（电力电子与电力传动专业论文）基于单片机的正弦逆变电源研制.pdf

英文摘要 d e s i g no fs i n u s o i d a li n v e r t e rp o w e rs u p p l yb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e r a b s t r a c t m a n yk i n d so fs u p p l yi np r a c t i c ea r ed cs u p p l y , s u c h 硒s t o r a g eb a t t e r y , s o l a r b a t t e r yg e n e r a t o rs y s t e m ，d y n a m o e l e c t r i cs y s t e mo fw i n de n e r g ya n dw a v ee n e r g y , a n d i ti sn e c e s s a r yt oc o v e r td cs u p p l yt oa cs u p p l yb e c a u s em o s to fe q u i p m e n t sa r e s u p p l i e db ya cs u p p l y f o re x a m p l e ，e m e 唱e n c ee l e c t r i cl i g h tu s e di nf i r ee n g i n en e e d s a c s u p p l y , b u tt h eo n l ys u p p l yi nf i r ee n g i n ei ss t o r a g eb a t t e r y s od cs u p p l yo fs t o r a g e b a t t e r yi sn e e d e dt ob ec o n v e r t e dt oa cs u p p l yo f2 2 0v o l t ，a n dt h ed e s i g no ft h i sk i n d o fi n v e r t e rp o w e rs u p p l yi sm a i n l yd i s c u s s e di nt h ep a p e r i g b t sa r eu s e di nt h es u p p l yt oc o n s t i t u t ef u l lb r i d g ei n v e r tc i r c u i t ，a n dt h ec i r c u i t f o r m st h em a i nc i r c u i to ft h es u p p l yw i t hf i l t e rc i r c u i tw h i c hi sc o m p o s e db y i n d u c t a n c e a n dc a p a c i t a n c e a tp r e s e n t ，s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o nw h i c hi ss o c a l l e d s p w mi sw i d e l yu s e di ni n v e r t e rp o w e rs u p p l y m o s tc o n t r o lc i r c u i t si m p l e m e n t e db y a n a l o gm e t h o da r eq u i t ec o m p l i c a t e da n do fp o o rp e r f o r m a n c eb e c a u s eo fi t si n a d e q u a t e p r e c i s i o n a t m e g a 8 lm i c r o c o n t r o l l e ri su s e dt oi m p l e m e n tt h ec o n t r o lf u n c t i o ni nt h e i n v e r t e rp o w e rs u p p l y , s od i g i t a lc o n t r o lb o t ho ft h eg e n e r a t i o no fs p w m s i g n a la n dp i c o n t r o li sr e a l i z e d i no r d e rt oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo ft h es u p p l ys y s t e ma n dm a k eu s e o ft h ep o w e r f u lc a p a b i l i t yo fm i c r o c o n t r o l l e r , m o n i t o rc i r c u i ti sd e s i g n e dt od