（电力电子与电力传动专业论文）单片机控制准谐振纯正弦车载逆变电源研究.pdf

英文摘要 t h er e s e a r c ho faq u a s i r e s o n a n tp u r es i n ev e h i c l e - b a s e di n v e r t e r c o n t r o l l e db ys i n g l e c h i p a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fi n v e a i n gt e c h n o l o g ya n dv a r i e t yo fp o w e re l e m e n t s ，i t i sp o s s i b l ef o rt h ev e h i c l e - b a s e di n v e r t e rt ob e c o m el e s sv o l u m ea n dm o r ee f f i c i e n t ，i n t h i sp a p e r w ew i l ld i s c u s st h ed e v e l o p m e n to fa ni n v e r t e r , w h i c hi su s e di na u t o m o b i l e a n do t h e rv e h i c l e st op r o v i d es i n ew a v ee l e c t r i c a ls o n r o ef o rv a r i o u ss o r t so fd e t e c t i n g a n d c o m m u n i c a t i n ga p p a r a t u s d i r e c t i n gt ot h ed e f e c t so ff o r m e rp o w e r si ne f f i c i e n c ya n dw a v eq u a l i t y , d u r i n gt h e w h o l ed e s i g n ，w ep a ym o r ea t t e n t i o nt oh i g h e f f i c i e n c ya n dp u r es i n ew a v e t h e d o m i n a n ti d e ai st h a t ，w ef i r s tm a k es u r et h a tg t ri sw o r k i n gi nt h ea m p l i f ya r e a ，t h e n t a k et h eo a t p u t so ft w oq u a s i r e s o n a n tc i r c u i ts e p a r a t e l ya sp o w e rs u p p l yf o rt w og t r s ， i nt h i ss i t u a t i o n ，w e 啪a c t u a l i z et h ea m p l i f i c a t i o no fs i n ew a v es i g n a l ，a n df i n a l l yg e ta p u r es i n ev o l t a g ei nt h el o a d t h ed e s i g no ft h ei n v e r t e ri n c l u d e st h r e ep a r t s ，t h em a i n c i r c u i t ，t h eh a r d w a r ec o n t r o lc i r c u i ta n dt h ea v rs i n g l e c h i ps y s t e m t h e r ea r et h r e ep a r t si nt h em a i nc i r c u i t ，r e c t i f y i n gp a r t , q u a s i r e s o n a n tp a r ta n d g t ra m p l i f i c a t i o np a r t a n da l s ot h r e ep a r t si nt h eh a r d w a r ec o n t r o lc i r c u i t ，t h e s ea r e g t rc o n t r o lc i r c u i t ，v o l t a g ea n dc u r r e n td e t e c t i n gc i r c u i ta n dv o l t a g ef e e d b a c kc i r c u i t a v r s y s t e mc h e c k st h es y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l ，a n dt h e nd e l i v e r ss i xc o n t r o