（电力电子与电力传动专业论文）500va车载正弦波逆变电源设计.pdf

浙i f ：人学硕上学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t ac a ri n v e r t e ri sad e v i c et h a tc a nc o n v e r tab a t t e r yv o l t a g ei n t oac o n v e n t i o n a l h o u s e h o l da c v o l t a g ea l l o w i n gu st ou s ee l e c t r o n i cd e v i c e ss u c ha sp o r t a b l en o t e b o o k ， c h a r g e rf o rc e l l sp h o n ea n dr e f r i g e r a t o rw h e na na cv o l t a g ei sn o ta v a i l a b l e t h e c o m m o ni n v e r t e ro nt h ec o n s u m e rm a r k e tt o d a yi st h et y p eo fm o d i f i e ds i n ew a v e i t i ss u i t a b l ef o rm o s te l e c t r o n i cl o a d se x c e p tf o rt h ei n d u c t a n c el o a d sl i k ed e v i c e sw i t h m o t o r ，w h i c hc o n f i n e si t sa p p l i c a t i o no c c a s i o n p u r es i n ew a v ei n v e r t e r sp r o d u c ea c v o l t a g ew i t hl o wt o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n i tc a nb eu s e dw h e nt h e r ei san e e df o r c l e a ns i n u s o i d a lo u t p u tw h i c hr e m e d i e st h ed e f e c t so fm o d i f i e ds i n ew a v ei n v e r t e r s m a n yc o m m e r c i a l l ym a n u f a c t u r e dm o d e l su s et h es a m eb a s i ct w o s t a g ec o n c e p t ： p u s h - - p u l ls t e p - - u pc o n v e r t e rw i t hah i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e ra n df u l l - b r i d g es p w m i n v e r t e rc o n f i g u r a t i o n d u et ot h eh i g hi n p u tc u r r e n tr i p p l e ，h a r ds w i t c h i n gc o n d i t i o n s o fs w i t c h e sa n ds e r i o u sr e c o v e r yp r o b l e mo ft h ed i o d ei np u s h p u l lc o n v e r t e li ti s h a r dt oa c h i e v eh i g he f f i c i e n c ya n dh i g hr e l i a b i l i t y t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a sar e v i e wo fl o wi n p u tv o l t a g eh i g h s t e p u p d c d cc o n v e r t e r s ，a n dai n p u t - p a r a l l e l o u t p u t s e r i e s a c t i v e c l a m p e d f l y b a c k - f o r w a r dh i g hs t e p - - u p c o n v e r t e ra n da f u l l - b r i d g e s p w mi n v e r t e r c o n f i g u r a t i o ni sa d o p t e dt of u l f i l lh i g he f f i c i e n