e t e c tt h e p a r a m e t e r s o ft h es u p p l ys u c ha s i n p u tv o l t a g e ，o u t p u tc u r r e n t a n dt e m p e r a t u r e t h e r e f o r e ，t h es u p p l yh a sd i a g n o s i sf u n c t i o na n dc a ng i v es o u n da n dl i g h ta l a r mf o ri t s m a l f u n c t i o n t h ec o n s t i t u t i o na n dp r i n c i p l eo ft h es y s t e mi si n t r o d u c e df i r s t l yi nt h ep a p e r , a n d t h e nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei m p l e m e n t so fe a c hp a r ta r ed i s c u s s e d a tt h ee n do fp a p e r , o u t p u tp a r a m e t e r so ft h ei n v e r t e rp o w e rs u p p l ys u c ha sv o l t a g ew a v e f o r ma n de f f i c i e n c y a r ea n a l y z e d a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h eg o a li sb a s i c a l l ya c h i e v e d k e yw o r d s ：m i c r o c o n t r o l l e r ；i n v e r t e rp o w e rs u p p l y ；p ic o n t r o l ；s p w 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_ = ：基王皇兰扭的垂弦逆銮电遂硒剑! 。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，均己在文中以明确方 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： 学位论文版权使用授权书 工沙 7 月 e l 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：导师签 日期：加萨7 月厂日 基于单片机的正弦逆变电源研制 第1 章绪论 1 1 逆变技术的应用及其发展 1 1 1 逆变技术的应用1 1 j 在实际的电源系统中，有时需要把直流电转换成交流电供负载使用，这种把 直流电变回交流电的过程，就是逆变。在已有的很多种电源中，如蓄电池、太阳 能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变。2 1 世 纪是能源开发、资源利用与环境保护互相协调发展的世纪，能源的优化利用与清 洁能源的开发，是能源资源与环境可持续发展战略的重要组成部分。具有世界三 大能源之称的石油、天然气和煤等化石燃料将逐渐被耗尽，氢能源与再生能源将 逐渐取代化石燃料而成为人类使用的主体能源，这种能源的变迁将迫使发电方式 产生一次大变革，使用氢能源与再生能源的高效低污染燃料电池发电方式将成为 主体发电方式。因此，逆变技术在新能源的开发与利用领域有着至关重要的地位。 除此之外逆变技术还有下列主要应用： ( 1 ) 交流电机变频调速：采用逆变技术将市电电网电压变换成幅值可调、频率 可调的交流电供给交流电动机，以调节电动机的转速，可用于控制风机、水泵、 机床、轧机、机车牵引、电梯、传动及空调器等很多领域。 ( 2 ) u p s 电源系统：在许多领域中被广泛应用的计算机、通信设备、检测设备 等都需要采用u p s 电源。u p s 电源主要由整流器( 包括充电器) 和逆变器组成。 在市电有电时，整流器为蓄电池充电；在市电停电时，蓄电池通过逆变器向负载 继续供电。 ( 3 ) 电动汽车：随着汽车数量的不断增加，排放气体对环境造成的污染越来越 严重，已经成为空气污染的主要来源。各大汽车公司均投入巨资积极发展电动汽 车。不管是采用蓄电池的电动汽车还是采用燃料电池的电动汽车，在用交流电动 机作为动力时，都必须用逆变器把电池的直流电能变换成交流电能束驱动交流电 动机。 ( 4 ) 感应加热：中频炉、高频炉及电磁灶等设备都是采用逆变技术产生交流电， 第1 章绪论 从而产生交变磁场，金属在磁场中产生涡流而发热，从而达到加热的目的。 ( 5 ) 谐波治理：市电电网中的谐波，主要是由各种电力电子装置、变压器、荧 光灯等产生的。采用由逆变器制成的电力有源滤波器a p f 和静止无功功率补偿器 s v c ，可以有效地治理市电电网的谐波污染。