术、p w m 技术、频 率及相位调制技术、开关电源技术和控制技术等的综合实用设计技术，己被广泛应 用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。所谓逆变器，是指整流( 又 称顺变) 器的逆向变换装置，其作用是通过半导体功率开关器件( 例s c r ，g t o ，g t r ， i g b t 和功率m o s f e t 模块等) 的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此 是一种电能变换装置，由于是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转 换的，因此转换效率比较高。 现代逆变技术的种类很多，按照不同的形式进行分类： ( 1 ) 按逆变器输出交流的频率，分为工频逆变、中频逆变和高频逆变。工频 逆变指5 0 6 0 h z 的逆变器；中频逆变的频率一般为4 0 0 h z 到十几k h z ：高频逆变器 的频率则一般为十几h z 到m h z 。 ( 2 ) 按输出相数分为：单相电路和三相电路。 ( 3 ) 当逆变器电路输出的交流电能直接作用于负载时，称为无源逆变；当输 出电能馈向公共交流电网时，则称有源逆变。 ( 4 ) 按逆变主电路的形式分：单端式，推挽式，半桥式，全桥式逆变。 ( 5 ) 按功率器件可分为：半控型器件组成的电路和全控型器件组成的电路。 ( 6 ) 按输出稳定的参量分为：电压源和电流源两类。 ( 7 ) 按输出电压或电流的波形分为：正弦输出逆变和非f 弦输出逆变。 ( 8 ) 按控制方式可分为：调频式( p f m ) 逆变和调脉宽式( p w m ) 逆变。 ( 9 ) 按开关电路的工作方式分为：谐振式逆变，定频硬丌关式逆变，定频软 开关式逆变。 华北电力火学：1 二程硕士学位论文 1 2 高频链逆变技术及其发展 目前，d c a c 逆变电源已经广泛的应用于很多领域，并且在新能源，如太阳能 电池、燃料电池等的d c a c 变换中也得到广泛的应用。由于传统低频逆变技术， 采用的是工频变压器及模拟控制，导致了体积大、转换效率低、音频噪声大、可靠 性差等缺点。为了克服这些缺点，德国学者m r e s p e l a g e 于1 9 7 7 年提出了高频链 逆变技术的新概念，它与常规的逆变技术最大不同在于，高频链逆变技术是利用高 频变压器实现了输入与输出的电气隔离，减小了变压器的体积和重量。同时通过前 端直流稳压部分采用开关化的工作模式和引入高频变压器来实现逆变电源的小型 化。该系统由一个并联逆变器和1 2 个晶闸管组成的周波变换器构成，具有简单的 自适应换流、高频电气隔离、独立的有功能量和无功能量控制、固有的四象限工作 能力等优点，但受当时半导体器件的限制，谐振储能电路工作频率局限在2 - 4 k h 。 范围，未完全体现高频链逆变技术的优越性。近年来，随着功率半导体器件的发展， 高频链技术引起人们越来越多的兴趣。 所谓高频链逆变技术，就是采用高频脉冲变压器替代低频变压器传输能量，通 过提高逆变电源的工作频率来减小隔离变压器的体积，并实现变流装置的一、二次 侧电源之间的电气隔离。高频链逆变器是一种灵活多变的拓扑结构，其共同特点是 电路结构形式紧凑，功率密度和效率高，响应速度快。另外，系统可以工作在2 0 k h z 以上，无音频噪声，滤波相对容易，并且功率可达k w 级以上。因此，无论在恒压 恒频( c v c f ) 领域，还是在调频调压( v v v f ) 领域都有很大实用价值，它是未来继续 研究发展的一个重要课题1 。 高频链逆变技术按照功率传输方向可分为两大类：单向型和双向型高频链逆变 器：按照功率变换器的类型可分为：电压源和电流源两种。现有的高频链逆变器大多 属于电压源高频链逆变器。 ( 1 ) 单向电压源高频链逆变技术 黯 謇c 耕 餐 幢 广 i l l螯j - 群 i 辛 t 婺t 蟊 l 鞭 图1 1单向电压源高频链变换器 2 华北电力大学工程硕十学位论文 单向电压源高频链逆变器就是在直流侧和逆变器之间插入一级d c d c 变换器， 使用高频变压器实现电压比调整和电隔离，这样就可以省掉体积庞大的工频变压 器，降低音频噪声，其电路结构如图卜l 所示。虽然d c d c 变换型实现起来比较容 易，但是存在功率只能单向流动，负载不能向电源回馈能量：三级功率变换，既使 得系统效率低，又使得系统复杂，从而降低了系统的可靠性。 ( 2 ) 双向电压源高频链逆变技术 针对单向电压源高频链逆变技术的缺点，文献d 1 提出了双向电压源高频链逆变技 术，如图i - 2 所示。这是一种目前最常用的拓扑结构以实现双向功率传输。它主要 由高频电压源逆变器、高频变压器和周波变换器三部分组成。该逆变器实现逆变只 需要经过两级功率变换，这对提高逆变器的效率和可靠性起到关键作用。与单向电 压源高频链逆变技术相比，它具有更少的功率变换级，降低了变换器的通态损耗和 系统的复杂性，提高了系统的效率和可靠性。 钴 铽 捌 聚 挺 l 上 懿 _ _ 一 锹 土 糍 划 j丁 娜 t 匾 图1 2舣向电压源鬲频链变换器 双向电压源高频链逆变器虽然能实现功率的双向传输，但这种方案存在固有的 缺点，由于控制输出电压的周波变换器采用了传统的p w m 技术，器件的换流会打断 高频变压器中连续的励磁电流，于是高频变压器漏感中存储的能量会导致高频变压 器和周波变换器之间的电压过冲。由于这个原因，这类方案都需要另外采用一些缓 冲电路或有源电压箱位电路来吸收存储在漏感中的励磁能量n 引。 除以上两种类型的高频链逆变器的结构外，还有电流源高频链逆变器、直流变 换器型高频链逆变器等类型，各种类型的高频链逆变器f 在成功运用于太阳能发 电、风力发电等新兴能源的并网发电领域。 1 3 逆变电源的发展 随着控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备都不是直 接使用公用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换， 华北电力大学：r ：程硕士学位论文 从而得到各自所需的电能形式。它们的幅值、频率、稳定度及其变化方式因用电设 备的不同而不尽相同，如通信电源、不问断电源、医用电源、充电器等，它们所使 用的电能都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。小型化、数 字化、高性能的逆变电源具有广泛的应用前景。 电源技术主要研究如何利用电力电子技术对功率进行变化和控制，它广泛运用 现代逆变技术、电磁技术、电子技术和计算机技术等学科的理论，具有较强的综合 性。本课题主要研究逆变电源输出电压的波形控制技术。 现代逆变技术是电源技术的基础，它是研究现代逆变电路的理论和应用设计方 法的一门科学，是建立在现代控制技术、电力电子技术、半导体变流技术、脉宽调 制( p w m ) 技术、磁性材料等学科基础之上的一门实用技术n3 。采用逆变技术有很多 优越性，通过控制回路，可以控制逆变电路的工作频率和输出时问比例，从而使输 出电压或者电流的频率和幅值按照设备工作的要求来灵活的变化“。 逆变电源是将一次电源送来的交流电变换成其他形式的交流电，不问断电源是 在电网断电时，将蓄电池中的直流电逆变成交流电，这样就不会因为电网波动或者 断电而影响设备的f 常运行轻1 。由于逆变电路的工作频率高，调节周期短，使得电 源设备的动态特性很好。具体表现为n 1 ：对电网波动的适应能力强( 源效应好) ， 负载效应好，启动冲击电流小，超调量小，恢复时间快，输出稳定，纹波小等。