c yh i g hs t e p u ph i g hp o w e rd e n s i t y p o w e rc o n v e r s i o n t h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c eo ft h es t e p u pc o n v e r t e r i sa n a l y z e d ，a n dd e t a i l e dd e s i g ng u i d e l i n e sa r ep r e s e n t e di ns e c t i o n3 t h ei n f l u e n c eo f c u r r e n ts h a r i n gp e r f o r m a n c eo ft h ec o n v e r t e rd u et ot h ep a r a m e t e rd i f f e r e n c e si s a n a l y z e db ys i m u l a t i o n a st h ec o n v e r t e rh a st h ea b i l i t yo fa u t oc u r r e n ts h a r i n g ，i tc a n w o r kp r o p e r l yi ft h ed i f f e r e n c eo fd u t yc y c l ei sl i m i t e di nac e r t a i ne x t e n t t oo b t a i ng o o dp e r f o r m a n c eu n d e rs t e a d ya n dd y n a m i cs i t u a t i o n ，t h es m a l ls i g n a lm o d e lo f d c d cc o n v e r t e ri sd e d u c e d ，a n dt h eo u t p u tv o l t a g eo u t e r - l o o pa n di n p u tc u r r e n ti n n e m o o p c o n t r o lm e t h o di sa d o p t e di nt h ed c d cc o n v e r t e lf u r t h e rm o r e ，t h ed cb u sf e e d f o r w a r dc o n t r o l i s e m p l o y e di nt h ef u l l b r i d g es p w mi n v e n er t oe n s u r et h es y s t e mw o r ki n s a f er e g i o n ， a c c o r d a n c ep r o t e c tc i r c u i ti sd e s i g n e d ，s u c ha si n p u tu n d e r o v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o n ，o v e r l o a d p r o t e c t i o n ，t h ed cb u so v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o na n dt h e r m a lp r o t e c t i o n b e s i d e s ，t h el o s so ft h e 浙f i ：人学硕上学化论文a b s t r a c t s y s t e mi sa n a l y z e dt op r o v i d et h eb a s i sf o rt h eh e a ts i n kd e s i g na n ds y s t e mo p t i m i z a t i o n f i n a l l ya 12 v - i n p u t2 2 0 v - 5 0 h z5 0 0 v ao u t p u tp r o t o t y p ei sb u i l ta n dt e s t e dt od e m o n s t r a t et h a tt h ei n v e r t e r h a sh i g he f f i c i e n c y ，s m a r ts i z ea n dl o wn o i s ec o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a li n v e a e r k e yw o r d s ：s i n ew a v ei n v e r t e rf o rc a r s ，i n p u tp a r a l l e lo u t p u ts e r i e sc o n f i g u r a t i o n ，a c t i v ec l a m p ， f l y b a c k - f o r w a r ds t e p - u pc o n v e r t e r f u l l - b d d g ed i g i t a ls p w mi n v e r t e r i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得滥姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：茁蛸 签字日期：2 。