li m p u l s e s ， a n dd i s p l a y ss a m p l i n gs i g n a li nr e a lt i m e i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt h ea b o v es e q u e n c e , w ew i l li n t r o d u c e e v e r yp a r ti nd e t a i l i nt h ee x p e r i m e n t a ls t a g e ，w eh a v ef i r s ts i m u l a t e dt h em a i nc i r c u i tb yp s p i c e s o f t w a r e ，a f t e rm a k i n gs u r et h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n , w eh a v ec o m p i l e ds o f t w a r eo f t h es i n g l e c h i p ，d r a w nc o n t r o lc i r c u i tb o a r da n dt h e nc o n n e c t e da n da d j u s t e dt h ew h o l e h a r d w a r ec i r c u i t f i n a l l y , w eo b t a i n e dap e r f e c te x p e r i m e n t a lr e s u l ta n dm a d eaf u r t h e r c e r t i f i c a t i o no ft h ef e a s i b i l i t yo ft h ew h o l ed e s i g n k e yw o r d s ：q u a s i - r e s o n a n tc i r c u i t ；p u r es i n e ；a v rs i n g l e c h i ps y s t e m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：望丘扭丝剑准堂拯纯正弦奎魏逆变电逦盟塞：。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：拂d 7 年- ；月) 6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：都导师签考：弘 日期：夕矿夕月加 单片机控制准谐振纯正弦车载逆变电源研究 第1 章绪论 1 。1 逆变电源的发展现状及前景 1 1 1 逆变电源的广泛应用【1 l 现代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 等显著优点而受到青睐，可以说逆变电源从问世以来就引起了国内外电源界的普 遍关注。随着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、电 子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器中。近年来随着电子信息产业的飞速发 展，人们对逆变电源的需求也与日俱增，逆变电源也因此显示了其强大的生命力。 1 1 2 逆变电源的发展趋势 在传统的逆变电源采用模拟控制无法克服其固有缺点的情况下，人们越来越 多地求助于数字化方案来减小控制电路的复杂程度，提高电源设计和制造的灵活 性，同时采用更加先进的控制方法来提高逆变电源系统的输出波形质量和可靠性。 因此，由模拟控制向数字控制的转变是逆变电源发展的必然趋势。 逆变电源虽然发展历史不长，但是发展速度迅速，它是一种更新换代的革命 性电源。逆变电源在现代援术及新器件的支持下，无论是可靠性还是性能价格比， 以及高效节能方面，都将不断进步和提高。 电力电子功率开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，材料学科的超导材料和软磁材料的惊人发展速度以及智能化控制 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，逆变电源的开发、研制、生产成为发展前景十分诱人的朝阳产 斗k f 2 1 。 1 2 本课题的选题背景及设计思路 在汽车等移动交通工具中，使用车载电源为各种仪器提供工作电源。目前， 作为车载电源的柴油发电机组绝大部分设备陈旧，采用的是七、八十年代以分立 第1 章绪论 元件为基础的模拟控制系统，这类电源系统存在着：分立元件有温漂，易老化；适 应环境能力有限；电源系统调节性能较差，维护工作量大等诸多问题【3 1 。如果从国 外引进高控制性能指标的电源系统( 主要是基于单片机的控制系统或自主开发的专 业芯片控制系统) ，价格昂贵，并且受到部分国家的技术保护，无法引进最新的技 术产品。因此，立足于自主研发我们自己的车载电源是具有深远意义的。 