【单相逆变系统设计案例分析6700字】

单相逆变系统设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u16535单相逆变系统设计案例分析 1190141.1逆变单元电路原理 139611.2逆变单元电路设计 2137771.2.1功率拓扑设计 2191701.2.2驱动电路设计 7300961.2.3控制电路设计 8290141.2.4保护电路设计 1277461.2.5辅助电源电路设计 14152891.3电磁兼容设计 141.1逆变单元电路原理逆变单元电路原理框图如图3-1所示，包括三大部分，一是功率电路，主要由直流变换滤波电路、DC-AC逆变电路和输出EMC滤波电路构成；二是信号电路，主要由信号检测采样电路、单片机最小系统电路、控制电路、驱动电路和保护电路组成；信号检测采样电路主要包含输出电压检测采样电路和输出电流检测采样电路；三是辅助电源电路，主要是将输入的直流22V～30V电源进行转换，通过DC-DC开关电源模块和线性稳压器转换成+15V、-15V、+5V和+1.3V直流电源，转，为各种模块电路提供电源。图3-1逆变单元电路原理框图1.2逆变单元电路设计1.2.1功率拓扑设计功率电路拓扑见图3-2所示。图3-2功率电路拓扑（1）输入变换电路针对直流输入范围：22V～30V的宽范围电压输入系统，采用前级为移相全桥ZVS倍压整流后级为全桥逆变的两级变换电路。第一级DC-DC升压变换电路将车载蓄电池的22V～30V的直流输入电压进行升压，主要通过倍压整流电路进行整流升压为高压直流电。第二级DC-AC逆变电路采用SPWM逆变技术将直流电逆变为220V/50Hz的交流电。图3-3移相全桥倍压整流DC/DC变换电路拓扑在常规相移全桥DC/DC转换器电路中存在不可避免的现象，也就是失去了变压器的占空比。这是因为常规移相DC/DC转换电路中的桥臂的开关管导通后，即使在此期间存在正电压方波（或负电压方波），初级侧电流也有一段时间从正（或负）转换为负（或正），但一次侧电流不足以提供负载电流，并且二次侧上的两个整流二极管同时导通，并且变压器一次侧上的电压处于OV直到初级侧电流增加到次级侧。此时，负载续流且输出电压为零。在提出的拓扑中，倍压整流电路的电容器端的电压不能突然改变，因此变压器的初级和次级电压可以归零，从而避免了这种现象。（2）直流滤波电路将脉动直流电滤除交流成分，包含一级母线滤波和二级母线滤波。采用耐大纹波电流的无极性薄膜电容和电解电容，分频段滤波，耐压值达800V。能有效应对大纹波和高输入电压。由于电解电容耐压值不够，故一般采用两只电容串联，但因为电容容值有误差，故两只电容上电压值不同，有可能引起电容的损坏，因此采用PNP和NPN组成三极管电路使两只电容上电压相同。此外增加泄放电阻，以免对人造成伤害。具体电路如图3-4所示。（3）逆变电路设计逆变电路采用电流滞环控制，使输出电流能够实时跟随给定电流（该给定电流有电压外环控制给定），由控制电路产生的PWM波控制四个管子的导通，得到脉冲电压波形，并经过滤波电路产生逼近正弦的纯净交流电。由于采用电流滞环控制，因此具有系统响应速度快，能实时跟踪参考电流的变化，负载适应性强等优点，电路采用IGBT集成模块，有减小体积、降低设计难度等优势。图3-4直流母线电路（4）滤波电路设计1）输出电感设计由于滞环控制采用瞬时值的比较方式，故存在开关频率不固定的缺点，而IGBT由于拖尾现象，使得开关频率不可能过高，因此设计的时候要求开关频率不能大于IGBT所能工作的最大开关频率。由滞环控制可知，开关管开关频率如式（3-1）所示。（3-1）其中，Ud为母线电压；uo为输出电压；H为设定滞环值；L为电感值。当输出电压为直流侧电压的一半时，得到最大的开关频率，其式如（3-2）所示：（3-2）其中母线电压Ud的最大值为620V，H设定为2.8，L为电感值，设定IGBT允许的最大开关频率fmax为19.2kHz，由式（3-2）可知，电感值为1.4mH，为使最大开关频率不超过fmax，选择电感值应大于1.4mH，但过大电感将导致逆变单元的暂态性能下降，且输出电压THD增加，最终选择电感为1.58mH。