这是当前正在兴起的- i - j 新技术。 另外，逆变技术在弧焊电源、通信开关电源、医用电源、变频电源以及航空 逆变器等领域都有应用。总之，逆变器技术已经涉及各行各业，以及各种领域的 用电设备。 1 1 2 逆变技术的发展概况 1 9 5 6 年，第一只晶闸管问世标志着电力电子学的诞生，在这个时代，逆变器 继整流器之后开始发展，首先出现的是可控硅s c r 电压源型逆变器。1 9 6 1 年， w m c m u r r a v 与b d be d f o r d 提出了改进型s c r 强迫换向逆变器，为s c r 逆变器 的发展奠定了基础。1 9 6 2 年，a k e m i c k 提出了“谐波中和消除法”，这标志着正 弦波逆变器的诞生。1 9 6 3 年，e g t u m b u l l 提出了“特定谐波消除法”，为后来的 优化p w m 法奠定了基础，以实现特定的优化目标，如谐波最小，效率最优等。 2 0 世纪7 0 年代后期，功率场效应管( p o w e rm o s f e t ) 开始进入实用阶段，这 标志着电力半导体器件在高频化进程中的一次重要进展。进入8 0 年代，人们又在 降低器件的导通电阻、消除寄生效应、扩大电压和电流容量以及驱动电路集成化 等方面进行了大量的研究，取得了很大的进展。功率场效应管中应用最广的时电 流垂直流动结构的器件( v d m o s ) 。它具有工作频率高( 几十千赫至数百千赫， 低压管可达兆赫) 、开关损耗最小、安全工作区宽( 几乎不存在二次击穿问题) 、 漏电流为负温度特性( 易并联) 、输入阻抗高等优点，是目前高频化电力电子技术 赖以发展的主要器件之一。8 0 年代电力电子器件最为引人注目的成就之一就是开 发出双极性复合器件。这种器件兼具有m o s 器件和双极性器件的突出优点，是较 为理想的高频、高压和大电流器件。目前被认为最有发展前途的复合器件是绝缘 栅双极性晶体管i g b t 和m o s 栅控晶闸管m c t 。另外，问世于8 0 年代中期的高 压功率集成电路( h v i c ) 和智能功率集成电路( s m a r tp o w e ri c ) 是电力电子技术 的又一重要发展，现已展现出极其诱人的应用前景。它们是在制造过程中，将电 基于单片机的正弦逆变电源研制 力电子电路同微电子电路一起集成在一个芯片上或是封装在一个模块内产生的。 它们是电力电子同微电子技术紧密结合的产物，是今后微型化电力电子装置的发 展方向。总之，8 0 年代飞速发展起来的场控器件和功率集成电路为实现逆变电源 的高频化和高性能提供了物质基础。 1 9 6 1 年，a s c h o n u n g 和h s t e m m t e r 提出把通信系统调制技术应用到逆变技术， 这就产生了正弦波脉宽调制技术( s i n u s o i d a p w m ，简称s p w m ) 。由于当时开关器 件的速度慢而未得到推广，直到1 9 7 5 年才由b r i s t o l 大学的s r b o w e s 等把s p w m 技术正式应用到逆变技术中，使逆变器的性能大大提高，并得到广泛应用和发展， 也使s p w m 技术达到了一个新的高度。此后，各种不同p w m 技术相继出现，例 如空间矢量p w m 即s v p w m 、随机p w m 、电流滞环p w m 等，成为高速器件的 主导控制方式。至此，正弦波逆变技术的发展已经基本完善。 在p w m 逆变器中，输出变压器和交流滤波电感的体积重量占主要部分。为了 减小输出变压器和交流滤波器的体积重量、提高逆变器的功率密度，高频化仍然 是主要发展方向之一。提高p w m 逆变器开关频率可以减小交流滤波器的体积重 量，但是高频化也存在一些问题，如开关损耗增加，电磁干扰增大。此外，导体 的集肤效应与邻近效应，电容的等效串联电阻e s r 以及磁元件的寄生参数等问题 都需要解决，其中最主要的就是开关损耗和电磁干扰问题。为了解决这些问题， 最有效的办法有两个，一是提高开关器件速度，二是用谐振或准谐振的方式使逆 变开关工作在软开关状态。1 9 7 0 年，f c s c h w a r z 提出了电流谐振技术；1 9 7 5 年， n o s o k a l 提出了电压谐振技术，这两项技术都是用l c 与开关器件同组成一个串 联或并联谐振回路，利用回路在一个开关周期的全谐振使器件工作在零电压转换 ( 串联谐振) 或零电流转换( 并联谐振) 的软开关状态，从而把开关损耗减到零。这 就是最早的软开关方式。这种方式虽然有效，但它不能按照p w m 方式工作。2 0 世纪8 0 年代初，美国弗吉尼亚电力电子技术中心( v p e c ) 对谐振技术进行了改进， 提出了准谐振变换技术，即把l c 回路在一个开关周期中的全谐振改变为半谐振或 部分谐振，这才使软开关与p w m 技术的结合成为可能，并在d c d c 变换器中普 遍采用。软开关技术研究的最终目的是实现脉宽调制p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 第1 章绪论 软开关技术，也就是将软开关技术引进到p w m 逆变器中，使它既能保持原来的优 点，又能实现软开关功能。