随着逆变技术和各种功率器件的飞速发展，车载逆变电源的小型化、高效化已 成为可能。本课题设计的逆变电源应用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 的正弦电源。 本电源系统的设计主要分为三个部分。第一部分为主电路，包括整流电路、 准谐振回路、g t r 放大电路的设计。第二部分为硬件控制电路，包括g t r 偏置电 路和正弦信号发生器、电压和电流的检测电路、电压反馈电路。第三部分为单片 机系统，由a v r 单片机及其外围电路组成，实现接收同步方波信号，发送六路控 制脉冲，以及对电压电流的采样、检测、实时显示。系统的整体框图如图1 1 所示。 交流输入： 整流电路h 准谐振回路卜lg t v i i 1 5 y k 电路 薹；蕈；i 圄i 网ii西i 电；l _ r j；i l 发生器电路电路i 路；目障罐錾露 正弦输出 章并视；蕊7 一“一否孬i 赫i 奄话7 。 图1 1 整体框图 f i g 1 1w h o l e f r a m e 根据本系统的设计特点，以下给出设计思路的几点说明： ( 1 ) 纯正弦波的产生 目前，大多数的正弦逆变电源都是围绕着s p w m 技术而研发设计的【4 】，设计 者们都在此基础上寻求最优的控制方法，但是无论采取什么样的控制方法，都不 单片机控制准谐振纯正弦车载逆变电源研究 可能在根本上实现纯正弦的输出，因为s p w m 技术的原理导致其只能实现准正弦 波输出1 5 j 而且s p w m 技术的应用，会在电路中引入高频成分，其产生的电磁干 扰对周围器件的工作状况会产生很大的不良影响1 6 1 。 因此，本课题没有采用s p w m 调制技术，而是充分利用g t r 的放大功能。 实现最终输出电压的纯正弦化的思路是：正弦电流作用在任何负载上都能体现出 正弦电压。利用功率器件g t r ，使其工作在放大状态，即g t r 基极输入纯正弦波 信号，基极电流为正弦电流i b = b a s i n m t ，那么集电极的电流也是正弦电流 i ，= 1 3 a s i n ( o t ，连接到集电极的负载上的压降就是纯正弦波电压信号 u o u t = u 。s i n ( o t ，这样就确保输出波形的纯正弦性，提高了输出波形的质量，同时 也不会对周围电路产生高频电磁干扰。 ( 2 ) 高效率的实现 为了提高整个电源的工作效率，将准谐振回路的输出电压作为g t r 的工作电 压，图1 2 和图1 3 中的阴影部分分别表明了工作电压为正常直流电压和准谐振回 路输出电压两种情况下g t r 的管压降。显然，利用准谐振回路的输出电压作为 g t rt 作电压大大降低了管压降，使得电源的整体效率得到很大的提升。 u t 图1 2 g t r 工作电压为直流的情况 f i g 1 2t a k i n gd i r e c tc u r r e n tv o l t a g ea s g t r so p e r a t i n gp r e s s u r e u 图1 3g t r 工作电压为准谐振电压的情况 f i g 1 3t a k i n gq u a s i r e s o n a n tv o l t a g ea s g t r so p e r a t i n gp r e s s u r e ( 3 ) 控制部分的数字化 在系统中，采用了a v r 单片机系列中的a t m e g a l 6 l 型号芯片，其不只用于 检测、显示，还参与主电路的控制。即a t m e g a l 6 l 接收同步方波信号，按照时序 第1 章绪论 完成准谐振回路中六个开关管的控制脉冲的发送，这样就充分发挥了数字电路的 高速性和高精度性，增加了系统的集成度，以及调试的便捷性和灵活性。 后续章节中，将给出以上三个方面的详细介绍。 单片机控制准谐振纯正弦车载逆变电源研究 第2 章逆变电源主电路的设计和仿真 2 1 主电路的整体设计 主电路的设计包括三个部分：整流电路、准谐振回路、g t r 放大电路。 2 2 整流电路 本课题设计的电源的电能来自于一台高频发电机，此电机能够提供 5 0 0 v 4 0 0 h z 的三相正弦波交流电压。三相交流电压输入以后，直接进行不可控全 桥整流。这种整流电路的优点是结构简单、成本低，可靠性高。电路如图2 1 所示。 图2 1 整流电路 f i g 2 1r e c t i f y i n gc i r c u i t 出 图2 1 中，交流电输入的有效值为5 0 0 v ，整流二极管承受的反向电压的最大 值为5 0 0 6 v 。整流后经过滤波，得到的电压u 0 ，其值约为1 1 7 0 v 。 根据系统的设计，需要一个直流电压做为准谐振回路的输入电压，显然直接 取u o 作为准谐振回路的输入电压是不合适的，所以采用电容c 1 和c 2 进行分压， 调整电容c 1 和q 的容量，就可以调整其各自的分压。取电容c 2 上的分压u i 作为 准谐振回路的直流输入电压。 2 3 准谐振回路的设计 2 3 1 串联准谐振的电路分析 串联准谐振的电路如图2 2 所示。 