虽然电感感值过小有可能会导致电流的误差值超过设定的阈值范围，但最终通过设定D触发器可以把IGBT的开关频率限定在19.2kHz，不会导致IGBT开关损耗过大。由滞环控制特性可知，在电流高的时候，由于输出电压较高，故开关频率较低，而磁芯的磁导率会随着磁场强度的增加而下降，从而导致电感下降，其公式如（3-3）所示：（3-3）其中，L为磁芯电感的电感量；μ为磁芯的磁导率；l为磁路长度；N为绕组匝数；A为磁芯截面积。因此需要选用电感值随电流变化小的磁芯，POCO的高磁通NPF系列可以满足要求，其磁导率与磁场强度对应关系如下图3-5所示，但PPI高端铁粉芯在相同环境下磁芯较大。图3-5磁导率与磁场强度对应关系设计了两款电感，其中图3-6这款电感选用NPF226060这款磁芯，三个磁芯叠加绕成一款电感，逆变单元在滤波电路中只用一个电感构成LC滤波电路。其中图3-7这款电感选用NPF185060这款磁芯，三个磁芯叠加绕成一款电感，逆变单元在滤波电路中用两个，构成LCL滤波电路。图3-6NPF226060电感图3-7NPF185060电感2）输出电容设计输出电容C的设计可以根据LC滤波器的截止频率确定滤波电容C的值，由于逆变单元的输出的最低的高次谐波为逆变单元的开关频率，故取LC低通滤波器截止频率小于等于最低高次谐波的1/10，即开关频率的1/10，由于滞环控制的频率是不固定的，但是通过采用D触发器的方式，频率是19.2kHz的一个分频关系，故设定平均开关频率为10kHz，由公式（3-4）可得：（3-4）其中，L为电感值；fs为19.2kHz的分频值。因电感值为1.58mH，因此可计算输出电容C的值为16uF，最终采用6.8uF/500V的三个电容并联的方式。（5）EMC电路设计设计中EMC电路采用经典共模电感加安规电容X和Y电容构成，可以有效降低传导和辐射干扰，其电路如图3-8所示：图3-8EMC电路1.2.2驱动电路设计驱动电路是由AgilentTechnologics公司的驱动光耦HCPL-316J为核心构成的，该芯片能驱动ICE=150A，VCE=1600V的IGBT模块，驱动峰值电流为2A，可以满足大多数中小功率驱动需求，具有过流保护、欠电压保护等功能，并在保护时对IGBT实施软关断，其电路图如下图3-9所示：图3-9驱动电路控制电路发出的PWM信号经过反向施密特触发器后，去掉传输中的延迟，使得方波信号更加陡峭，光耦的驱动输出并接一个二极管，保护IGBT模块不会因为输入驱动电压过高而损坏。并重点设置R3电阻。其公式如式（3-5）所示：(3-5)其中，VD为二极管的压降；VCE为IGBT在设定过流值的导通压降。IGBT模块的电流Ic与集电极到发射极的压降Vce的对应关系如下图3-10所示：图3-10Vce与Ic对应关系当IGBT模块导通时，从芯片内部恒流源流出的电流分别在电阻R3、二极管V1、V2以及V3上产生压降和，加上模块的导通压降Vce，若其值大于7V时，则Vout输出变为低，对IGBT模块实施软关断并锁定，防止流过IGBT的电流进一步上升，保护IGBT模块；保护后，会在3ms时间内给REST信号（低电平有效），允许再次开通IGBT。1.2.3控制电路设计滞环控制采用硬件电路加软件电路实现，控制电路采用了PI、P以及滞环控制，多种控制保证了逆变单元得到输出所需要的稳定的工频电压。其示意图如图3-11所示。图3-11逆变单元控制示意图（1）单片机最小系统单片机GD32F307是一款基于Cortex®-M4内核，最高主频可达120MHz，内部集成高速12位ADC、12位DAC、16位定时器等多种常用接口，满足系统设计需要。单片机最小系统是一个完整的控制系统，可保证系统稳定的工作，最小系统包含供电电路、时钟电路、复位电路以及程序烧写电路，如图3-12所示。图3-12单片机最小系统图为简化设计，时钟电路主要采用石英晶体振荡器和电容方式，石英晶体振荡器的频率为25MHz，电容采用两个30pF的磁介电容。