f 。年专月 夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：茁玲莉 签字日期： 2o 口年弓月， 日 铷始叩 签字日期：2 口i 口年弓月，o 日 浙 i ：人学颂上学化论文致谢 致谢 本论文是在导师何湘宁教授、石健将副教授和邓焰副教授的悉心指导下完 成，导师渊博的学术知识，丰富的科研经验，严谨的治学态度，精益求精的工作 作风，敏锐的洞察力和勇于创新的科研精神，虚怀若谷，平易近人的人格魅力极 大的感染了我。在这两年多的研究生生活中取得的每一点进步，都倾注了导师大 量的心血，在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢。 感谢实验室吴建德老师和赵菁老师平时的悉心指导和热心帮助。 在整个项目中，我得到了李武华博士后和赵一博士的极大帮助，他们对我的 研究工作进行细心的指导，对遇到难题都耐心的予以解答。他们扎实的基础，极 强的科研能力给我留下了深刻的印象，受益匪浅。在日常的生活和心态调整方面 也给予我莫大的关怀和中肯的建议，对他们的关心和帮助，我永远铭记在心，愿 他们在以后的工作学习生活中一帆风顺。 两年半的时光在与实验室的师兄师姐、师弟师妹们朝夕相处轻松快乐的度 过，求是园中美好的回忆，我将永远珍惜珍藏。他们是：同级同学贺玲、韩云龙、 王宝臣、汪望、徐同武、吕豪杰、盛立丞；师兄杨波、刘军、汪东、官威、陈首 先、李锃、陆熙、张林、朱宁；师姐马铭遥、陈娜、陈燕；师弟李楚杉，李威辰、 肖建国、吴海蒙、田水林、杨勇飞、罗劫、杨兵建、丁宏、陈隽、李鹏、廖勇凯、 苟伟、崔文峰、袁浩、周林兵、刘全伟、吴罡、尹凯、谭成，师妹李慧、王亚超 等，对他们的帮助和鼓励在此一并表示感谢。 感谢弟弟对我的关心和支持，感谢深爱的父母对多年来对我默默的支持和鼓 励，养育之恩，无以回报，他们健康快乐是我最大的心愿。 感谢所有关心和帮助过我的老师、亲人、同学和好友。 范玲莉 2 0 1 0 年1 月2 6 日于求是园 浙jl ：人学硕上学化论文第幸绪论 第一章绪论 1 1 应用背景与意义 随着社会的发展，我们已步入了一个“移动”的时代，移动通讯、移动办公、 休闲和娱乐等在我们的生活中随处可见。汽车已由最初的代步工具逐渐发展到现 在集办公娱乐于一体的交通工具，这个“移动的家”给人们的生活带来了更多的 乐趣。目前很多车主“车家一体化”想法日益明显，在车上装备d v d 音响系统、 车载冰箱、车载电视，使用手机、笔记本电脑等电子产品。目前常用的电器产品， 除了可用电池或蓄电池供电的低压直流电外，更多的需要2 2 0 v 的交流电供电。 车载逆变器将1 2 v 或2 4 v 低压直流转换成2 2 0 v 5 0 h z 交流电供一般的电器使用， 是一种方便的车用电源转换器。 车载逆变器在国外受到了普遍的欢迎，在国外由于汽车普及率较高，将车载 逆变器直接与汽车点烟器或蓄电池连接，就可以供一般的电子产品使用，给人们 的生活带来很大的便利。自从中国加入w t o ，汽车普及率日益提高，车载逆变 器作为移动中使用的直流交流电源转换器，将会成为有车一族的必备品。同样 车载逆变器和家用的蓄电池及充电器，就可以组成一套平民化的家庭备用电源方 案。此外，车载逆变器不仅适用于车载系统，只要有1 2 v 直流电源的场合，都 可以使用。例如在远离电网的山区及游牧民族生活区，可以利用太阳能电池板及 蓄电池和充电器，再配备相应输入电压等级的车载逆变器就可以组成一个独立的 光伏发电系统。白天太阳能电池板通过充电器给蓄电池充电，将太用能转化成化 学能存储在蓄电池中，晚上将蓄电池接逆变器，可以用于日常的照明、看电视等 生活用电。 作为车上或家庭使用的电源转换器，其性能十分重要，不仅关系到用电电器 和整车线路的安全，还关系到驾驶者和使用者的人身安全。因此，开发一款高性 能的车载逆变器具有一定的实用价值和广阔的市场前景。 1 2 研究现状和发展方向 目前市场上常见的车载逆变器按功率等级大致可以分为7 5 w 、1 0 0 w 、1 5 0 w 、 3 0 0 w 、5 0 0 w 、8 0 0 w 、1 0 0 0 w 、1 5 0 0 w 、2 0 0 0 w 、2 5 0 0 w 等规格。车载逆变器 的输入为汽车点烟器或蓄电池，一般汽车点烟器1 0 a 左右的电流，故点烟器输 浙ii ：人? 颂上学位论文 第章绪论 出的功率约为1 5 0 w 。对于功率等级小于1 5 0 w 的车载逆变器可以直接由点烟器 供电，大于1 5 0 w 功率等级时需直接从车载蓄电池供电，否则会因过流烧毁汽车 配件及保险丝。