第2 章逆变电源主电路的设计和仿真 图中： u 谐振电源； c r 一谐振电容； ) s 一反并联二极管； 图2 2 串联准谐振电路 f i g 2 2s e r i e sq u a s i - r e s o n a n tc i r c u i t k 一谐振电感； s 一辅助开关； f 回以开关s 闭合时刻为起点，分阶段分析电路在空载情况p 明工作原埋 其中电容电压u 。和电感电流i 。的参考正方向依照图2 2 中所标示的方向。分析过 程中参照u 。的变化波形图2 3 ( a ) 和i 。的变化波形图2 3 。 为了便于分析，先将有关公式列出。根据基尔霍夫电压、电流定律 7 1 ，得到如 下关系式： u 一l ，百d i u + u 口 ( 2 1 ) c r 訾吨 ( 2 2 ) to t l 时间段：t 0 时刻之前，开关s 处于断开状态，电路中各个元件上的能量 为0 。t o 时刻s 闭合，电容开始充电，电容电压为正，根据式( 2 1 ) 可知，电感电压 为正，方向为左正右负，即旦 0 ，电感电流开始增加，直到t l 时刻，电容电压 d t u c r = l i , 根据式( 2 2 ) 可知，此时电感电压为o ，即旦d 立t = o ，i 。不再增加，谐振电 流诀到诈向最大信。 单片机控制准谐振纯正弦车载逆变电源研究 ； ； x 。j 。 t 0 t i “ ( b ) 图2 3 ( a ) 电容电压波形( b ) 电感电流波形 f i g 2 3 ( a ) c a p a c i t a n c e - v o l t a g ew a v es h a p e ( b ) i n d u c t a n c e - c u r r e n tw a v es h a p e t l t 2 时间段：t l 时刻开始，因为电感中电流不能突变，所以回路中的电流方 向仍为正，继续给电容充电，u 。 u ；，根据式( 2 1 ) 可知，l ，两端电压为负值，即 方向为左负右正，因此谐振电流i 。正向变小，电容继续充电：直到t 2 时刻，i 。减 小为0 ，根据式( 2 2 ) 可知，璺：! = 0 ，电容电压不再增加，谐振电压达到峰值。 a t t 2 t 3 时间段：t 2 时刻，谐振电压达到峰值，同时电感电压达到负向峰值，电容 两端电压不能突变，根据式( 2 1 ) 可知，电感电压仍为负值，即等0 ，电流反向增 加，经反并联二极管v d 。构成回路，同时电容开始放电。直到t 3 时亥，u 。= u i ， 电感两端电压为0 ，= = 0 ，电流i 。不再反向增加，此刻谐振电流达到反向峰值。 u t 3 t 4 时间段：t 3 时刻，u o = u i ，i 。达到反向谐振峰值，因电感电流不能突 变，回路电流依然为反向，即电容继续放电，电感电压为正，根据式( 2 1 ) ，警 o ， 电感电流反向减小，直到t 4 时刻，u 。= 0 ，电容放电结束，同时关断开关s ，至 此完成一次准谐振。 第2 章逆变电源主电路的设计和仿真 2 3 2 准谐振电压的计算 2 3 2 1 空载情况下 根据式( 2 1 ) 、( 2 2 ) ，能够写出串联准谐振回路中关于准谐振电压的二阶微分方 程： l r c ，了d 2 u c r + u 。= u ( 2 3 ) 其特征方程为： p 2 + 去- o 眩a ， 特征根为： p = j ( 2 5 ) 因为特征根是一对共轭复数，根据二阶电路响应特性嗍，属于欠阻尼响应。对 应的齐次方程的解的形式为： u c r l ( t ) = e “( 3 i c o s c o d t + b 2 s i nd t ) ( 2 6 ) 其中，因特征根的实部为零，所以a = 0 。( 9 d = 响应为： ，整理得到电路的固有 u 。，o = b l e o s 。丢t + b 2 s i n 。丢t c z ， 根据输入电压，可以写出电路的强制响应为： u c r 2 ( t ) - u 因此，二阶电路的全响应为： u 。( t ) = u 。，( t ) + u 。：( t ) 一e o o s r q t + b 2 s i n 。毕1 ；t + u ( 2 8 ) ( 2 9 ) 压 单片机控制准谐振纯正弦车载逆变电源研究 电路中，零时刻前后，电容电压为零，电感电流为零，因此有： u 。( 0 + ) = a c e ( o 一) = 0 ( 2 1 0 ) c ，掣1 0 + t d u c , ( o | 0 = 。 ( 2 将式( 2 9 ) 分别带入式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 得到： u i + b 1 = 0 ( 2 1 2 ) b z 砖- o 解得b ，= - u i ，b ：= 0 ，经整理写出电压的全响应为： 叫归u ；卜压t ) 亿1 4 ) 也能写出电流的全响应为： “t ) - c r u ，压咖压t 仫 可见，计算结果与前面的分析结果是一致的，而且能够得出准谐振频率和准 谐振电感、电容的数值关系为： ：峰 ( 2 1 6 ) 2 1 两 汜 2 3 2 2 带载情况下 准谐振带有阻性负载情况的电路如图2 4 所示。