单片机供电为1.3V，为了稳定电压，减小干扰，需要外接储能电容和去偶电容，同时为避免单片机运行时产生的高频噪声通过电源对外传导，在电源电路上串接三端滤波器。产生标准的正弦波电路如图3-13所示，编写单片机软件程序，使得单片机在外部中断触发的时候，通过控制D/A转换芯片TLC7524ED将正弦波在单片机中存储的对应数字量转换为模拟电压，该电压通过运算放大器组合，最终得到峰值为2.5V的标准正弦波。除此之外，该电路具有软启动功能，即峰值为2.5V标准正弦波输出是缓慢得到，具有软启动时间由电阻R27和E1得到。图3-13产生标准的正弦波电路（2）双环控制电路双环控制电路其实就是电压外环电流内环控制电路，如图3-14所示，由单片机得到标准的正弦波输出与输出电压有效值PI控制输出值相乘得到电压外环的基准值，由运算放大器U8A构成的电路是采样交流输出电压值，是需要被控制跟随基准值的变量，特别要注意的是由U5C和U5D构成一个PI控制电路，该电路的功能主要是纠偏作用，防止交流正弦波输出的直流分量过大。上述的三个变量输入到以U6A构成P放大控制电路中，输出作为电流内环P控制的基准，该电流内环P控制输入变量为采样输出电流交流值，采用闭环的霍尔传感器，有效屏蔽干扰并增强采样精度。该控制输出作为滞环控制的输入。（3）滞环控制电路滞环控制电路如图3-15所示，电路中采用高速单相电压比较器LM211R、D触发器CD40175BM、施密特触发器CD40106BM以及驱动器CD4503BM。其逻辑说明由图3-16所示。图3-14双环控制电路图3-15滞环控制电路图3-16滞环控制电路逻辑说明（4）偏磁控制电路偏磁控制的输出作为电压外环控制的一个输入变量，主要的作用防止输出电压正弦波形的直流分量过大，有可能造成电感器偏磁，偏磁严重时会引起电感饱和，加大了电感器的损耗，降低功率开关管的利用率，甚至会造成输出波形畸变严重，进而损坏逆变单元，此外直流分量过大，有可能造成交流用电设备的损坏，因此在这采用了偏磁控制，抑制直流分量的过大，通过采用TL084AIDT运算放大器构成两级低通RC滤波把输出电压的直流分量分离出来，采用PI控制，放大直流分量值，最终把该值作为电压环的一个输入值进行控制。图3-17偏磁控制电路1.2.4保护电路设计保护电路可以是逆变单元应在异常条件下不损坏，从保护功能看，保护电路分为包括短路保护、输出过欠压保护、输出过流保护、温度保护等。从保护的条件看，可分为硬件保护和软件保护。（1）短路保护短路保护通常电流过大，极容易以爆炸的形式损坏半导体器件，一般采用硬件保护，保护时间短，并且在发生保护后，逆变单元停止工作，只有以重启方式才能启动逆变单元。短路保护采用单相滞环保护，一旦发生逆变单元发生短路，比较器的同相端被钳位在高电位，只有关机重启才能重新使逆变单元工作，电路如图3-18所示：图3-18短路保护电路（2）输出过欠压保护采用软件保护，当交流输出电压超出设定范围，且时间持续超过10s，单片机发出保护指令，关断逆变IGBT模块。单片机AD采样数据是通过差分电路加精密整流以及一级有源滤波的形式得到交流输出电压值，具体电路如图3-19所示：图3-19输出过欠压保护电路（3）输出过流保护输出过流保护也是采用软件保护，AD采样口的值是通过霍尔传感器加模拟处理电路得到。当输出电路超过额定电流且小于110%额定电流时，且持续时间超过1h，单片机发出保护指令；当输出电流超过110%额定电流且小于120%额定电流时，且持续时间超过1min，单片机发出保护指令；当输出电流超过设定值时，软件立即保护。（4）温度保护逆变单元采用温度开关的形式保护逆变单元，防止逆变单元的温度过高损坏逆变单元，温度开关装置紧贴在靠近IGBT模块的散热器部分。当温度超过110℃时，温度开关打开，此时逆变单元温度处理电路发出高电平，单片机检测到高电平，将发出保护指令，关断逆变单元；当温度低于80℃时，温度开关闭合，逆变单元正常工作，此保护为自恢复保护。