【《某车载逆变电源系统主电路方案选择分析案例》3100字】

某车载逆变电源系统主电路方案选择分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u21392某车载逆变电源系统主电路方案选择分析案例 1259281.1系统设计指标 119881.2系统结构选择 185961.1.1升压电路的选择 2306681.1.2逆变电路的选择 6214711.3系统总体设计 71.1系统设计指标作为一款可供大众使用的车载逆变电源，电源系统的成本、效率以及体积是最受人们关注的。结合目前市场需求，将设计一款指标要求如下的车载逆变电源。(1)输入电压：DC24V，范围22V~26V；(2)逆变输出电压：AC220V（±3V），频率：50Hz；(3)输出电压波形：正弦波；(4)开关频率：25kHz；(5)输出功率：2500W；(6)效率：≥90%。1.2系统结构选择目前可以用来设计车载逆变电源的方案分为两种[25]：一种是工频逆变电路结构，该结构变换过程为：输入的低压直流电经过逆变电路后输出低压交流电，经过滤波后低压交流电再进入工频变压器升压后输出，其变换结构如图2-1所示。这种电路结构比较简单，电压只需要进行一次逆变，控制也比容易。但是由于这种电路结构中有工频变压器的存在，而工频变压器的最明显的缺点就是体积比较大，十分占用空间，用这种电路结构设计出来的逆变电源不符合轻量化的设计要求，而且工频变压器工作时产生的噪声很大，器件的成本也比较高。因此，这种逆变结构不符合车载逆变电源的设计要求。图2-1工频逆变电路结构另外一种是是目前应用最为广泛的两级式变换结构，如图2-2所示。该变换结构的基本变换原理为：低压直流电经过前级电路升压，再通过后级电路逆变，滤波后就能输出交流电。两级式变换结构中一般使用的是高频变压器，而高频变压器的特点是：电路中工作频率越高，变压器体积越小，并且高频变压器在工作时产生的噪声很小，器件的成本也比较低，更重要的是这种变换结构输出的电压波形质量好，因此，这种结构被广泛应用于车载逆变电源设计[26-28]。图2-2两级式变换电路结构对比两种方案可以得出，两级式变换电路结构明显更适合作为车载逆变电源主结构。选用这种电路结构，设计出来的车载逆变电源的体积小、转换效率高、性能好，成本低，适合批量生产。1.1.1升压电路的选择当系统的结构确定后，两级变换电路中DC/DC升压电路和DC/AC逆变电路的选择是最重要的。其中前级DC/DC升压电路的作用是将输入的24V直流低压升至360V的直流高压，并且还要做到稳定输出以确保后级逆变电路的正常运行。这种输入电压值和输出电压值相差比较大的变换电路，对开关器件耐压性能要求较高，同时也加大了设计的难度。DC/AC电路的作用则是将直流高压逆变为220V/50Hz的交流电，电路中开关器件和滤波器的选择是最重要的。目前，可以作车载逆变电源前级DC/DC升压变换的电路主要有五种变换结构，分别为[29]：(1)正激变换电路正激变换电路拓扑如图2-3所示，图中Vi、Vo分别为输入电压、输出电压，S为开关器件，T为隔离变压器，D为变换电路中开关器件导通时间与开关周期之比，n为正激变换电路中高频变压器的初级线圈和次级线圈的匝数之比，即。正激变换器的工作过程为：当S闭合后，a1端电压为正，a2端电压为负，此时由于电磁感应作用变压器次级产生感应电压，b1端电压为正，b2端电压为负，电流从b1流向b2，电容充电；S断开时，变压器次级线圈没有感应电压产生，电容放电C1续流，并且电流逐渐减小[30]。正激变换器的输入与输出变比为：(2-1)图2-3正激变换电路拓扑(2)反激变换电路反激变换电路拓扑如图2-4所示，其由变压器和Buck-Boost电路构成。反激变换电路的工作过程为：S闭合时，a1端电压为正，a2端电压为负，此时次级线圈有感应电压产生，但是其电压方向与初级线圈相反，即b1端电压为负，b2端电压为正，所以Q截止，变压器磁芯储能，电容C1放电，同时为R1供电；S断开时，变压器初级线圈没有电流流过，由于电磁感应作用，次级线圈有电压产生，此时b1端电压为正，b2端电压为负，Q导通，给负载供电的同时给电容C1充电[31]。