根据基尔霍夫定律可以写出二 阶微分方程： l r c 。掣+ i l , t d u c r ( t ) + u c r 叫 ( 2 1 7 ) 解微分方稗，得到特征根为： 1 p 2 一2 r l c , ( 2 1 8 ) 第2 章逆变电源主电路的设计和仿真 图2 4 带阻性负载的串联准谐振电路 f i g 2 4s e r i e sq u a s i - r e s o n a n tc i r c u i tw i t hr e s i s t a n c el o a d 根据二阶应尚。 2 层时，尼槭一 啪m 。叫脚西习乒n 霸习t ( 2 1 。， 根据零时刻电容上电压和电感上电流为零求得： b i = 一u i b 2 2 整理得到准谐振电压为： u 口( t ) - u ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 单片机控制准谐振纯正弦车载逆变电源研究 准谐振电压的表达式( 2 2 2 ) 相对比较复杂，无法通过简单的波形合成得到电压 的波形图。所以，采用m a t l a b 对式( 2 2 2 ) 进行仿真【9 1 ，如图2 5 所示。 7 图2 5 准谐振电压仿真结构图 f i g 2 5s i m u l a t i o ns t r u c t u r a lp a t t g mf o rq u a s i - r e s o n a n t v o l t a g e 图2 6 准谐振电压仿真波形 f i g 2 6s i m u l a t i o nw a v e f o r mo fq u a s i - r g s o n a n tv o l t a g e 仿真时，设定参数为：r 。= 2 0 0 q 、c r = 4 7 p f ，l ，= 5 4 m h ，得到如图2 6 的 准谐振电压仿真波形。可见，准谐振回路带有阻性负载时，准谐振电压不能够谐 振到零，也就是说，当开关s 断开的时刻，电容两端是有电压的。 以上讨论了电路负载为阻性的情况，当电路中带有阻容性负载时，负载中电 容分量相当于增加了准谐振电容的值，因此会在一定程度上减小准谐振频率，但 是准谐振电压的变化趋势和阻性负载情况下是一致的；而当电路中带有阻感性负 第2 章逆变电源主电路的设计和仿真 载时，无论是从理论上定性分析还是从表达式上定量分析都比较复杂困难，因此 采用p s p i c e 软件对电路进行仿真来分析，仿真结果将在2 5 节中给予介绍。 2 3 3 准谐振回路的参数确定 在本系统的设计中，准谐振电压为工作在放大区的g t r 提供工作电压，从而 在负载上得到正弦波电压，原理电路如图2 7 所示。 了r 图2 7 准谐振电压、负载、g t r 三者的电压关系示意图 f i g 2 7g e n e r a lv i e wo fr e l a t i o n s h i pa m o n gq u a s i - r e s o n a n tv o l t a g e ，l o a da n dg t r 很容易写出电压羞系： u 。( t ) = u 。( t ) + u 。( t ) ( 2 2 3 ) 为了提高电路的工作效率，显然u 。( t ) 越小越好，即u 。，( t ) 和u o u t ( t ) 的差应 尽可能小，也就是说，u 。( t ) 应尽可能的包络正弦半波。而通过上两节的分析和计 算可知道u 。( c ) 并不是纯正弦信号，其变化趋势等i b - j - 于1 - c o s f o t ，为了找出刚好能 被1 一c o sc o t 包络的正弦波，从而能够充分利用准谐振电压，下面通过m a t l a b 仿 真对以下几个函数波形进行比较。 牡硫( 争罢) x f 伍) = 1 - c o s c o x f ( x ) = 2 s i n 罢x z f ( x ) ：2 s i n f 罢 z 单片机控制准谐振纯正弦车载逆变电源研究 地面( 争嚣) x 盼2 咖( 篱) x t i | e ( b ) 图2 8 不同频率波形的仿真f l o j h i h g 2 8s i m u l a t i o no f w a v e sw i t hv a r i o u sf r e q u e n c i e s ( 2 2 4 ) 仿冥时，取= 2 0 0 。观祭图2 8 中七路波形，司以看到，函数f ( x ) = 1 一x ) s o ) x 能够包络的函数只有f ( x ) = 2 s ；n ( 詈嚣) x 和f ( x ) = 旒( 罢等) x ，相比之下， f ) = 1 一c o s x 对自( x ) = 2 s i l l ( 詈嚣) x 的包络程度最好，把这一对波形拿出来单独 讨论，观察这两路波形，可以计算出，如果希望准谐振电压能够包络角频率为q 的 正弦半波，且此正弦半波的峰值与准谐振电压相同，准谐振电压的频率应该满 足： 她等 ( 2 2 5 ) 在相位上，设准谐振电压由负到正过零点的时刻为t ，正弦半波由负到正过零 2 5 ， 5 o 5 ， 5 2 2 协 ， ” o 帖 一 惦 c ：l 第2 章逆变电源主电路的设计和仿真 点的时刻为t 2 ，则t 。