【《车载逆变电源系统总体设计及选型分析案例》4500字】

车载逆变电源系统总体设计及选型分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u15267车载逆变电源系统总体设计及选型分析案例 195481.1系统总体框图 1255741.2车载逆变电源的总体设计标准 2107601.3车载逆变器总体设计方案 3132501.4DC-DC升压拓扑结构和选型 372651.4.1DC-DC

变换器基本拓扑结构 4170371.4.2DC-DC逆变拓扑结构及选型 131.1系统总体框图本设计逆变电源采用典型的两级变换：第1级采用DC-DC升压变换，第2级是DC-AC逆变。推挽变换电路运用在DC-DC变换中，该电路主要用在输入电压低、功率小的场所。选取NTP60N06型号的开关管的目的是为了获得更高的耐流值。脉宽调制控制器SG3525芯片内部产生PWM信号，并对输入信号进行升压整流。DC-AC全桥逆变电路采用全桥逆变形式，通过搭建H桥逆变电路实现。DC-AC逆变控制电路由NE556和触发器芯片CD4013搭建而成，集成两个独立555定时器实际电路的NE556芯片构成产生控制电路信号的电路。并且具有过压、过流、过载等保护电路。设计框图如图2-1所示。图2-1总体设计框图1.2车载逆变电源的总体设计标准随着电力电子技术的发展和对逆变器控制性能的高要求，电源转换器需要有着很严格的标准，对其各方面的性能和使用安全等要求都比较高，本次设计方向主要包括以下几点：（1）高性能：有效值作为输出电压的主要依据，一个性能比较高的车载逆变器，为了使该逆变电源具有一个较高质量的波形，适应负载的能力强的特点，我们必须要求能得到一个输出电压和频率保持恒定的车载电源。（2）小型化：提高功率开关器件的工作频率，因为高频工作的功率开关器件主要是应用于高频的隔离变压器中，高频隔离变压器的应用会对整个系统的体积进一步的减小。（3）安全：一个系统在使用中的安全和保护措施极为重要。因此，在该系统设计过程中应该在电路中设置过压、过流、过载等保护电路；该电源输出输入隔离的方式，在升压过程中加入推免变换电路，这样能起到有效的隔离保护作用。本系统是以设计一款在实际环境中运行的车载逆变器电源，以下是该系统主要的性能指标：（1）要求输入输出做到隔离；（2）输入直流电压要求在9.6-16.2VDC之间；（3）输出交流电压要求在220V（±5V）50Hz（±0.5%）AC，功率100W。（4）具备过压、过流、过载等保护功能。1.3车载逆变器总体设计方案本次设计的主要电路为DC-DC升压变换电路、DC-AC单相全桥逆变电路、DC-AC逆变控制电路和相应的保护电路组成。第一步，我们将推免变换电路用在DC-DC电路中，该电路一般应用于输入电压低、功率小的场所。开关管需要一个较大的耐压值，故而选取NTP60N06型号的开关管。脉宽调制控制器SG3525芯片主要控制产生PWM信号，并将输入信号进行升压整流。DC-AC全桥逆变电路采用单相全桥逆变形式，通过搭建H桥逆变电路实现。DC-AC逆变控制电路需要对电路产生控制信号。于是，通过将NE556和CD4013组合成一个模块。保护电路采用比较特殊的LM324芯片来实现，通过蓄电池供电。其中，在输入输出之间采取隔离措施，并且允许的输入直流电压在9.6-16.2VDC之间，通过全桥逆变以后的输出满足电网的基本要求，功率约为100W，并且具有过压、过流、过载保护功能。1.4DC-DC升压拓扑结构和选型将一种能将12V直流电压升压成310V直流输出稳定电压的这种特殊转换叫做直流变直流升压拓扑变换电路，本电路是一种能产生很大的电流高增益并且输入电压低，因此我们需要对开关管进行慎重的挑选，该开关管需要达到更大的电流电压承受能力和恢复反应能力强等要求，因此我们需要对整个升压电路进行简单的分析通过分析选择性能更优的拓扑结构。从目前来看，DC-DC升压变换器主要有两种，其中buck变换器、boost变换器以及其他一些由此演变而来的拓扑结构统称为非隔离式变压器。而下面这几个变换器带有复位绕组的正激变换器、反激变换器、推挽式变换器、半桥变换器以及全桥变换器等五种变换器被称为隔离式变换器。因为本次设计中升压增益较高，因此我们考虑使用隔离式的变换器。下面主要介绍了这几个常用变换电路，并对这几种变换电路的优缺点进行对比，从而做出比较合理的选型。1.4.1DC-DC