与 此同时，加快了控制速度和对保护信号的反应，增强了系统的可靠性1 。 早期的逆变电源，只需其输出不断电，稳压，稳频即可，然而，今天的逆变电 源除这些要求外，还必须环保无污染，即绿色环保逆变电源。同时随着网络技术的 发展，对逆变电源的网络功能也提出了更高的要求。高性能的逆变电源必须满足u 0 1 ： ( 1 ) 高的输入功率因数，低的输出阻抗； ( 2 ) 快速的暂态响应，稳态精度高： ( 3 ) 稳定性高，效率高，可靠性高； ( 4 ) 低的电磁干扰： ( 5 ) 智能化； ( 6 ) 完善的网络功能。 逆变电源发展历史虽然不长，但其发展速度迅速，它是一种更新换代的革命性 电源。逆变电源在现代逆变技术及新型电力电子器件的支持下，无论是可靠性还是 性能价比，以及高效节能方面，都将不断进步和提高。电力电子功率丌关器件向高 压大容量化、集成化、全控化、高频化及多功能化的方向发展，材料学科的超导材 4 华北电力大学工程硕士学位论文 料和软磁材料的飞速发展以及智能化控制技术、信息网络技术的发展，都促使逆变 电源向着高效率，大功率，高可靠性的方向发展。因此，逆变电源的丌发、研制、 生产成为发展前景十分诱人的朝阳产业阳1 。 1 4 设计指标和要求 随着现代逆变技术和高频链技术的不断发展，逆变电源以其高集成度、高性能 比、最简的外围电路、最佳的性能指标等显著优点而受到国内外电源界的普遍关注。 随着现代逆变电源技术的不断完善，逆变电源已经广泛地应用于计算机、仪器仪表、 电子设备、家用电器和通信设备中。 车载逆变电源是将汽车发动机或汽车电瓶上的直流电转换为交流电，供一般电 器产品使用，是一种较方便的车用电源转换设备。它是常用的车用汽车电子用品。 通过它可以在汽车上使用平时我们用市电才能工作的电器，比如电视机、笔记本电 脑、电钻、医疗急救仪器、军用车载设备等，可应用于各个行业领域。按照输出波 形来分，车载逆变电源可分为正弦波输出和方波输出两种。前者可提供不问断的高 质量交流电，可适应任何负载，但其技术要求及成本高，电路结构比较复杂。后者 提供的交流电的质量较差，且带载能力差，不能接“感性负载”。虽有较多的缺点， 但是其技术要求低，体积小，电路简单，价格低。近年来随着汽车工业的发展，在 汽车内配置的各种用电设备大多数使用的是交流2 2 0 v 电压，使用车载电源为各种 仪器提供工作电源，因此车载逆变电源的需求与同俱增。随着逆变电源和各种功率 器件的高速发展，车载逆变电源的小型化、高效化已成为可能。本课题所设计的逆 变电源应用于汽车等移动交通工具，为其所携带的各种检测、通信仪器提供 2 2 0 v 5 0 h z 的交流电源。 考虑到车载逆变电源主要应用于汽车内，而汽车上使用的电器多为商用和一般 生活用，例如手提电脑、手机充电器、汽车d v d 、小型电视、冰箱等，因此车载逆 变电源必须具备如下特点和要求： ( 1 ) 输入电压： 1 0 1 5 vd c ： ( 2 ) 输入电流：允许最大电流1 8 a ，输入空载电流小于0 3 a ； ( 3 ) 输出电压：2 2 0 v a c 1 0 ，方波，工频5 0 2 h z ； ( 4 ) 输出功率：1 5 0 w ； ( 5 ) 环境温度- i o c - - - - 4 0 ，采取自然散热；体积小，重量轻； ( 6 ) 具有欠压保护，以防蓄电池过度放电；具有过压、过载、过流、过温及 反接保护； 华北电力人学工程硕士学位论文 第二章车载逆变电源主电路分析 常用逆变器主电路的基本形式有三种分类方法： ( 1 ) 按照相数分类，可分为单相和三相： ( 2 ) 按照直流测波形和交流侧波形分类，可分为电压源型和电流源型逆变器； ( 3 ) 按电路拓扑结构分类，可以分为单端正激( f o r w a r d ) 、单端反激 ( f 1 y b a c k ) 、升压( b o o s ) 式、降压( b u c k ) 式、推挽( p u l l - p u s h ) 拓扑结构、半桥 ( h a l f b r i d g e ) 结构、全桥( f u l - b r i d g e ) 结构等。 