为此，必须把l c 与开关器件组成一个谐振网络，使 p w m 逆变器只有在开关转换过程中才产生谐振，实现软开关转换，平时则不谐振， 以保持p w m 逆变器的特点。p w m 软开关技术是当今电力电子学领域最活跃的研 究内容之一，是实现电力电子高频化的最佳途径，也是一项理论性最强的研究工 作。它的研究对于逆变器性能的提高和进一步推广应用，以及对电力电子学技术 的发展，都有十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一。 逆变技术虽然发展历史不长，但发展迅速。随着电力电子功率器件向高压、 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，相信 不久的将来，逆变技术一定会进入一个新的发展时代。 1 2 逆变器分类及技术指标 1 2 1 逆变器的分类【2 i 逆变器基本上分为单相和三相两大类，单相逆变器适用于小、中功率，三相 逆变器适用于中、大功率。这两大类又可按下面特点进行归类。 ( 1 ) 按输入电源的特点 电压型( v f i ) ：输入电源为恒压源 电流型( c f i ) ：输入电源为恒流源 谐振环型：谐振交流环和谐振直流环 ( 2 ) 按电路结构特点 全桥式 半桥式 推挽式 其它形式：如单管逆变电路等 ( 3 ) 按负载特点 非谐振式 基于单片机的正弦逆变电源研制 谐振式 ( 4 ) 按输出波形特点 正弦波 非正弦波 1 2 2 逆变器的技术指标1 1 l 逆变器的技术指标，通常有额定容量、逆变效率、功率密度( 功率体积，功 率重量) 、输入电压变化范围、输入电流纹波的峰峰值、输出电压静态精度、负载 功率因数、输出电压波形质量以及可靠性等。其中输出电压波形的质量，可以用 如下的参数来评价。 ( 1 ) 波形的谐波因数h f ( h a r m o n i cf a c t o r ) 第n 次谐波因数h f 定义为第1 1 次谐波分量有效值与基波分量有效值之比。即 h f - - 瓷 ， ( 2 ) 总谐波畸变因数 h i d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o nf a c t o r ) 总谐波畸变因数t h d 定义为各次谐波分量有效值平方之和的开方与基波分量有效 值的比值，即 t h d = 击( 耋研声 ( 1 2 ) u l 、。岛一” 式( 1 2 ) 中，玑、乩分别为基波分量有效值和第n 次谐波分量的有效值，t h d 表征了一个实际波形与基波分量接近的程度，理想正弦波的t h d 等于零。 1 3 逆变器的数字控制 逆变电源的控制方法有传统的p i d 控制、无差拍控制、重复控制和变结构控 制等。随着数字技术的发展，采用微处理器的数字控制使这些控制方法在逆变电 源控制系统中得以实现。数字控制具有硬件电路结构简单、抗干扰能力强、可靠 性高的优点；控制策略的改变只需通过改写软件来实现，控制灵活，调试、维护 方便。以下简要介绍几种控制技术： 第1 章绪论 ( 1 ) 传统的p i d 控制：p i d 控制以其简单、参数易于整定、发展成熟之特点， 广泛应用于工程实践之中，逆变电源的控制也不例外，早期的逆变电源的控制多 采用模拟p i d 控制，在一些厂家最近推出的数字控制逆变电源产品中，也多采用 p i d 控制。当然，单纯利用输出电压有效值反馈或输出电压瞬时值的反馈，采用模 拟p i d 控制器进行调节，其性能存在不足之处。特别是动态性能在具有非线性负 载的情况下，不会令人满意。正因为如此，许多学者及工程技术人员为此进行了 大量的研究，并把输出电感电流及输出滤波电容电流的瞬时值引入控制系统，使 得逆变电源的输出性能得到了很大的改善。然而，尽管如此，庞大的模拟控制电 路使得控制系统的可靠性下降，调试复杂，不易于整定。快速微处理器的出现， 这个问题迅速解决，而且各种补偿措施可以方便地应用于逆变电源的p i d 控制之 中，电压瞬时值、电流瞬时值引入控制系统，使得逆变电源的数字p i d 控制的效 果得到了很大的改善，并在产品中应用成为了可能。针对传统数字p i d 控制存在 的一些问题，各种补偿控制的思路也引入p i d 控制的研究之中，并在逆变电源的 控制中应用。同时，其它控制策略的一些思想也在不断的引入其中，为传统p i d 控制增加了活力。 ( 2 ) 滑模变结构控制：滑模变结构控制利用不连续的开关控制办法来强迫系统 的状态变量沿着相平面中的某一滑模动态轨迹运动。滑模变结构控制的优势在于 其鲁棒性较强，对线性或是非线性系统参变量的扰动和负载的变化都具有不敏感 性，动态响应良好。但滑模控制作为一种较新的控制方法还存在开关频率不固定、 稳态效果不佳、高频开关切换时可能会出现抖振现象、全状态反馈增加了控制器 的成本等问题。对于实际的逆变电源系统，很难找到理想的滑模开关平面。 ( 3 ) 无差拍控制：状态变量的无差拍控制( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) 是数字控制特有的 一种控制效果，它是在控制对象离散数学模型的基础上，通过施加精确计算的控 制量来使得被调量的偏差在一个采样周期时问内得到纠正，早期的无差拍控制是 基于阻性负载假设，负载适应性差，采用扰动观测器可以实时预测负载电流，显 著增强了负载适应性，是无差拍控制的一大改进。