和t ：满足关系式： 卜铲 去卜 汜z e ， 在本系统中，要求准谐振电压包络5 0 h z 的正弦半波，即q = 3 1 4 ，根据式( 2 2 5 ) ， c a ) os4 4 6 1 1 ，l 玟( o o = 4 4 6 1 1 ，即准谐振频率为7 1 h z ，根据( 2 1 6 ) 可以得到准谐振电 容和电感的关系为： l ，c ，= 5 0 2 4 8 6 x 1 0 4 ( 2 2 7 ) 再根据式( 2 2 6 ) ，可以计算出t l - t 2 = 0 0 0 2 0 4 3 s 。 对f ( x ) = 1 - c o s 4 4 6 1 1 x 和f = 2 s i n 3 1 4 x 进行仿真，得到的比较波形如图2 9 所示。 t i m e ( m 旬 图2 9f ( x ) = 1 - c o s 4 4 6 1 l x 与f ( x ) = 2 s i n 3 1 4 x 的波形比较 f i g 2 9 w a v e f o r m c o m p a r i s o n o ff ( x ) = 1 一c o s 4 4 6 1 1 x a n df ( x ) = 2 s i n 3 1 4 x 可见，只要截取图2 9 中a 到b 时间段的准谐振电压做为g t r 的工作电压就 可以了。这就需要在负载端放置开关管，而且因为b 点的谐振电压不为零，还要 考虑增加电容放电环节。经过对准谐振电路进行修正，得到电路如图2 1 0 所示。 需要注意的是，图2 9 反映的是一种理想状态，考虑到实际电路中负载输出电 单片机控制准谐振纯正弦车载逆变电源研究 压是存在波动的，因此在实际电路调试时，准谐振电压的峰值与负载输出电压的 峰值的包络度不能太紧，应留有一定的空隙。 v d s 图2 1 0 修改过的串联准谐振电路 f i g 2 1 0m o d i f i e ds e r i e sq u a s i - r e s o n a n tc i r c u i t 2 3 4 两路准谐振的配合工作 一路串联准谐振回路只能输出一路准谐振电压，包络一路正弦半波，所以要 得到完整的正弦波输出，就需要两路准谐振回路相互交替工作，分别为两个g t r 提供半波工作电压，这样才能在负载上得到完整的正弦波电压。两路准谐振电路 如图2 1 1 所示。 v d s l 图2 1 1 两路准谐振的电路图 f i g 2 1 1c i r c u i to f t w oq u a s i r e s o n a n t s 第2 章逆变电源主电路的设计和仿真 由图2 1 1 可见，两个准谐振回路能够配合工作的电路要比一个准谐振回路单 独工作复杂一些。图中总共使用了六个开关管，这六个管子的控制脉冲是具有时 序性的。时序如图2 1 2 所示。 ； ： ： ： ! ! 5 - 1 q - 。i溢h 。1 ；， 2 c1 5 l1 d i flo h ii j - sz 如# 2 j 。3 0 k 、 - 言h h _ 5 01 d- i j嘉h 2 i 3 0g1 江o m 如-1 ；2 矗。2 j 0 l o 0 1 1 t t t 1 ! ： _ 一 ! 一 图2 1 2 六路脉冲波形图 f i g 2 1 2w a v e f o r mo fs i xp u l s e s 单片机控制准谐振纯正弦车载逆变电源研究 在图2 1 2 中，脉冲u 1 、1 1 2 、u 3 、u 1 1 、1 1 2 2 、1 1 3 3 分别为开关s l 、s 2 、s 3 、s l l 、s 扔 s 3 3 的控制脉冲。下面按照时序，从零时刻开始，对这六路脉冲的设计和电路工作 状态的变化给予分析。 在分析时，将由u j 、k 1 、g l 构成的准谐振回路称作“准谐振回路1 ”，将由 u i 、l 1 1 、g 1 1 构成的准谐振回路称作“准谐振回路“2 ”。 0 2 0 5 m s 期间，准谐振回路1 中，控制脉冲u 2 为高电平，开关管s 2 导通， 准谐振回路1 开始谐振，控制脉冲u 3 为低电平，开关s 3 断开，准谐振回路1 不向 负载供电；准谐振回路2 中，控制脉冲u 2 2 、u 3 3 为高电平，开关管$ 2 2 、s 3 3 导通， 准谐振回路2 处于谐振状态并向负载供电。 2 0 5 1 2 0 5 m s 期间，在2 0 5 m s 时刻，准谐振回路2 中，控制脉冲u 2 2 、u 3 3 变 为低电平，开关管s 2 2 、s 3 3 断开，准谐振回路2 谐振结束，脱离电源和负载，同时 控制脉冲1 1 1 1 变为高电平，开关管s 1 1 导通，电容c r l l 开始放电；准谐振回路1 中， 控制脉冲u 3 变为高电平，开关管s 3 导通，准谐振回路1 开始向负载供电。在1 0 m s 时刻，准谐振回路2 中，控制脉冲u 1 1 变为低电平，开关管s 1 1 断开，电容g 1 l 放 电结束，同时开关管s 2 2 导通，谐振回路2 开始谐振，因控制脉冲u 3 3 仍为低电平， 开关管s 3 3 处于断开状态，谐振回路2 并不向负载供电，1 0 1 2 0 5 m s 期间，准谐 振回路2 的工作状况相当于图2 9 中的t 0 a 时间段。 