随着车上使用的电器种类增多，对车载逆变器的容量提出了更高 的要求，小功率1 5 0 w 及以下规格的车载逆变器已经不能满足人们需求，中大功 率的车载逆变器是今后的发展趋势。 车载逆变器所带的负载通常为以下几类：第一类：整流性负载，如笔记本电 脑、各种充电器、组合式音响、数码相机、打印机、游戏机、影碟机、移动d v d ； 第二类：电阻性负载，如小型电热器具，电热杯等；第三类：感性负载，车载冰 箱、照明灯、电转等电动机型的电器。 车载逆变器按输出电压波形主要可以分为两种：方波和正弦波。方波逆变结 构简单，控制方便，但方波逆变输出电压谐波含量高，同时带负载能力较差且对 使用电器寿命影响较大。随着负载增大，方波中包含的三次谐波分量使负载电流 容性分量增加，严重时会损耗逆变器输出滤波电容。最初采用简易的多谐振荡器 制作的车载方波逆变器，输出功率小，带负载能力差，已逐步被市场淘汰。近年 来提出了准正弦波逆变( 即修正正弦波) ，可以带电阻和整流桥负载，满足了日 常大部分电子产品的要求，效率较高，最高效率约为9 0 ，价格适中，是当前市 场的主流产品。但是准正弦波其本质是带死区时间的方波，仍然不能满足车载冰 箱、日光灯、电风扇等感性负载的要求。一些精密的设备和感性负载类的电器必 须要正弦波供电才能工作，否则，轻则电器设备不能正常工作，重则造成损坏用 电设备或大大缩短车载逆变器的寿命。正弦波逆变，弥补了方波逆变的不足，适 合任何类型的负载，但是控制相对复杂，效率较低，因此高效率正弦波车载逆变 器日益成为一种需求。 综上所述，作为车载电源转换器，针对其特定的应用场合，必须具有满足以 下几个方面的要求：1 安全可靠、效率高，特别是对于功率较大的车载逆变器， 对效率的要求更加苛刻。如果发热严重，散热不佳，轻则影响元件的寿命，重则 存在火灾的隐患；此外，蓄电池除了接逆变器外还可能直接给直流负载供电，从 人身安全角度考虑，逆变器输入输出需要隔离。2 带负载能力强，满足各种常见 的用电设备对电源的要求。3 体积小，由于汽车内部空间有限，因此要求车载逆 变器体积不能过大而影响汽车的驾驶，故再次对逆变器的效率提出了要求，以减 小散热器的体积。4 为了保证汽车的正常启动，各种仪表指示，确保蓄电池不能 浙i i ：人学顾上学位沦文 第章绪论 过度放电，必须设有相应的欠压保护；此外当逆变器出现异常时能够迅速的切断 输出，防止因故障影响蓄电池及逆变器的寿命或火灾的发生。5 噪声小，不能因 其带来的噪声影响了使用的舒适度。 1 3 车载逆变器拓扑结构的研究现状 传统的车载正弦波逆变器采用逆变器加工频变压器升压的方案，其缺点是噪 声大、体积大，效率低，无法满足人们的要求，基本上被市场淘汰。随着新型电 力电子器件的出现和电力电子技术的发展，采用高频变压器升压和s p w m 逆变 的方案，解决了传统方案存在的问题。目前d c a c 的新技术很多，考虑到成本 可靠性及实现的难易程度，基本上都采用d c d c 高频升压和d c a c 逆变的两 级结构。 1 逆变器前级d c d c 升压拓扑 在车载逆变器的两级拓扑中，d c a c 技术发展相对成熟，效率在9 7 左右， 而逆变器的前级电路，需要将1 2 v 直流升压至3 6 0 v 3 8 0 v ，变流器的增益约为 4 0 倍，在输入低压大电流高增益的场合，开关管的电压电流应力大，二极管的 反向恢复损耗大，严重制约了系统效率的提高，成为正弦波车载逆变器发展的瓶 颈。下文将对现有的隔离型高增益变流器进行分类比较。 目前常见的升压变流器主要分为b u c k 型、b o o s t 型及b u c k b o o s t 型三种。 在隔离场合b u c k 型电路主要包括正激、全桥、半桥、推挽等，这些变流器 均属于b u c k 电压源型变流器。单管正激变流器需要加入复位绕组，变压器利用 率低，在高增益的场合效率较低；全桥变流器需要的开关器件多，开关损耗大在 输入低压大电流的场合较少使用；半桥变流器适用于高压输入的场合；文献 1 】- 4 】 采用推挽变流器升压，具有开关器件少，变压器利用率高等优点，广泛用作1 5 0 w 以下功率等级的升压电路。典型的两级结构如图1 1 所示，前级将1 2 v 经过高 频变压器升压至3 6 0 3 8 0 v 左右，后级采用桥式逆变得到所需的正弦波。该类型 的推挽变换器利用变压器漏感当输出滤波电感，减小了系统的体积。但是电压型 推挽变流器输入电流纹波大，变压器存在偏磁，随着功率等级的提高，开关管电 压电流应力增大，漏感引起较高的电压尖峰。并且开关管均工作在硬开关状态， 开关损耗大，难以满足高效率要求。 