2 1 主电路几种典型的拓扑结构 逆变主电路主要由逆变开关器件等组成的变换电路，分为非隔离式和隔离式两 大类。如变频器、能量回馈等都是非隔离的；而逆变焊接电源、u p s 、通信基础丌 关电源、加热电源等都属于隔离式逆变电路。隔离式逆变主电路还包括逆变变压器。 单相逆变电路主要包括半桥式、全桥式、推挽式三种，下面分别对这i 种主电路拓 扑结构进行分析。 2 1 1 半桥高频逆变主电路 + 图2 - 1小桥高频逆变电路 当两只开关管v ：，v 。都截止时，若电容c ：，c ：，完全相等，则在电容中点e 的电 压为输入电压的一半，即v c 。= v c 。= v d 2 。当v ：导通时，电容c ：将通过v ：和变压器原 边进行放电，同时电源电压v 。通过v ：和变压器原边放电，为电容c 。充电，中点e 的电位将有所上升：当v ：导通结束时，两只开关管v ：，v 。又都截止，它们的端电压 重新回到输入电压的一半，即v 。2 。当v 。导通时，v ：截止，电容c ? 被充电，c ：放电， e 点的电位下降；v 。导通结束后，又回到v 。，v 。全部截止的状态。 在半桥高频逆变电路中，开关管开通瞬间存在着电流尖峰，是由于副边整流二 6 矗 ， 华北电力大学工程硕士学位论文 极管的反向恢复造成的。当开关管由导通刚刚变为截止时，丌关管两端除了承受电 压v d 2 之外，还有较高的尖峰电压，这是由于变压器原边漏感和引线电感上贮存 的能量释放引起的，由于二极管的箝位作用，开关管的端电压最高为v 。 2 1 2 全桥高频逆变电路 由图2 2 看出，与半桥逆变电路相比，全桥逆变电路的工作需要再并联一组丌 关管，而且需要两组相位相反的驱动脉冲控制两对开关管，即q 1 和q 2 同时通断， q 3 和q 4 同时通断。当触发脉冲将q l 和q 2 触发导通时，q 3 和q 4 是截止状态，变 压器原边电压为下正上负的电压v 。；相反，当q 3 和q 4 触发导通时，q l 和q 2 是截 止状态，变压器原边电压为下负上正的v 。而在四只开关管都截止的死区时间里， 开关管承受的端电压和尖峰电压与半桥电路类似。 2 1 3 推挽逆变电路 图2 - 2 全桥高频逆变电路 由图2 3 看出，推挽逆变电路是将升压变压器的中性抽头接于币电源，两只功 率管交替工作，输出得到交流电力，由于功率晶体管共地边接，驱动及控制电路简 单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。 推挽逆变电路的工作是由两路相位相反的驱动脉冲分别加到逆变丌关管v ，v ：的基 极，控制它们交替通断，输入直流电压被变换成高频的方波交流电压经变压器输出。 当v 。导通时，v ：截止，输入电压v 。加在变压器t 原边绕组n 上，由于变压器有两 个绕组，且匝数相同，所以在v ：上将施加两倍的电源电压，即2 v 。当驱动脉冲结 束后( 死区时间) ，两只开关管都截止，端电压都为v 。当v 。导通时，同理，v 。截止， 在v - 上将施加两倍的电源电压。 7 华北电力人学j r ：程硕士学位论文 卜 趔 m 。上 1 血。 f 卜 图2 - 3 推挽式逆变电路 2 1 4 典型主电路拓扑结构的比较 半桥逆变主电路所用的开关器件少，驱动电路简单，开关管两端承受的端电压 也不高，拓扑结构抗不平衡能力很强，变压器铁芯是双向磁化，利用率高，但存在 上下桥臂直通现象，功率管将承受电源电压而流过两倍的输入电流，因此在中小功 率的逆变器中可以得到广泛应用。 全桥式逆变电路开关管需要的电压不高，输出功率教大，变压器铁芯双向磁化， 利用率高，功率管两端将承受电源电压，流过输入电流，易采用软开关工作方式。 