变换器基本拓扑结构（1）正激变换器eq\o\ac(○,1)变换拓扑结构正激变换器的去磁有很多方法，我们这里主要介绍带有复位绕组的变换器。因为在变换器工作的过程中，变压器的磁芯会磁化，因为需要在磁芯加上复位绕组，这样可以减少漏感。每个磁芯复位都必须在这个周期结束之前，不然磁偏置现象就会产生，从而使器件损坏。正激变换器的拓扑结构如图2-2所示。设计复位绕组需要从下面两个方向考虑：a.磁复位时间的长短：磁复位的时间取决于复位绕组和初级线圈的匝数比以及开关管的导通时间，因为开关管的最大导通时间是固定的，当匝数比值为1时，复位绕组就失去了作用。因此我们需要增大匝数比，从而提高复位时间。b.体积：增加复位绕组的确可以提高复位时间，但是由于复位绕组的增加导致变压器的体积变大。eq\o\ac(○,2)工作原理正激变换器的不同工作方式的等效电路如图2-3所示。图2-2复位绕组的正激变换器拓扑结构图2-3正激变换器不同工作方式的状态符号说明如下：：输入直流电压；：开关管的栅极电压；、、：分别表示变压器一次绕组、二次绕组、三次绕组；：整流二极管；、：反向续流二极管；：开关管；Lf、Cf、RL：分别表示输出滤波电感、滤波电容、负载。开关管导通时：输入电压加在了一次侧上，初级线圈励磁电流增加。二次侧输出电压为：（2-1）。当开关管VF断开时：变压器原边绕组和副边绕组都没有电流流过，此时变压器则会通过复位绕组进行磁复位，励磁电流经、，通过二极管回馈到输入直源中去；磁复位完成。VF关断状态下，此时所有的绕组中均无电流，输出电压为。为二次侧输出电压与占空比的积。其主要参数波形如图2-4所示。图2-4正激变换器的工作参数波形eq\o\ac(○,3)正激变换器的优缺点正激变换器的每一个周期都要完成磁复位，否则可能会出现磁偏置现象，从而导致器件损坏；所以很多的正激变换器的占空比很低、变压器副边绕组和初级绕组的匝数比大。由于有复位绕组，使得变压器体积增大。如果我们在忽略漏感时，正激变换器的开关管将承受很大的电压。eq\o\ac(○,4)适用场合在低电压输入，变压器增益较小，输出电压不高的场合比较适用于正激变换器。（2）反激变换器eq\o\ac(○,1)变换拓扑结构反激变换器的拓扑变换结构如图2-5所示。图2-5反激变换器拓扑变换结构eq\o\ac(○,2)工作原理反激变换器处于不同工作状态的等效电路如图2-6所示。图2-6

反激变换器不同工作形态的等效电路开关管VF导通时：加载在一次侧上，此时变压器副边电压为负值，表明副边绕组没有电流流过，这个时候的初级绕组相当于纯电感，电源对充电。开关管VF断开时：一次绕组开路后，二次绕组电压反相，处于导通状态，副边绕组给Cf充电，由此我们可以知道铁芯上磁通量线性减少。其工作波形如图2-7所示。eq\o\ac(○,3)变换器的优缺点反激变换器具有结构比较简单，使用器件少，适合多路输出等显著优点。变压器的工作状态是先将能量储存在初级绕组，然后通过磁芯在副边绕组释放，这种情况决定了反激变换器的使用场合，并且我们应该在变压器的磁芯加上气隙，对于磁饱和的产生有防止作用；但是这样会导致漏感增加，开关管承受电流冲击变大。由于副边没有电感进行滤波，导致反激变换器输出电流波纹较大。图2-7

反激变换器工作参数波形eq\o\ac(○,4)适用场合

由上面可知在一些中小功率，输入电压较低，输出纹波要求不高的场合比较适合用反激变换器。（3）推挽变换器eq\o\ac(○,1)变换拓扑结构推挽变换器的变换拓扑结构如图2-8所示。eq\o\ac(○,2)工作原理变换器电路（图2-8）中与相同，与相同。外部脉冲控制和两个开关管的交替导通和关断。副边经过二极管、整流，稳定输出的直流电压需要通过Lf、Cf滤波以后得到。工作波形如图2-9所示。图2-8推挽变换器拓扑结构图2-9