反激变换器的输入输出变换比为:(2-2)图2-4反激变换电路拓扑(3)半桥变换电路半桥变换电路拓扑如图2-5所示，图中C1和C2为储能电容，S1和S2组成桥臂，当C1、C2电容值相同时，C1、C2两端的电压值相等，均为12Vi。其工作过程为：当S1导通，S2断开时，电容C2充电，C1放电，此时次级线圈电压大小为Vi2n，并且b1端电压为正，b2端电压为负，因此Q1、Q3导通，Q2、Q4截止，电感L的电流增加；当S2导通，S1断开时，C1充电，C2放电，此时变压器次级线圈两端电压大小为Vi2n且电压方向和直流电源的电压方向相反，即b1端电压为负，b2端电压为正，Q2、Q4导通，Q1、Q3截止，电感L的电流增加；当S1(2-3)图2-5半桥变换电路拓扑(4)全桥变换电路全桥变换电路拓扑如图2-6所示，该电路包含4个功率开关器件，开关S1、S2和S3、S4在周期内交替工作，使得变压器初级线圈端输入大小为Vi的方波电压，在变压器次级输出为大小Vin的方波电压。其工作过程为：当S1、S3导通，S2、S4断开时，b1端电压为正，b2端电压为负,电压幅值为Vin，此时Q1、Q3导通，Q2、Q4截止，C1充电；当S2、S4导通，S1、S3关断时，b1端电压为负，b2端电压为正，电压幅值为Vin，此时Q2、Q4导通，Q1、Q3截止，C1充电；当S1~S4都关断时，变压器次级线圈没有感应电压，此时C1放电，Q(2-4)图2-6全桥变换电路拓扑(5)推挽变换电路拓扑推挽变换电路拓扑如图2-7所示，工作时S1、S2交替导通，使变压器次级线圈两端输出幅值为Vin的方波电压。其工作过程为：当S1导通，S2断开时，b1端电压为正，b2端电压为负，此时Q1、Q3导通，Q2、Q4截止，C1充电；当S2导通，S1断开时，b1端电压为负，b2端电压为正，此时Q2、Q4导通，Q1、Q3截止，C1充电；当S1、S2都断开时，变压器次级线圈两端没有感应电压，此时C1放电，Q1~Q4导通(2-5)图2-7推挽变换器表2-1变换器优缺点比较综合以上五种变换器优缺点,决定选用推挽电路作为升压电路，该电路具有损耗小、转换效率高、驱动方式简单以及输出的波形对称等优点[34-35]。1.1.2逆变电路的选择当前可供选择电路主要有半桥逆变电路和全桥逆变电路，这两种逆变方式都依靠脉冲信号控制开关器件的通断来实现正弦波输出[35]。(1)半桥逆变电路拓扑半桥逆变电路拓扑如图2-8a所示，其工作原理为：在0~t2之间，开关S1导通，S2关断，t2时开关S1关断，io不会立即变为零，此时D2导通续流，直到t3时刻io减为零；在t3~t4之间，S2导通，S1断开，io方向发生改变，t4时开关S2关断，此时二极管D2导通续流，直到t5时进入下一个状态，电流变化如图2-8b所示。a)半桥逆变电路拓扑b)半桥逆变波形图图2-8半桥逆变电路(2)全桥逆变电路拓扑全桥逆变电路如图2-9a所示，其工作原理为：在0~t1之间，开关S1、S4导通，S2、S3关断，uo的大小与输入电压Ud大小相同，在t1时刻，S3和S4的驱动信号发生改变，但是电流io不会突然改变方向，所以S3不会立即导通，在t1~t2之间由二极管D3续流；在t2~t3之间，开关S1关断，S2不会立即导通，二极管D2续流，直到电流io降为零后开始反向，此时S2和S3开始导通，t3时S3关断，S4不能立即导通，此时二极管D4续流，直到进入下一状态,电流变化如图2-9b所示。a)全桥逆变电路拓扑b)全桥逆变波形图图2-9全桥逆变通过比较两种逆变方式的电路结构并结合设计要求，系统采用全桥逆变电路作为后级逆变电路。1.3系统总体设计系统总体设计框图如图2-10所示，升压电路的作用是将输入的直流电压24V升至360V，其主要由推挽电路和全桥整流电路组成，