由于该电路具有能使q 2 和q 4 共同导通的功能，因而具有续流回路，即使对感性负 载，输出电压波形也不会畸变。但全桥变换器功率器件较多，由于上、下桥臂的功 率晶体管不共地，控制电路及驱动电路较复杂，因此必须采用专门驱动电路或采用 隔离电源。并且变电压器铁芯存在直流偏磁现象，桥臂存在直通现象。另外，为防 止上、下桥臂发生共同导通，在q 1 、q 4 及q 2 、q 3 之间必须设计先关断后导通电路， 即必须设置死区时间，其电路结构较复杂。比较适合大功率场合。 推挽式逆变电路所用的丌关器件少，输出功率大，但是开关管电压高，适用于 原边电压比较低的功率变换器。拓扑结构简单，变压器铁芯双向磁化，相同铁芯尺 寸下，推挽电路能够比正激式逆变电路输出更大的功率。但要求电路必须有良好的 对称性，否则容易引起直流偏磁导致铁芯饱和，另外，变压器绕组必须紧密偶合， 减小漏感，从而降低功率管的关断尖峰电压，而提高了变压器绕制工艺的要求以及 对所用功率器件电压定额的要求。 推挽电路和全桥电路的输出都必须加升压变压器，由于工频升压变压器体积 大，效率低，价格也较贵，随着电力电子技术和微电子技术的发展，采用高频升压 变换技术实现逆变，可实现高功率密度逆变，这种逆变电路的前级升压电路采用推 挽结构，但工作频率均在2 0 k h z 以上，升压变压器采用高频磁芯材料，因而体积小 重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经高频整流滤波电路得 到高压直流电( 一般均在3 0 0 v 以上) 再通过工频逆变电路实现逆变。 华北电力大学工程硕士学位论文 在车载逆变电源中，由于空间有限，要求电源具有高功率密度和低噪音的性能， 所以要达到输出功率要求，同时体积不要太大，就要提高变压器的利用率。同时原 边的电压比较低，为了提高变压器的利用率，降低成本，在相同的丌关条件下，综 合考虑这三种典型的逆变主电路拓扑结构后，d c d c 变换采用推挽式电路。与桥式 结构的逆变器相比，推挽式逆变器使用的开关器件只有两个，因而控制电路简单， 实现输出波形的转换也简单，同时具有升压变压功能。所以在中小功率的场合，经 常使用推挽结构的逆变器。一般来说，推挽式逆变器包括一个变压器t 和两个丌关 管v - 和v z 。变压器的初级具有3 个抽头，通过控制v 和v 。的交替开启和关断，在t 的次级实现逆变输出。同时也可以实现波形形状，例如方波、变宽方波、频率等方 面的控制。t 的变比决定输入d c 与输出a c 之间的幅度比例关系引。 2 2 车载逆变电源的研究与设计 由于车载逆变电源为汽车上的用电器件提供电力，而汽车上使用的电器多为商 用和生活用，其质量的好坏影响着电子设备使用的可靠性，其转换效率的高低和带 负载能力的强弱直接限制了它的应用范围。方波逆变是一种成本低，较为简单的逆 变方式，它适用于各种整流负载，方波输出的逆变电源电路简单，成本低，但效率 低，谐波成份大，有一定的噪声。 2 2 1 车载逆变系统的基本原理 提出的车载逆变电源主电路采用单向电压型高频链结构，即在直流电源与逆变 电源之间加入了一级高频电气隔离，使该电路具有单向功率流、三级功率变换、变 换效率高、输出电压纹波系数小等优点。为使车载逆变电源能安全可靠的运行，在 整体结构设计中加入了输入过压、欠压、过温、过流、过载等保护电路。系统的整 体框图如下2 4 所示。 图2 - 4 方波逆变器的结构框图 9 华北电力大学工程硕+ 学位论文 目前，构成d c a c 逆变的新技术很多，但考虑到具体的使用条件和成本以及可 靠性，本电源仍然采用典型的二级变换n 刳，即d c d c 变换和d c a c 逆变。