浙j i ：人学硕上学似论文第章绪论 高频升压 全桥逆变 r 一一一一一一一一一一一一1 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 ，l jk【 m ；：q 3 j 磐 碜0 5 0 珞缓 a c 2 2 0 v 5 0 h z “ 4 “，一、4 v - 、， 、 =一：i 卜 = 臣 如 瓷0 ri 毫乏 】【】 1 0 4l 糯 一下一下 图1 1 车载逆变器典型电路结构图 文献 5 】提出了如图1 2 所示的前级采用输入并联输出并联组合的推挽正激 电路结构，该变流器除了具有推挽电路的优点还具有以下几个方面的优点：1 输入交错并联，减小了输入电流脉动，从而减小了输入滤波器的体积和重量；2 主功率开关管关断时，箝位电容为原边变压器漏感储存的能量提供了一个释放的 回路，抑制了功率管的电压尖峰，可以选择电压等级低的开关管，从而减小了开 关管的导通损耗；3 变压器利用率高；4 加入c d d 吸收电路有效的抑制了输出 二极管的反向恢复。但是该方案开关管仍工作在硬开关状态，开关损耗较大。当 推挽正激变流器的两个开关管均处于关断状态时，原边存在较大的环流，进一步 增大了系统的导通损耗。此外需要的元器件较多，增大了系统的体积和损耗。 ，。m o d u 1 e 。1 。 - _ l _ j 一 d t l d 1 2 h 一【j【每c f l l - ，。 ；n s j【d c 2 o c ， c 1 尸 、- - jl _ - _ 。 ，。 d 1 3 a il 一骘，一 d 2 10 2 2 b 一【j；乙c o f ；n 8 d 。 j1 , o d c 2 u 匝 - 一 一】 “c h d 船 墨岫麓 一 l n r #3 ， 图1 2i p o s 组合式推挽正激变流器 总之，传统的电压源型d c d c 升压电路，输入电流电流纹波大，输入侧需 要的滤波器体积较大，并且脉动的冲击电流，严重影响了蓄电池的寿命。此外， 浙ii ：人学硕上学化论文第章绪论 电压源型的变流器，输出二极管的电压应力大，反向恢复问题严重。在高增益的 场合，需要较大的变压器匝比，变压器绕制困难，漏感的增大使电路的性能进一 步降低。 b o o s t 电流源型变流器是b u c k 电压源型变流器的对偶电路，在隔离的场合， 电流源型变流器输入滤波电感位于电源侧，输入侧电流纹波小，输入滤波器体积 小。输出整流二极管直接与输出电容连接，二极管电压应力等于输出电压。电流 源b o o s t 型变流器主要包括：单端b o o s t 、双b o o s t 变流器、电流推挽b o o s t 变流 器。全桥半桥b o o s t 及谐振变流器等。 单端隔离型b o o s t 变流器是在传统的非隔离b o o s t 变流器的开关管和续流二 极管之间加入变压器实现的。双b o o s t 变流器原边为两个b o o s t 电路并联，为了 进一步提高输出电压增益通常接成倍压整流结构，如图1 3 所示。该变流器两路 交错并联工作，两个电感各承担输入电流的一半，输入电流纹波小，开关管上的 电流应力减小为单个b o o s t 变流器的一半。参考文献 6 1 1 7 8 1 采用磁集成技术将 电感和变压器集成在一个磁芯上，有两个绕组既作为输入电感又充当变压器原 边，减小了磁芯和变压器的体积，同时利用变压器的漏感实现了开关管的z v s 开通。但是该变流器因漏感谐振造成开关管上的电压应力较大，同时二极管的反 向恢复损耗严重。 图1 3i 谒离型双b o o s t 变流器 电流源推挽变流器是电压源推挽变流器的对偶电路，如图1 4 所示，电流型 推挽电路除了具有电压型推挽电路的优点外，由于电流型推挽电路输入电感具有 高阻抗的特性，变压器偏磁问题有所缓解。但是，仍然存在漏感引起的开关管电 压尖峰、二极管的反向恢复问题严重，此外该电路占空比必须大于o 5 工作，限 制了变流器的输入工作电压范围。为了解决上述问题，文献【9 】【1 0 】加入有源箝位 电路有效的吸收漏感抑制了开关管的电压尖峰，拓展了占空比工作范围，适用于 电压变化范围较大的场合。 浙 i ：人学颁l 学位论文第。章绪论 图1 4 推挽电流源型b o o s t 变流器 在高增益的场合，需要变压器的变比较大，变压器的漏感和电容谐振，增大 了开关管的电压电流应力和开关损耗，降低了系统的效率和可靠性。文献 1 1 1 2 提出了一种电流源型全桥b o o s t 变流器，如图1 5 所示，该变流器采用移相恒定 频率方式控制输出电压，利用漏感和寄生电容的谐振实现了开关管的z c s ，降低 了开关管上的电压电流尖峰，同时实现了输出二极管的z c s 关断，减小了二极 管的反向恢复损耗。但是移相控制需要开关管具有反向电压阻断特性，通常采用 m o s f e t 或i g b t 与功率二极管串联，但是开关元件数量的增加导致系统的导通 损耗增大。此外，移相控制的z c s 变流器在续流阶段会存在较大的环流，导致 变流器的损耗进一步增加。 d 1 l c i 事墨 ：1 4墓i ，_ 1 “ ：i 卜 l j a鞋荔 d 2 图1 5 电流源型全桥b o o s t 变流器 在不增加电路复杂度的情况下，采用谐振控制技术，通过调整开关频率可以 方便地控制输出电压，同时能够实现开关管的零电流或零电压软开关，并且软开 关的实现与负载大小无关。但是串联谐振变流器在轻载下的电压调整率较差，并 联谐振变流器在重载下的电压调整特性难以满足工业要求。