针对计算延时影响直流电压利 用率的问题，可以通过双极性p w m 调制方式加以一定程度的改善，或者在算法上 基于单片机的正弦逆变电源研制 采取特殊的补偿措施，但最切实有效的办法还是采用状态观测器控制作用提前一 拍进行。 ( 4 ) 模糊控制：与传统的控制方式相比，智能控制最大的好处是不依赖控制对 象的数学模型。当前应用于逆变电源的智能控制技术主要为模糊控制。模糊控制 器的设计不需要被控对象的精确数学模型，有着较强的鲁棒性和自适应能力：查 找模糊控制表只需要占用处理器很少的时间，因而可以采用较高采样率来补偿模 糊控制规则和实际经验的偏差。模糊控制在理论上可以任意精度逼近任何非线性 函数，但受到当前技术水平的限制，模糊变量的分档和模糊规则数都受到一定的 限制，隶属函数的确定还没有统一的理论指导，带有一定的人为因素，因此模糊 控制的精度有待于进一步提高。 ( 5 ) 重复控制：重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理，其应用目的 是消除非线性负载引起的输出波形的周期性的畸变。重复控制易于实现，能使系 统获得很好的静态性能，但动态性能有待改善。重复控制技术结合s p w m 调制方 式是当前研究逆变电源的热点之一。 1 4 课题来源及设计指标 某消防公司要为其消防灯提供单相交流电源，而我们知道，消防车是移动作 业，而且，在发生火灾的时候，须切断电网电源，故不能从交流电网上获取电能。 因此需要将消防车携带的蓄电池逆变成交流电源供消防灯使用。本课题即来源于 此，其设计指标为：将1 2 v 蓄电池串联起来的4 0 0 v 直流电压逆变为正弦交流电 源。要求输出电压瞻效= 2 2 0 v ：负载最大电流，一= 1 0 a ；频率厂一5 0 h z ；效率 在9 0 以上；具有恒压输出、过热保护、过载保护等功能；同时，逆变电源体积要 尽可能的小，便于安装携带；可靠性高。 第2 章系统组成及工作原理 第2 章系统组成及工作原理 2 1 系统控制方案 由于负载是消防应急灯，对逆变电源输出波形要求不是很高，因此控制部分 采用普通的数字p i d 和s p w m 控制，控制核心为a t m e l 公司的a t m e g a 8 l 系列 单片机。系统中采用两片单片机进行控制，一片完成s p w m 的生成及输出电压的 检测与闭环控制，在此称之为控制单片机；另一片负责电流检测与过载保护、温 度检测与过热保护、输入电压的检测与欠电压保护、按键与液晶显示等，在此称 之为监测单片机。这样采用两片单片机分别完成监测和控制，从而提高了系统的 实时性，使系统运行更可靠。 2 2 系统框图 图2 1 系统框图 f i g2 1s y s t e mc o n s t i t u t i o n 如图2 1 所示，蓄电池组的直流电经单相全桥逆变结构的主电路变换后，再 经过输出滤波器给负载供电。控制电路进行输出电压的检测并完成闭环控制。监 测电路检测输入电压、输出电压、电流检测以及温度的检测并进行相关的保护， 基于单片机的正弦逆变电源研制 另外，监测电路还负责按键及显示，来进行复位处理并将电源的运行参数显示到 液晶屏上。辅助电源用来向驱动电路和控制电路提供相应的工作电压。 值得注意的是，电源上电瞬间，由于单片机还未来得及发出s p w m 控制信号， 此时开关管驱动信号的电平是未知的，而输入电压已经加到逆变电路的直流母线 上，因此将有可能导致桥臂直通现象。为防止这种情况的发生，在输入电路侧加 一个额定电流为2 0 a 的继电器，当电源接入时，单片机先工作并发出s p w m 。当 有按键按下时，单片机发出控制信号使处于常开状态的继电器闭合，4 0 0 v 直流电 才进入逆变主电路，以此解决可能的直通问题。 2 3 辅助电源的设计 2 3 1 电源控制芯片l t l l 7 0 c 0 及其应用 逆变电源的控制部分及驱动部分需要不同的直流电源供电，而输入只有取自 4 0 0 v 蓄电池组的2 4 v 电压。因此将辅助电源设计为2 4 v 输入、5 路输出的开关电 源，输出有一路5 v ，给控制电路供电，一路1 2 v 驱动继电器，3 路2 0 v 作为驱动 电路的电源。与传统的由分立元件或p w m 调制器构成的开关电源相比，单片开关 电源实现了高度集成化，很多设计问题，如功率开关管的设计、过流保护电路的 设计等，已在芯片内部得到解决。电源控制芯片采用凌特公司的l t l l 7 0 c q ，它是 一款具有b u c k 、b o o s t 和反激等多种控制方式的d c d c 控制芯片，且内置 m o s f e t ，开关频率达1 0 0 k h z 。输入电压范围宽，为3 v 6 0 v ，输出功率可达1 0 0 w ， 具有过载保护功能。芯片外观图如图2 2 所示。 t j 删= 1 0 0 c h j a = ”c , n n h , , v i i i 怕p ，f r o m a p p r o x ir na t e 咛 2 5 = c 脚w i t h2 国 s q i n o f1 0 z o o p p e rt o4 5 。