1 2 0 5 2 2 0 5 m s 期间，在1 2 0 5 m s 时刻，准谐振回路1 中，控制脉冲u 2 、u 3 变为低电平，开关管s 2 、s 3 断开，准谐振回路1 谐振结束，脱离电源和负载，同 时控制脉冲u 1 为高电平，开关管s l 导通，电容g l 开始放电；准谐振回路2 中， 控制脉冲u 3 3 变为高电平，开关管s 3 3 导通，准谐振回路2 开始向负载供电。在2 0 m s 时刻，准谐振回路1 中，控制脉冲u 。变为低电平，开关管s l 断开，电容g l 放电 结束，同时开关管s 2 导通，准谐振回路1 开始谐振，因控制脉冲u 3 仍为低电平， 开关管s 3 处于断开状态，准谐振回路1 并不向负载供电，2 0 2 2 0 5 m s 期间，谐 振回路1 的工作状况相当于图2 9 中的时间段。 按照以上的时序，两路准谐振回路交替工作，就能够轮流提供包络正弦半波 的准谐振电压，图2 1 3 ( a ) 和2 1 3 ( b ) 为两路准谐振回路输出给负载的电压示意图。 第2 章逆变电源主电路的设计和仿真 ( b ) 图2 1 3 ( a ) 准谐振回路1 的电压示意图 ( b ) 准谐振同路2 的电压示意图 f i g 2 1 3 ( a ) v o l t a g eg e n e r a lv i e wo fq u a s i - r e s o n a n tc i r c u i t1 v o l t a g e g e n e r a l v i e w o f q u a s i - r e s o n a n t c i r c u i t 2 2 4 输出电路的设计 2 4 1g t r 工作原理及特性1 1 2 】 电力晶体管( g i a n tt r a n s i s t o r - - g t r ) 按照英文名字直译为巨型晶体管。主要特 性是耐压高、电流大、开关特性好。是三层结构的双极全控型大功率高反压晶体 管，它具有自关断能力，控制十分方便，并有饱和压降低和安全工作区较宽等优 点，因此在许多电力变流装置中得到广泛应用。g t r 通常采用至少由两个晶体管 按达林顿接法组成的单元结构，应用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。一 般采用共发射极接法，在共射级接法中，电流i 。与基极电流i 。之比为【4 1 ： p ： ( 2 2 7 ) 1 b 单片机控制准谐振纯正弦车载逆变电源研究 1 3 一g t r 的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力，当考 虑到集电极和发射极间的漏电流i 。时，i c 和i 。的关系为： i 。= 1 3 i b + i 。 ( 2 2 8 ) 共发射极接法时的典型输出特性分为：截止区、放大区和饱和区。在电力电 子电路中，g t r 工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区，在开关过程中，即 在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。图2 1 4 是共发射极接法时g t r 的 三个工作区域。在本系统中，g t r 工作在放大区。 图2 1 4g t r 的三个工作区域 f i g 2 1 4t h r e ew o r ka l a so fg t r 2 4 2 纯正弦输出的实现 主电路中，g t r 放大电路如图2 1 5 所示。 u g l r l c = f 图2 1 5g t r 部分的电路图 f i g 2 1 5c i r c u i tc o n e e m i n gg t r 第2 章逆变电源主电路的设计和仿真 图2 1 5 中，u o - q r 1c 、u g t r 2c 由2 3 4 节中介绍的准谐振回路提供。g t r l 和g t r 2 都是工作在放大区，根据其工作原理，需要在g t r t b 和g t r 2 _ b 端加小正弦信 号u 吼。和l l s l l l 2 ，这两路正弦信号的实现在第3 章中将给予介绍。图2 1 5 中r l 表示 负载，u o u t 表示电源的最终输出电压。下面分析如何实现u m n 的纯正弦波形。i o u t 参考正方向为图2 1 5 中所示。 在2 0 5 1 2 0 5 m s 时间段内，如图2 1 6 ( a ) 所示，u 咖l 处于正弦波正半周，因此 可为g t r l 提供待放大的纯正弦电流；同时，u 6 a x lc 经由r l 为g t r l 提供能够包 络正弦半波的工作电压。这样，在负载r l 上就能够产生纯正弦半波电压；这段时 间内，因为u 。i i 2 的波形如图2 1 6 ( b ) 所示，处于正弦负半波，使得g t r 2 工作在截 止区，所以只有g t r 。起到放大作用。根据己设定的参考方向，u 。和u g - m 1c 的示 意波形如图2 1 7 中正半波部分。 