1.2.5辅助电源电路设计车辆上的电源主要由24V蓄电池提供，不同的温度及负载造成蓄电池输出电压变化很大。而系统内部使用+15V、-15V、+1.3V、+5V的供电电压，如果使用必须对24V电源进行变换。在本课题中，为简化设计，采用线性稳压器和DC-DC开关电源模块的设计方案，前级首先采用DC-DC开关电源模块将24V转换成+15V、-15V和+5V，再通过线性稳压器将+5V转换成+1.3V。根据运放的供电范围及输入输出信号范围，选择+15V和-15V作为运算及集成电路供电电源，+1.3V和+5V主要为单片机供电并作为运放电路的参考电压，具体电路如图3-20所示。图3-20辅助电源1.3电磁兼容设计通过对逆变电源的电磁环境进行分析，并从电磁干扰源、耦合途径和敏感设备等几个方面入手，找出逆变电源内部和外部的电磁干扰，然后采取指施，对电磁干扰消除或抑制，对耦合途径进行阻断或隔离，对敏感设备进行滤波等防护措施。逆变电源所处电磁环境中存在的电磁干扰源主要有以下几种。（1）IGBT等开关元器件高速开关引起的对外电磁干扰；（2）供电电源的负载突变引起的浪涌电压；（3）系统内部及其周围的强电元器件造成的强电干扰；（4）由连续波干扰源等造成的空间辐射干扰。针对存在的干扰源，解决电磁兼容问题的主要措施是消除干扰源，切断耦合途径。印制电路板在电子产品中，不仅起到安装电路元器件和连接元器件的作用，而且它的好坏直接影响产品的抗干扰能力及对外的电磁辐射。印制线路板中的电磁干扰问题包括公共阻抗耦合、串扰、高频载流导线产生的辐射，以及印制线条对高频辐射的感应等。印刷线路板电磁兼容性设计目的就是要使板上各部分电路之间没有相互干扰；印制板对外的传导发射和辐射发射尽可能降低，达到有关标准要求，为达到以上要求，印制电路板采用多层板来提高抗干扰能力及降低对外辐射。线路板设计时，无论是信号环路或供电环路，电流的环路面积越小越好，尤其不能出现环套环的重叠现象。不相容的元器件和信号线应相互远离，不要平行走线。分布在不同层上的信号线走向应尽量相互垂直。这样可以减少相互之间的电场和磁场耦合干扰。并且线路板上使用的器件速度越快，越容易对外产生电磁辐射，因此，要合理选用元器件，尽可能选用较低速度的器件。高速信号线应考虑阻抗匹配问题，即信号线的负载应与信号线的特性阻抗相等。减小阻抗不匹配引起的传输信号的反射，避免数字波形产生振荡，造成逻辑混乱。走线长度会影响信号在印制板上的延迟时间与引线的特性阻抗，走线越长，所引起的延迟和阻抗就越大，一般可以粗略的认为信号在印制板引线的传输速度，约为光速的1/3到1/2之间，而微控制器构成的系统中常用逻辑电路元件的标准延迟时间为3到18ns之间。当走线长度为25cm、取信号在印刷电路板上的传输速度为光速的1/3时，延迟时间，因此印刷电路板上的走线不要超过25cm，走线要尽量短。走线线宽的突变或走线拐角小于也会造成高频信号在通过时增加其对外的发射与耦合，因此应避免线宽突变和突然拐角，走线拐角应大于，这样可以减小高频信号对外的发射与耦合。石英晶体振荡器也是产生电磁辐射的主要来源，因此石英晶体振荡器的外壳接地，且应靠近使用时钟的器件放置，使连线尽量短。外部蓄电池直流电源是通过导线从引到线路板上的，这就给外界干扰进入设备和逆变电源内部干扰对外传导提供了条件，因此在电源进入印刷线路板电源之前进行滤波处理，以降低供电电源噪声对整个印刷线路板的干扰。采取的措施是在到电源正负极导线上加上磁环（如图3-21所示），能有效抑制电源线上的耦合干扰，满足通过CS101电源线传导敏感度和CS114电缆束注入脉冲激励传导敏感度测试。在供电电源与线路板电源间串联直流馈通滤波器及专用直流滤波器（分别如图3-21与图3-22所示），能有效抑制电源线传输的部分高频和低频干扰，满足通过CE102电源线传导发射和RS103电磁辐射敏感度测试。图3-21直流馈通滤波器和磁环图3-22电源滤波器在DC-DC电源模块的输入和输出端连接去耦和旁路电容，在电源电路的输入和输出中，加上去耦电容（0.1μF）滤除高频噪声；除此之外，为了