文献 1 3 】 1 4 】提出了 l c c 谐振变流器和l l c 谐振变流器如图1 6 和图1 7 所示，这两种谐振变流器 在全功率范围内均拥有良好的电压调整特性和零电流或零电压软开关特性。而 且，输出二极管处于自然关断状态，反向恢复损耗较小。但谐振变流器启动时电 流存在较大的冲击电流，谐振电容c ，串联在主回路上，输入电流会流过谐振电 浙江人学硕上f 妒论文第。章绪论 容，谐振电容的电流应力较大。而且，变流器工作在变频状态，e m i 滤波器的分 析与设计比较复杂。 一一。l 。【一 s ，j 羹褂8 3j 季 氢逮 蟊j釜d 3 三 一卜-c r c 。一 ： v 舯 ：j i - 一一一一一一一一1 仃2 z毫盏 蚕 s 2 。l瑟s j l譬一喇 d 4 图1 6l c c 谐振变流器 一d ，荔薹 么亥d 3 竺 i 卜 i m w i - i c o 一 一一i d ：么鏊么 笼 d 4 图1 7l l c 谐振变流器 隔离型b u c k b o o s t 主要包括单管反激式，交错并联单管反激式、以及双管 反激等，其中单管反激和交错并联单管反激适合于低压输入的场合，双管反激适 合于高压输入的场合。单管反激变流器，具有体积小，结构简单，控制方便和隔 离的特点，广泛用于宽范围输入、多路输出及需要隔离的场合。由于反激变压器 在开关管导通时需要储能，变压器需加入一定的气隙，气隙的加入将会导致变压 器的漏感增大，在开关管关断时引起较大的电压尖峰。此外反激变流器输入输出 电流纹波大，对输入输出滤波电容的冲击较大，随着功率的增大，变压器的体积 和成本增加，效率较低，因此单端反激变流器常用于小功率的场合。 为了提高反激变流器的功率等级，常采用交错并联的反激变流器。交错并联 反激变流器除了具有单端反激变流器的优点外，减小输入输出的电流纹波，且输 入输出电流的纹波频率为开关频率的两倍，减小了滤波器的体积。文献f 1 5 】提出 了一种采用l c d 无源无损箝位方案，有效的抑制了开关管的电压尖峰，吸收了 变压器漏感上的能量，降低了开关管上的电压尖峰和开关损耗，但是该方案需要 元件数量多，增加了系统的体积。文献 1 6 1 提出了如图1 8 一种有源箝位方案， 并在交错并联的两路输出二极管阳极之间串入一个箝位电容，实现了所有开关管 的z v s 开通，有效抑制了二极管的反向恢复损耗。 浙i i ：人学硕，上学位论文第章绪沦 图1 8 交错并联的f l y b a c k 变流器 耦合电感除了能够存储能量，还可以实现变压器升降压的功能。如何有效地 利用耦合电感来满足现代电力电子高频、高效、高增益的变换要求，正日益成为 研究的热点之一。文献 1 7 】- 2 2 】【2 8 提出了一种新颖的利用耦合电感实现的高 增益变流器。如图1 9 和图1 1 0 所示，该变流器在传统的反激变流器副边绕组 中串入一个n v i n 的电压源，可以将一个基于f l y b a c k 的b u c k b o o s t 型变流器变 成的b o o s t 型变流器。在相同的耦合电感匝比n 和占空比d 下，交错并联 f l y b a c k b o o s t 变流器比交错并联f l y b a c k 交流器具有更高的电压增益和更低的开 关管电压应力。因此，在一定条件下，交错并联f l y b a c k b o o s t 变流器比交错并 联f l y b a c k 变流器更适合于低压大电流输入、高压输出的高增益应用场合。在耦 合电感的原边绕组两端引入一个由功率开关管和箝位电容组成的辅助电路，实现 了漏感能量的无损转移、开关管上电压尖峰的有效箝位及所有功率开关管零电压 软开关动作，减小了功率器件的开关损耗，提高了变流器的效率。但是利用耦合 电感升压的变流器，输出的能量先以激磁电流的形式存储在耦合电感中，随着输 出功率的增大，增加了磁性元件体积。且该类型交流器对参数差异性较敏感，当 参数差异较大时需要加入均流环以保证系统正常工作。 浙江人学硕上学位沦文第一章绪论 镊赢。 号i a 如 图1 9f l y b a c k 串电压源实现的b o o s t 变流器的概念图 图1 1 0 三绕组耦合电感实现的f l y b a c k b o o s t 变流器 文献 2 3 】 2 4 】利用电容的电压源特性，由电荷泵结构组成的高增益变流器， 由于不需要磁芯元件，减小了变流器的体积，此外，开关频率工作在数百k h z 至上m h z ，容易实现高功率密度，广泛应用于高增益的微功率系统中。但是在开 关动作时，电流冲击较大，e m i 问题严重，高升压场合需要较多的开关元器件进 一步限制了应用范围。该类型变流器的最大局限在于，输出电压不能通过占空比 调节，由电路结构决定只能为为输入电压的整数倍，变流器输出电压灵活性较低。 耦合电感和开关电容各具优点，也存在不足。原理上，耦合电感和开关电容 都具有电压源的特性，二者结合起来可以实现输出电压连续调节，实现了高增益、 高功率密度、高效率的统一。文献【2 5 2 9 将耦合电感和开关电容升压的思想用 于隔离型的变流器中，提出了如图1 1 1 所示的变流器，该变流器具有如下几个 方面的特点： 1 采用交错并联技术，减小了开关管电流应力o ， 2 祸合电感和开关电容组合实现了无级调节的高增益输出； 3 有源箝位电路实现了主开关管的z v s 开通和箝位开关管z v s ； 4 开关电容除了提高输出增益，还具有两路自然均流的功能。 