图2 1 6 ( a ) u m l 波形( b ) u 。一n 波形 f i g 2 1 6 ( a ) w a v e f o r mo fu s i n lc o ) w a v e f o r mo fi l i m 同样原理，在1 2 0 5 2 2 0 5 m s 时间段内，g t r l 没有工作，只有g t r 2 工作， u o u t i f 0u c , t i 啦c 的波形如图2 1 7 中负半波部分。 可见，由于g t r l 和g t r 2 的交替工作，充分利用了两路准谐振电压，从而在 单片机控制准谐振纯正弦车载逆变电源研究 负载上得以产生完整的纯正弦波输出。 l 王 o v z u g i r 1 c 脚 一 ! + 一1 0 - s ： 图2 1 7g t r 工作电压和负载输出电压对比波形 f i g 2 1 7 w a v e f o m a c o m p a r i s o n o f g t r s o p e r a t i n g p r e s s u r ea n d l o a d v o l t a g e 2 5 主电路的仿真 2 5 1 仿真软件的介绍【1 3 1 p s p i c e ( p o p u l a rs i m u l a t i o np r o g r a mw i t hi n t e g r a t e dc i r c u i te m p h a s i s ) 是美国加州 大学伯克利分校于1 9 7 2 年开发的电路仿真程序后，由伯克利本人改进为著名的 s p i c e 2 电路模拟器发展而来的。随着p c 机的发展，p s p i c e 不断完善，p s p i c e 已发 展到版本9 1 。它分为工业版和教学版。这些版本能在p c 机上完成中、大规模电 路设计，进行模拟电路分析和数字电路分析和模拟一数字混合电路分析( m i x e d a n a l o g d i g i t a ls i m u l a t i o n ) 。对于任何大小的电路，都可以做模拟与数字信号的混 合设计。例如：利用i g b t s 及p w m 等模块，完成d a c s 与a d c s 等的设计，并 能轻易的从窗口中看到同一个时间轴上的模拟与数字讯号的波形。 p s p i c e 相当于一个模拟的“实验台”，它拥有丰富的元器件库、参数模型库以 及种类齐全的测试仪器仪表等，为我们分析和设计电路提供了强大的计算机仿真 工具，在电气工程、电子工程、信息工程和自动控制等领域有很高的实用价值。 第2 章逆变电源主电路的设计和仿真 2 5 2 串联准谐振的仿真【1 4 l 用p s p i e e 软件对串联准谐振回路进行仿真时，首先针对准谐振回路不带负载 的情况进行仿真，仿真电路如图2 1 8 所示。经仿真得到准谐振电压的波形如图2 1 9 所示。从2 1 9 图中可以看到，仿真结果和之前章节中的理论分析和计算是相吻合 的。 亨0 图2 1 8 串联准谐振的空载仿真电路 f i g 2 1 8s i m u l a t i o nc i r c u i to f s e r i e sq u a s i - r e s o n a n tw i t h o u tl o a d 图2 1 9 空载时准谐振电压的仿真波形 f i g 2 1 9v o l t a g es i m u l a t i o nw a v e f o r mo fs e r i e sq u a s i - r e s o n a n tw i t h o u tl o a d 当谐振电路带阻性负载时候，仿真电路如图2 2 0 所示，当负载电阻从2 4 2 q 逐 渐增加到2 9 4 2 k 2 时，得到了图2 2 1 中的各条仿真曲线。可见，当电路中负载电阻 较小时，也就是大电流大功率情况下，负载会对谐振电压产生相对较大的影响。 单片机控制准谐振纯正弦车载逆变电源研究 图2 2 0 阻性负载时串联准谐振的仿真电路 f i g 2 2 0s i m u l a t i o nc i r c u i to f s e r i e sq u a s i r e s o n a n tw i t hr e s i s t a n c el o a d 图2 2 1 带阻性负载时谐振电压的仿真波形【1 5 】 f i g 2 2 1v o l t a g es i m u l a t i o nw a v e f o r mo fs e r i e sq u a s i - r e s o n a n tw i t hr e s i s t a n c el o a d 电路在纯阻性负载( r 。= 1 0 0 q ) 基础上增加感性负载时，经仿真得到波形如图 2 2 2 所示。观察仿真波形，当电感从小逐渐变大时，各条曲线形状比较接近，且 变化趋势与负载为纯阻性时基本相同，可见感性负载不会对谐振电压的产生较大 影响。 电路在阻感性负载( r 。= i o o q ，l l = 3 0 i n h ) 基础上增加容性负载，同样将电 第2 章逆变电源主电路的设计和仿真 容值从小到大变