逆变电路 首先将1 2 v 的直流电压逆变为高频方波，然后经高频变压器升压后，再经整流滤波 后，得到一个较稳定的约3 2 0 v 直流电压，然后再由逆变桥以方波逆变的方式工作， 将稳定的直流电压逆变成有效值大约2 2 0 v 的方波电压，经l c 工频滤波后就可以得 到有效值为2 2 0 v 的5 0 h z 交流电压，来驱动负载。 方波输出的逆变电源目前多采用脉宽调制集成电路，如s g 3 5 2 5 ，t l 4 9 4 等。实 践证明，采用t l 4 9 4 集成电路，并采用功率场效应管作为开关功率元件，能实现性 能价格比较高的逆变电源，由于t l 4 9 4 具有直接驱动功率场效应管的能力并具有内 部基准源和运算放大器和欠压保护功能，因此其外围电路很简单。 2 2 2 前级升压电路的设计 在车载逆变电源中，一个很重要的因素就是电源的体积不能过大，因此，要达 到电路要求的输出功率，同时变压器的体积又不能过大，最好的途径就要尽量提高 变压器的利用率。变压器原边电压比较低，为了提高变压器的利用率，降低成本， 在相同的开关条件下，综合考虑这三种典型的逆变主电路拓扑结构后，d c d c 变换 采用推挽式电路。推挽式逆变器使用的开关器件只有两个，因而控制电路简单，实 现输出波形的转换也简单，同时具有升压变压功能。所以在中小功率的场合，经常 使用推挽结构的逆变器。一般来说，这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构， 提高了变压器的利用率，降低了成本。图2 - 5 给出了车载逆变电源空载时，丌关管 集电极的电压波形。 ： ： _ 。 ，- - - 一 藕瀵鞴调 ：1 0 u # 石i v ： 图2 5印载逆变电源空载时开关管集电极输出电压波形 分析这个波形可以得出，在采用硬开关方波驱动下，对于推挽逆变主电路，它 的开关管的集电极电压会达到v z d ，而在开关管的通断瞬间所产生的电压尖峰脉冲 通过吸收缓冲回路可以得到一定的控制。 l o 华北电力大学工程硕士学位论文 前级升压主电路如图2 6 所示，由低压输入滤波电感l 1 、滤波电容c 1 、推挽变 换器、高频变压器t 、整流管d 3 - - - d 6 、高压滤波电感l 2 、滤波电容c 2 构成。 图2 6车载逆变电源主电路 1 工作原理 开关管q 1 和q 2 的触发信号间隔1 8 0 度，当给q l 触发脉冲导通时，q 2 无触发 信号处于截止状态。当q 2 导通时，电源电压v 。经原边绕组w ：和丌关管q 2 回到电 源负极性端，电源电压v ；在变压器绕组w 。：上感应出与电源电压v 。相等的电势，同 名端为负极性。开关管q l 导通时，电源电压v 。加在变压器绕组w 同名端为i f 极 性，故副边绕组w z 的电势为一脉宽1 8 0 度的方波交变电压，幅值大小为形等，可 以得出，推挽直流变换器是两个f 激变换器的组合，这两个正激变换器的开关管轮 流导通，因此变压器铁芯是交变的磁通。 变压器原边丌关管q l ，q 2 使用的是m o s f e t 管i r f 3 2 0 5 ，可以利用t l 4 9 4 控制芯 片来驱动开关管。由于在逆变电源接入负载时，变压器原边的电流相对较大，使用 1 0 片开关管分两路并联分流的方式，可以有效的减少每个丌关管的功耗，不至于造 成器件损坏。变压器为高频变压器，磁芯选用软磁材料。高频整流二极管d 3 - - - , d 6 为快速恢复二极管，提高丌关频率可以减小变压器体积，使成本降低，提高该电源 的功率密度。随着丌关频率的提高，开关损耗也随之增加，对散热要求较高，而本 课题采用自然散热方式，不便于散热。同时，变压器体积的减小，绕制较为困难。 本课题中，若开关频率过高，开关管损耗太大，对系统散热要求较高，同时降低了 整个系统效率；若开关频率选得过低，又会使变压器体积增加，导致整个电源体积 增大，成本增加，因此，在实验中选择丌关频率为1 8 k h z 。 