推挽式变换器工作参数波形eq\o\ac(○,3)推挽变换器的优缺点因为电路不对称的情况，因此变压器的磁芯在交替的磁化和去磁中可能会偏向于磁滞回线的非线性部分，磁芯偏磁的积累达到一定时间会导致磁芯进入饱和区，初级绕组回路产生很低的感抗，从而出现很大的电流，可能会损坏电路。eq\o\ac(○,4)适用场合在一些体积小，中小功率的逆变电源中适合用推免式变换器。（4）半桥变换器

eq\o\ac(○,1)变换拓扑结构半桥变换器的变换拓扑结构如图2-10所示。一般两个开关管和并联的两个电容组成的结构叫做半桥变换器。eq\o\ac(○,2)半桥变换器的工作原理半桥逆变器实质上是由两个正激变换器组合而成的。变压器初级绕组的一个端口接在两个相同的电容之间，其电压为的一半，另一个端口接在由开关管组成的桥臂之间，当、交替导通和断开时，初级绕组上的电压在交替出现，副边绕组经过二极管整流，再经过LC滤波得到稳定的直流输出电压。图2-10

半桥变换器拓扑结构半桥逆变电路接不同负载的各个参数波形如图2-11所示。eq\o\ac(○,3)半桥变换器的优缺点：目前大电压输入小功率使用的较多的变换器拓扑结构是半桥变换器，主要有使用器件少，外围电路结构也简单，驱动设计难度小等优点；而且变压器的磁通密度处于1、3象限，会出现桥臂可能直接导通，且不适合过小电压和过大输入的电路拓扑等缺点，因为过小电压会导致电路不平衡造成的输出失衡，电压过大时我们需要大电容来平衡。因此半桥变换器拓扑结构在中电压、小功率的电源系统中比较受喜欢。图2-11

半桥逆变器主要波形

eq\o\ac(○,4)适用场合由上面可知在一些较大电压输入的逆变电源场合适合用半桥变换器。

（5）全桥变换器

eq\o\ac(○,1)换拓扑结构

全桥逆变器的结构图如图2-12所示。eq\o\ac(○,2)全桥逆变器的工作原理本电路由4个功率开关器件组成，开关、和、在周期内交替工作，使得变压器初级线圈端输入大小为的方波电压，在变压器次级输出为大小华的方波电压[4]。eq\o\ac(○,3)全桥逆变器的优缺点

由于全桥逆变电路开关管电压较低，在这种情况下会导致输出的功率较大，变压器磁芯会双向磁化，并且使用器件过多，电路比较复杂，桥臂之间不共地等缺点。导致驱动电路设计困难重重，并且会出现一下磁反应现象，导致实验设计有差距，这又给控制电路设计增加了挑战性。图2-12全桥逆变拓扑结构eq\o\ac(○,4)适用场合在一些需要灵活控制输出的场合中适合使用全桥变换器。

（6）五种变换器优缺点比较结合以上几节的分析，本文主要从电路复杂性、体积、适用范围、器件要求，输入输出范围等几点考虑，总结以上讨论的五种变换器的优缺点[5]。变换器优缺点的比较如表1.1所示。表1.1五种变换器的优缺点类型优点缺点适用场合正激变换器电路简单变压器利用率低输入电压低环路增益小反激变换器结构简单体积较小漏感大电压尖峰高小功率和多路输出推挽变换器体积小电压尖峰低存在磁偏置中高压输入电路半桥变换器结构简单使用器件少不适低压输入电路中高压输入电路全桥逆变器开关管电压尖峰小控制和驱动较繁杂输出需要灵活控制由此我们可以看出推免变换器适合用在低电压直流升压为高电压直流，并且具备本设计的基本性能设计要求。推挽式变压器开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出[6]

。综上，本文选择采用推挽式变换器。1.4.2DC-DC逆变拓扑结构及选型在大电压输入的DC-AC逆变拓扑结构中，我们不难发现在逆变这个方面大部分都是使用桥式拓扑结构，因此我们来介绍一下两种常用桥式电路的结构和简单的比较，桥式结构如图2-13所示。图