c ，w w i t h0 2 0s a i n o f lo z c o p p e r s o m e w h a ti a 料e r 悃l u e sc a l lb e o b t a i n e dw i m a d d l t j o n aic o p p e r i a y e r si nm u t t i l a y e r b o a r d s 。 图2 2l t l l 7 0 c o 外观图 f i g2 2a p p e a r a n c eo fl t l l 7 0 c q 第2 章系统组成及工作原理 l t l l 7 0 c q 反激应用电路如图2 3 所示。图中瞬态电压抑制器d 3 和快恢复二极管 d 2 组成关断过压保护电路；d 1 为快恢复二极管，用于高频整流；r 1 、r 2 组成反 馈电路，由于芯片内部的参考电压为1 2 4 v ，因此只要选取r 1 和r 2 使其阻值之 比为一适当值，则其输出电压就能稳定在某一定值上。 图2 3l t l l 7 0 c o 反激典型应用电路 f i g2 3t y p i c a lf l y b a c ka p p l i c a t i o no fl t llt o c q 由于输出功率不是很高，故本设计中辅助电源采用反激形式，输入为2 4 v ， 但电压可在2 0 3 0 v 之间变化；由于片内m o s f e t 的关断耐压b v 的最小值为6 5 v ， 故稳压管d 3 采用瞬态电压抑制器t v s ，其型号为p 6 k e 3 0 ，稳压值为3 0 v ；另外， 根据电流及频率的要求，选择快恢复二极管d 1 及d 2 的型号为u f 4 0 0 7 。需要注 意的是，稳压管d 3 的选择。设计之初，曾选d 3 的的型号为p 6 k e 2 5 ，稳压值为 2 5 v ，虽然也可保护片内m o s f e t ，但当m o s f e t 关断时，变压器原边引起的关 断过电压被d 3 吸收，而由于d 3 的稳压值低，故吸收电流很大，这样就不仅增加 了原边电流，还使得向副边传递的功率减少，从而造成无法向负载提供一定的功 率。将d 3 由p 6 k e 2 5 换成p 6 k e 3 0 ，则问题得到解决。 基于单片机的正弦逆变电源研制 2 3 2 高频变压器的设计 高频变压器是开关电源的重要组成部分，根据辅助电源的输入输出及工作频 率( 1 0 0 l c a - 壬z ) ，所设计的高频变压器需满足以下要求：输出功率p 为2 0 w ：输入 为2 0 v - - 3 0 v ；五路输出分别为一路5 v ，一路1 2 v ，和三路2 0 v 。 根据要求，选取p q 3 2 3 0 型号磁芯做为辅助电源的反激变压器的磁芯。p q 3 2 3 0 磁芯尺寸为高0 2 0 4 5 ) m m ，p q 3 2 3 0 铁氧体磁心的有效中心柱截面积a 。= 1 5 4 c m 2 ，它的骨架可绕线窗口面积aq - 0 9 * 0 4 - - 0 3 6 c m 2 ，因此p q 3 2 3 0 的功率 容量乘积为a r 芒- a 。aq = o 3 6 1 5 4 = 0 5 5 4 4 c m 4 。从开关电源的变压器功率容量计算 可知1 1 0 l ： 4 4 心= 丽丽p r l 0 6 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，弓是变压器的标称功率( w ) ，取1 5 w ：既是最大磁感应强度( g ) ， 取1 5 0 0 g ，即工作磁通密度取三分之一的饱和磁通密度；，7 是变压器的效率，取 o 8 5 ；五是变压器的开关频率，取l o o k h z ；6 是绕组的电流密度，取2 0 t s d m m 2 ； k 是窗1 7 1 的铜填充系数，取值为o 4 ；砗是磁心的填充系数，对于铁氧体磁= 1 0 。把上述数据代入( 2 1 ) 式计算，可得到以下结果： 彳；彳。以：垒型一一。o 0 7 4 c m 024口22x085x100 x103x1500 x2x04x10。o 4 前面已得到p q 3 2 3 3 的功率容量乘积为0 5 5 4 4 c m 4 ，比0 0 7 4 4 c m 4 数值约大7 5 倍， 如果按5 0 的裕量来计算，在1 0 0 k h z 开关频率工作时，p q 3 2 3 0 的输出功率可达 到5 6 w ，因此，设计值为1 5 w - - 2 5 w 是留有充分余地的。 由于单端的反激式变换器中的变压器，在开关管导通期间只储存能量，而在 截止期间才向负载传递能量，因此这种变压器既是变压器，又是储能电感。它的 设计方法与其他变换器不同，在磁路中加气隙，可降低剩余磁场，提高磁心的直 流磁场强度，使之能够承受较大的电流安匝数，防止磁心出现饱和，并且能通过 第2 章系统组成及工作原理 调节气隙来得到所需的电感量。现在估算原边绕组电感量及原副边绕组匝数。 ( 1 ) 先计算原边绕组( 即初级绕组) 的电感量，可按下式进行： 扣簧 亿2 ， 式( 2 2 ) 中，e 是输入直流电压，取e = + 2 4 v ；t 是高频开关电源的工作周期， 取值t = 1 0 a s ，对应工作频率为l o o k h z ；t o u 是主功率开关管导通时间，设最大 占空比为0 5 ，则最大导通时间为5 0 比s ；是电源的输入功率，它与输出功率弓 的关系式为：乞- ，7 岛，取效率呀= o 8 5 ，p o = 1 5 w ，则= 1 5 0 8 5 - 1 8 w ，代 入上式得到原边绕组电感量0 为： 三p 。2 4 2x ( 5 x z l o - 6 ) 21 0 3m h = 0 0 4 m h x m 1 - - 1 m l - i 上j na e 了一工u 7 2 1 0 1 0 6 1 8 ( 2 ) 再计算原边绕组最大峰值电流，p ： ，p；!至垒生；焉24x5x10-,s；3a ( 2 3 ) 1 l 。0 0 4 x 1 0 一 ( 3 ) 计算原边绕组匝数p 。根据以下公式 ，；一拿丛兰! 堡：生兰生兰! q ： ( 2 4 ) 1 4 ( 吃一e ) a e ( 吃一耳) z i 边 麟p = 裂揣_ 7 7 9 匝，取8 匝。 由于加气隙后的剩余磁感应强度很小，故工作磁密可取二分之一的饱和磁密，即 取吃= 2 5 0 0 g s ，则原边绕组匝数减少到4 匝；如果取吃= 2 0 0 0 g s ，原边绕组匝 数变为6 匝，可见匝数的调节有一个较宽的范围。但理论值只能作为参考，最佳 绕组数据需要通过反复实验来确定，这里采用的是原边6 匝。变压器的气隙是在 不断实验过程中得到的，取0 0 4 r a m 。 基于单片机的正弦逆变电源研制 ( 4 ) 计算副边匝数。因为电源的输出要求三路2 0 v ，一路1 2 v ，一路5 v 的五路 输出，则变压器的副边输出需五路，对2 0 v 输出驱动的匝数设计，可通过以下公 式计算t 丝；k ( 2 5 ) n sv 其中，。；。为原边最小输入电压，为原边匝数，s 为副边匝数，为整流滤 波输出脉冲的最大值。由于整流管u f 4 0 0 4 的正向压降为1 0 v ，故输出平均电压吃 = 2 0 + 2 0 x 1 0 + 1 0 = 2 3 0 v ，本电源按最大占空比5 0 来计算，则 - 等| 4 6 ，由公式( 2 5 ) ，贝l j 惫一等置0 5 。由此可得2 0 v 驱动的变压器 副边匝数为虬= 1 2 匝，同理可以计算出，1 2 v 一路的匝数为虬2 = 8 匝，5 v 一路 的匝数为虬。= 4 匝。变压器绕线工艺采取分层叠绕式，为了增强变压器的绝缘性 并使分布电容不要过大，在绕制过程中层与层之间夹三层绝缘胶带纸。 第3 章主电路的分析与设计 第3 章主电路的分析与设计 3 1 主电路拓扑结构及工作原理 i p巴 彗a 一基 0 2 i 叫k 】函丰q i k i 一 _ j一= 岱 = c s l ，、，一、，一、，、 = _ b a n , r y i l ， 巴 函牛。 一 0 4 i 一k 】函丰0 i k i r 图3 1 主电路图 f i g 3 1m a i nc i r c u i t 由于输入为直流4 0 0 v ，采用半桥逆变将导致输出电压过低，故主电路采用全 桥逆变加l c 输出滤波的结构，如图3 1 所示。控制方式采用单极性s p w m ，开关 管q 1 和q 2 的控制信号为互补的s p w m 信号，q 3 和q 4 各导通1 8 0 。对应的波 形如图3 2 所示。 |1nr 几0 一 图3 2i g b t 开关波形 f i g3 2s w i t c hw a v e f o r mo fi g b t 基于单片机的正弦逆变电源研制 开关过程分析：对于输出正弦波频率为5 0 h z 时，在前1 0 m s 内，当q 1 和q 4 导通时，直流电源向负载供电并给输出滤波电感充电，q 1 关断后，q 4 继续导通， 电感电流通过q 4 及q 3 的反并联二极管续流。当1 0 m s 结束时，q 1 和0 4 都关断， 则电感电流通过与q 2 和q 3 反并联的二极管向电源充电。在后1 0 m s 内，情况与 此类似。 3 2 开关管的选择 3 2 1i g b t 的原理及特点【2 】 绝缘栅双极晶体管( l q s u | a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r - i g b t 或i g t ) 也是三端 器件，具有栅极g 、集电极c 和发射极e 。它是由m o s f e t 和双极性晶体管复合 而成，因而综合了g t r 低导通压降和m o s f e t 高开关频率的优点，成为中小功 率的逆变电源的首选器件。i g b t 的驱动原理与电力m o s f e t 基本相同，它也是 一种场控器件。其开通和关断是栅极和发射极之间的电压“g e 决定的，当“傩为正 且大于开启电压u 时，m o s f e t 内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而 使i g b t 导通。由于存在基区电导调制效应，i g b t 器件的通态压降低，其数量级 同于双极性晶体管。