2 基本关系式 l l 华北电力大学工程硕士学位论文 设q i 或q 2 导通时间均为t o 、，开关周期为t s ，则占空比d = 2 x - - 麓，当电感电流 连续时，v o = 。鲁；开关管q 1 和q 2 上的电压为。= 2 = 2 ；整流二极管d ：i 。s 上的电压为，= 6 = 2 - 管- t 2 v , 。 可以看出，推挽变换器开关管的电压是电源电压的两倍，适用于低压场合使用。 考虑到输入电压v 。为低压1 2 v ，所以该环节采用p w m 推挽电路；同时考虑到丌关管 最大应力为2 v ；，1 4 v 过电压保护，故功率管选择额定电压为1 4 2 5 = 3 5 v ，额定电 d 流的计算公式为。= j _ 。 7 7 u i m i n 觚 3 铁芯偏磁问题 理想状态下，两个开关管的交替开关，将会使变压器铁一1 2 , 交替磁化与去磁，完 成从原边到副边的电能传递。如果电路完全对称，将不会有偏磁存在。但在实际 电路中，电路不可能完全对称，例如由于开关管的分散性，即使相同型号的管子在 导通时，通态压降可能不同，或两管的开通时间可能不同，会在变压器原边的高频 交流电上叠加一个数值较小的直流电压，这就是所谓的直流偏磁。由于原边绕组的 电阻很小，即使是一个较小的直流偏磁电压，作用时间太长，会使变压器铁心单相 饱和而引起较大的直流磁化，导致器件损坏。所以推挽变换器用电流控制芯片，以 限制流过器件的电流。 4 选取主要器件 ( 1 ) 开关管q 。和q ：的选取 主要考虑的因素是管子承受的反向电压、最大允许通过的电流以及管子的导通 损耗。由于推挽逆变器的开关管承受的最大电压为最高输入电压的两倍，同时应留 有2 3 倍的余量，即u ，。= ( 2 3 ) x2 u m 这里取开关管额定电压为5 5 v 。允许流过 的最大电流为输出最大负载电流，输入电压为最低时的电流，同时还要考虑变压器 的传输效率，同样留一定的余量。这里不小于3 0 a 。出于电流较大，为了减小导通 损耗，应尽可能选择漏射极导通电阻。，小，导通压降小的器件，这旱选择型号为 i r f 3 2 0 5 的m o s f e t ，即u ，o = 5 5 v ，i v , = l1 0 a ，r o s ( o n ) = 8 mq 。如图2 - 7 所示。 1 2 华北电力大学t 程硕+ 学位论文 图2 7 内部结构与外形简图 ( 2 ) 选取二极管 由于工作频率较高，二极管d 。d 6 选取时，要求管子具有- 丌关特性好，反向恢 复时间短，管子能够承受较高的反向电压。快恢复二极管f r d ( f a s t r e e o v e y r d o i d e ) 具有开关特性好，反向恢复时间短、正向电流大、耐压高、体积小、安装简便等优 点。快恢复二极管的内部结构与普通二极管不同，它是在p 型、n 型硅材料中i 自j 增 加了基区i ，构成p - i n 硅片n 。由于基区很薄，反向恢复电荷很小，不仅大大减 小了反向恢复时间，还降低了瞬态正向压降，能使管子承受很高的反向工作电压。 快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百纳秒，正向压降约o 6 v ，f 向电流是几安 培至几千安培，反向峰值电压可达几百到几千伏n 1 。肖特基二极管的反向恢复电荷 进一步减小，使其反向恢复时间低至几十纳秒。肖特基二极管的主要特点是：讵向 压降低，恢复时间快，但缺点是反向耐压低。由此可见，应该选取耐压较高的快速 恢复型。高频整流二极管截止时承受的反向电压为变压器二次侧电压，是高电压， 需留有一定余量，本课题选取耐压6 0 0 v ，通流电流3 0 a 的快恢复二极管，型号为 r h r p l5 6 0 。 ( 3 ) 选取滤波电容和电感 滤波电感l 为输入侧滤波器，流过的电流较大，