浙江人学硕士学位论文第一章绪论 图1 11 耦合电感加开关电容实现的f l y b a c k - b o o s t 变流器 与传统的隔离型b o o s t 相比，f l y b a c k - b o o s t 变流器在高增益的场合更具优势： 首先拓展了电压增益，避免了极限占空比的工作状态；其次降低了开关管的电压 应力，减小了导通损耗和开关损耗，提高了功率器件的工作可靠性；并且这类拓 扑通过简单的电路可实现开关管的软开关动作，减小了开关损耗；还有效地抑制 了输出二极管的反向恢复电流，减小了反向恢复损耗。 通过比较本文采用了一种新型的电流源型b o o s t 变流器作为d c d c 升压电 路，该升压变流器除了具有上述f l y b a c k 。b o o s t 变流器的优点外，其输入并联输 出串联的倍压结构更有利于实现高效率、高增益和高功率密度的升压变换。 2 d c a c 拓扑结构 逆变器按照电路结构可以分为桥式电路和非桥式电路。桥式电路可以分为全 桥电路和半桥电路。全桥电路利用四个开关元件构成h 桥，半桥电路利用两个 开关管构成一个桥臂，另一个桥臂由不可控的无源元件构成。非桥式电路包括多 电平逆变电路和推挽式逆变电路等。 d c 妊， d c v s 2 尺琶一尺 a ) 半桥逆交电路b ) 全桥逆变电路 图1 1 2 半桥和全桥逆变电路图 半桥逆变电路一个桥臂由开关管s l 和s 2 组成，另一个桥臂由电容串联组成， 体内反并二极管可为感性负载提供续流通路。c l 和c 2 提供正负母线的支撑电容， 吸收无功能量。半桥电路需要的开关元件较少，控制相对简单，输出电压的u 。b 浙 i ：人学硕上学住论文第章绪论 的为直流母线电压的一半。全桥逆变电路中四个开关管s i - s 4 组成了两个桥臂， 与半桥电路相比控制相对复杂，但灵活度更大，逆变器输出电压的幅值u 。b 等于 直流母线电压v 。i 。逆变器输出电压u 。b 是一组脉冲形式的方波电压，方波的频 率、脉冲宽度和幅值与控制方法和电路结构有关。在半桥电路中，输出电压u a b 的幅值只能为+ v s 或v s ，没有0 电平电压；全桥逆变电路中，输出电压u a b 的幅 值可以等于+ v s ，0 或v s 。因此半桥电路只能采用双极性调制，全桥电路可以采 用双极性调制、单极性或单极性倍频调制。 从使用元件的数量上看，半桥电路节省了2 个开关元件，但是增加了1 个无 源元件，且直流母线电压幅值提高了一倍，开关管耐压提高一倍。从开关损耗的 角度看，半桥电路任意时刻只有一个开关管导通，全桥电路每个时刻最多有2 个开关元件导通，在相同电流的情况下，耐压高的开关器件导通损耗较大，因此 半桥电路开关损耗比全桥电路大。从输出电压质量的角度看，单极性s p w m 调 制方式输出电压谐波含量比双极性低，通过单极性倍频的调制方式可以获得更好 的谐波抑制效果。当然获得更好的谐波抑制效果是以增加控制的复杂性和开关损 耗为代价。 表1 1 半桥和全桥逆变电路比较 电路结构半桥电路全桥电路 开关管耐压高耐压低耐压 控制电路复杂性简单复杂 s p w m 控制方法双极性单极性 适用的功率等级小功率中、大功率 输入直流电压 2 u du d 3 逆变器调制方式 采用s p w m 调制的主要目的是为了减少输出电压中的谐波成分，经过滤波 后得到较理想的正弦波。根据输出电压的极性s p w m 调制可分为单极性和双极 性两种，在相同的开关频率下单极性调制t h d 比双极性小，同时开关损耗也明 显低于双极性调制。不过值得注意的是，在单极性调制的工作方式下，当负载比 较轻的时候，可能出现电感电流断续现象，而在双极性调制方式下则不会出现电 流断续。倍频单极性s p w m 调制方法的优点就在于同样的开关频率f c 下，u o 的脉动频率提高了一倍，就使谐波含量减少了l 2 ，输出滤波电感的纹波电流频 率提高了一倍。因此，减小了滤波器体积，降低了成本。 浙i i ：人学颂上学化论文第章绪论 经上述对比分析，为了降低直流母线电压和输出电压中的谐波含量，减小输 出滤波器体积，本系统采用了全桥逆变器结构和单极性倍频的调制方式。 1 4 本文的主要研究内容 第一章，阐述了车载逆变器的应用场合和研究现状，针对车载逆变器d c d c 高频升压和d c a c 全桥逆变的两级结构，回顾和总结了目前常见的高增益 d c d c 升压电路以及d c a c 逆变电路优缺点。 第二章，分析了车载逆变器的前级升压电路，输入串联输出并联有源箝位高 增益d c d c 变流器的工作原理，静态工作点分析和相关的公式推导，介绍了1 2 v 输入，3 8 0 v 输出的升压电路和全桥逆变电路设计方法。 第三章，介绍了d c d c 升压变流器的控制策略，分析了电路参数的差异性 对均流特性的影响，建立了相关的小信号模型，在此基础上设计了电压电流补偿 环节，并介绍了基于单片机的数字化s p w m 控制方法。 