但因引入少子行为，故存在少子的存储现象，因此开关速度 比m o s f e t 慢。它的另一个缺点是有比较长的拖尾电流，会增加开关损耗，这也 是限制i g b t 频率提高的一个因素。值得注意的是，i g b t 管的反向电压承受能力 很低，只有几十伏，因此i g b t 一般内置反并联的快恢复二极管。总的来看，i g b t 具有下列特点： ( 1 ) i g b t 的开关速度高，开关损耗小，据统计，i g b t 电压在1 0 0 0 v 以上时的 开关损耗只及g t r 的1 1 0 ，与m o s f e t 相当。 ( 2 ) i g b t 的通态压降比m o s f e t 低，特别是大电流区段。 ( 3 ) i g b t 的通态压降在1 2 或1 3 额定电流以下区段具有负的温度系数。因此， i g b t 在并联使用时具有电流自动调节的能力，即易于并联的特点。 ( 4 ) i g b t 的输入特性与m o s f e t 相似，输入阻抗高，它在驱动电路中作为负 载时呈容抗性质，其栅电荷曲线如图3 3 所示。 第3 章主电路的分析与设计 一v d 舯 一乃 7 夕 钐 r 夕 | v d s () g q g t o t a lg a t ec h a r g e 基丁：单片机的正弦逆变电源研制 开关过程只受逆变电路中的寄生成分影响时，则将其定义为硬开关。电路中寄生 参数的影响及寄生参数之间的振荡，使开关管在硬开关状态下的开关损耗增加， 产生电流或电压尖峰，电磁干扰严重。当采用外加的电感和电容来延缓开关过程 时，这就是缓冲电路的作用。事实证明，缓冲电路确实可以减少开关损耗，提高 逆变效率。 3 3 1 减小关断损耗 在逆变电源中，开关损耗是一个非常重要的问题，开关损耗是管子损耗的主 要部分，它影响到逆变电源的效率、散热的设计甚全开关管的寿命。造成开关损 耗的原因是管子处于硬关断的条件下，管子开通( 关断) 时，其两端电压的上升 ( 下降) 与电流的下降( 上升) 有重叠区域。在逆变电源中采用在每个i g b t 的集 电极和发射极并联一个高压瓷片电容( 如图3 1 的c l - , e 4 ) 作为缓冲电路来减小开 关损耗。其原理是：当i g b t 关断时，直流电源向缓冲电容充电，这样就把关断电 流转移到缓冲电容上，而i g b t 的电流迅速下降到零。同时，因为缓冲电容上的电 压缓慢上升，所以i g b t 关断时，其两端的电压也缓慢上升，大大减小了电压上升 和电流下降时的重叠区域，从而形成了软关断。这样就不仅降低了关断时的损耗， 也使关断时的d u d t 和d i d t 变小。当i g b t 开通时，缓冲电容通过i g b t 放电，这 样就增加了i g b t 开通时的电流，因此缓冲电容不能太大。另外，在i g b t 最短的 导通时间内( 对应最小脉冲宽度) ，缓冲电容要完全放电。综合以上因素，并经过 实验，选取的高压瓷片电容值为1 0 0 0 p f 。 3 3 2 减小分布电感对开关过程的影响 存在于交流输出线上的电感，一方面可以计入感性负载，另一方面可以通过 二极管续流，因此不需考虑，它只会对负载端的电压波形产生影响，包括高频振 荡和过电压等，在一些应用中是严重的问题。对i g b t 来说，真正产生影响的主要 是正负直流母线和桥臂支路内的分布电感，不但会影响续流二极管的反向恢复过 程，还会引起关断过电压。一般在设计中采取标本兼治的方法：一方面优化电路 结构尽量减小分布电感，另一方面利用各种缓冲电路来吸收分布电感的储能1 1 4 l 。 如图3 1 所示，用两个1 和f 1 2 0 0 v 的无感电容c 5 、c 6 吸收直流母线上和桥臂支 第3 章主电路的分析与设计 路内分布电感的储能，完成d u d t 缓冲和过压吸收功能，注意，两个电容应紧靠相 应的桥臂，这样才能起到吸收管子两端的过电压的作用。同时，在设计驱动电路 板时，将桥臂支路的连线减小到最小。实验证明，这样做确实可以消除管子关断 时产生的尖峰电压。 3 4 输出滤波器的设计 逆变电源中输出滤波电路的主要作用是： ( 1 ) 减小输出电压中谐波( 特别是逆变电路中开关器件的开关频率上) 电压的幅值。 ( 2 ) 保证基波电压传输。 3 4 1 输出滤波器的理论分析 在逆变电源中，输出滤波通常采用l c 滤波。用电感器来作为输出滤波电路结 构的一部分，主要目的有两个：首先，由于电感能够储存能量，可使得在管子关 断期间输出电流能够连续地流到负载上；其次电感器与滤波电容一起对逆变后的 s p w m 脉冲起平滑滤波的作用，使输出的直流电压纹波很小。通常使用的滤波器 结构是r 型或者是n 型滤波器，如图3 4 所示1 1 5 1 。 足 ( a ) r 型 fb ) r l 型 图3 4r 型和兀型滤波器结构 f i g3 4f i l t e rc o n s t r u c t e ro ffa n d1 1t y p e s 由于r 型滤波器是最简单的一种形式，所以它的应用也最广泛。本电源输出滤 波器也采用此结构。输出滤波器的参数，即电感值l 和电容值c 与s p w m 频率紧 密相关。s p w m 频率高，可以减小滤波器的参数和体积，但会增加