第四章，保护电路的设计、系统的损耗分析，其中保护电路包括：蓄电池欠 压过压保护、d c d c 变流器过流保护，直流母线过压保护、机内过热保护、逆 变器过流保护。 第五章，电路仿真，实验测试及分析。 第六章，对本研究内容的总结和展望。 浙i 学顿中f 口论文一年i 电蹄设 第二章主电路设计 本文设计的车载逆变器的性艋指标如下+ 翁入：吒= 1 05 1 6 v d c 输出：v o = 2 2 0 pr = 5 0 h z 额定输出功率：只= 5 0 0 w 工作温度：3 0 。一6 0 。 保护功能：蓄电池炙f 过压保护输出过载保护、直流母线过压保护帆内 过热保护 根据上述输入输出条件，采用如图21 所示的d c d c 升压和逆变的结构 前级栗用输入并联输出串联的有辑箝位f l y b a c k f o r w a r d 变流器，将1 2 v 升压至 3 8 0 v ，后级采用全桥单极性倍频的s p w m 逆变，得到2 2 0 v 5 0 h z 的正弦波，整 个系统具有欠压过压过流和过理保护。 囤一 ，一嚣泛淌瓿黼 ；：麓：嚣* 掣一 tt t 2 1d c d c 变流嚣工作原理 通过对目前高增益变流器拓扑分析对比，采用本课题组提出的输入并联输出 串联有源箝位f l y b a c k f o r w a r d 的拓扑结构，下面对d c d c 升压变流器的工作原 理做一下简要介绍 电路原理围如日22 所示，其中v 。为蓄电池输出电压，为两个耦合电感， 其中l l 。，l 2 。分别为耦合电感lr 和l 2 的原边，匝数均为n - ，原边励磁电感曲大 浙江火学硕士学位论文第二章主电路设计 小分别为l i m ，l 2 m ，l l b 、l 2 b 为耦合电感l l 和l 2 的副边，匝数均为n 2 ，s l 、s 2 为主开关管，s 。l 、s c 2 为箝位开关管，c 。l 、c 。2 为箝位电容，d o l 、i ) 0 2 为输出整 流二极管，c o l 、c 0 2 为输出电容。 d 0 1 k 歹c 口j l i l甄 0 0 2 图2 2 d c d c 升压变流器原理图 根据电路的对称性，一个开关周期内，电路的工作模态如下( 回路电流流向 如虚线箭头所示) ： t o t l 】：工作模态1 ，s l s 2 均开通，s 。l 、s c 2 及d o l 、d 0 2 关断，在输入电压 的作用下，耦合电感原边储能，原边励磁电流线性增加，电容c o l 和c 0 2 串联向 负载供电。 t l t 2 】：工作模态2 ，在t l 时刻s 2 关断，电感l t n 2 励磁电流给开关管结电容 c s 2 充电，开关管d s 问电压线性增加，l m l 原边励磁电流继续线性增加，c o l 与 c 0 2 向负载提供能量。 t 2 t 3 】：工作模态3 ，在t 2 时刻，结电容c s 2 两端的电压增加到( v i n v 访) ， 副边整流管d o i 导通，此时耦合电感l l 工作在正激状态，l 2 工作在反激状态， 电源和耦合电感中存储的能量开始向电容c 。l 传递，同时c o l 与c 0 2 串联向负载 供电。 t 3 t 4 】：工作模态4 ，在t 3 时刻，开关管结电容电压增加到v 。2 时，箝位开关 管反并二极管导通，l m l 继续储能电流线性增大，耦合电感l m 2 中的能量向输出 电容c 。l 充电。 ”t 5 】：工作模态5 ，在t 4 时刻箝位开关管s c 2 开通，此时s c 2 为z v s 开通， 流过体内反并二极管的电流迅速向开关管s 。2 转移。 t s t 6 】：工作模态6 ，在t 5 时刻，箝位开关管s 。2 关断，漏感与开关管s 2 结电 容c a 谐振，漏感上的一部分能量向负载传递，另一部分向输入电源回馈。 t 6 - t 7 】：工作模态7 ，在t 6 时刻，开关管结电容c s 2 两端的电压降为0 ，结电 容与漏感谐振结束，此时开关管s 2 体内二极管导通续流，漏感电流在电容c o l 电 折i l = 凡7 7 t f t 谁i* 一巾f l e 蹄设：l 压v 。t 作用下线性下降 【rc g 】：工作模态8 ，在t l 时刻，开关管s 2 开通，此时主开关管s 2 为z v s 开 通，副边二极菅d o i 继续导通续流，至t 8 时刻，磊感上的电流下降到零，z - 极管 瓯i 截止，s i , s 2 导通l 。与l | | 1 2 继续储能。根据电路的对称特性，开关管s - 在一 个开关周期的工作模态与s 2 相似，故不再赘述 图23 工作横态 圈 态2 态3 图29 工作模志4图21 0 工作模态8 i_=_ 浙i i ：人学顿上学化论文第_ 章t 电路设i f 工作过程中主要的波形如图2 1 1 所示 v g s ，l ，。l k 坠二二 f z 蚯豆二 t ，1 ， l 眵彰菇，l1、， v g c ；2 2 豳。回匠= 夔趸云翘： 1 d i i d 2 ； n l： j - 。， r ： ： 。 崖 髫 l 磁l l - | l 7 f ；， l l l 萋 啪 耄1 蔓i i ；| l !