正弦波逆变器的设计与研究(编辑修改稿)

正弦波逆变器的设计与研究(编辑修改稿)内容摘要：

工作的逆变器还有其他保护，如在温度很低或者很高的场合需要有温度保护，在某些气压变化的情况下还要有气压保护， 在潮湿的环境中要有湿度保护等等。 2． 2 变换电路的基本形式 根据电路中是否含有高频变压器可以将功率变换电路分为非隔离式变换和隔离式变换电路。 含有变压器的隔离式变换电路不仅可以将输入与输出分离，降低相互之间的影响，还可以改变输入输出的电压比。 2． 2． 1 非隔离式变换电路 非隔离式电压变换电路最基本的 形式有两种：降压变换电路 (Buck 变换电路 ) 和升压变换电路 (Boost 变换电路 )，由这两种变换电路可以组合成为另外两种 隔离式变换电路：降压一升压变换电路 (BuckBoost)和升压一降压变换电路 (BoostBuck 也称为 Cuk 变换电路 )。 这几种变换电路工作时输出电流都有连续 和不连续两种状态，对一般的逆变系统来说，要求其输出在一定范围内电流连 续。 1． 降压变换电路 (Buck 电路 ) Buck 变换电路的基本形式如图 2． 2所示。 设开关管 Q 在一个周期丁内导通时间为 ONT ，关断时间为 OFFT ，导通时间 ONT 与周期 T之比定义为占空比，用  表示  =OFFONONTT T = TTON = ONTf (2． 1) 10 式 (2． 1)f = T1 即为开关管的工作频率。 Buck 变换器输出电压 0V 和输入电压 dV 的关系为 0V = . dV (2． 2) Buck 变换器要求输出电压 0V 的纹波很小，也就是输出电 流 0I 纹波很小，在一个开关周期内 0V 和 0I 几乎都不变。 所以要求滤波电感 L 和电容 C 的值都足够大，电感电流 Li 在一个开关周期内变化很小，其平均值等于 0I。 在一般系统中 ,输 出纹波电压 0V 满足 0V = 208 )1( LCfV (2． 3) 2．升压变换电路 (Boost 变换电路 ) Boost 变换电路的基本形式如图 2． 3所示，其工作原理与 Buck 变换电路相似。 输出电压 0V 与输入电压 dV 的关系为 0V = dV11 (2． 4) 图 2． 3 Boost 变换电路 Boost变换电路中电感 L和电容 C设计与 Buck电路相似，当输出电流 0I = min0I时电感的电流应连续，则 Li 的变 化量 Li 不能超过 min0I 的两倍，即 Li  2 min0I ，当输入电压最低为 mindV 和输出电压最高为 minoV 时开关管占空比  最大，导通时 11 间最长 TTON  m axm ax  ，由电感 的基本特性得 OMINONd ITVL 2 m axm in (2． 5) 在开关管导通时间 ONT 内，输出滤波电容 C 放电，规定在最大负载电流 maxoI下、最大开关管导通时间 maxONT 内电容上电压变化量不超过cV，由电容的基本特性得 cONo VTIC  m axm ax (2． 6) 输出纹波电压 OV 不仅与电容 C有关，与负载 R也有关 RCfVV OO  (2． 7) 3．降压一升压变换电路 (BuckBoost 变换电路 ) Buck — Boost 变 换 电 路 的 基 本 形 式 如 图 所示。 图 2． 4 BuckBoost 变换电路 电路稳定工作状态下，当开关管 Q 导通时，电流通过电感 L，此时电感储能， i=0，电容 C通过 R 放电；当开关管 Q 关断时，电感 L 释放能量，电流通过续 流二极管 D，一部分为电容 C充电，另一部分提供输出电流，输出电压 0V 与输 12 入电压 dV 的关系满 足 0V = dV1 (2． 8) 输出电压纹波 OV 与滤波参数 L、 C满足 28LCfVV do  (2． 9) 4．升压一降压型变换电路 (Cuk 变换电路 ) Cuk 变换电路实际上是将一个降压电路串联在一个升压电路后面，它的输出电压可调，且与输入电压极性相反，输入与输出电流 纹波很小，滤波电路相对 简单，其原理如下图。 图 2． 5 Cuk 变换电路 假定电路处于稳态工作状态，当开关管 Q导通时， D截止，电感 1L 储能， 1C的放 电电流为 2C 充电，同时电感 2L 储能， ci = 1Li + 2Li。 当 Q 关断时， D 导通， 电感 1L 释放能量给电容 1C 充电，电感 2L 通过 D释放能量，保持输出。 所以 Cuk 变换电路无论在开关管导通还 是关断期间都有能量传递，但由于电容 1C 上的电压比较高，所以该电路不常用，但其优点还是很明显的。 2． 2． 2 隔离式变换电路 隔离式变换电路已经被广泛应用于多种逆变式功率变换装置中，有单相逆变也有三相逆变，它们都是由 Buck 变换电路和 Boost 变换电路等基本电路组成的。 隔离式变换电路的基本形式有单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式几种 n 羽。 本文只讨论单相逆变电路中这几种变换电路性能特点。 13 单端正激隔离式变换电路的原理图和工作波 形如图 2． 6 所示。 图 2． 6单端正激式变换电路及其工作波形 当开关管 Q 导通时，通过它的电流上升，次级 2D ：截止， 1D 导通，通过电感 L 的电流 Li 上升，此时电感储能，为负载提供能量的同时为电容 C充电；当开关管 Q关断时， 1D 截止， 2D 导通，电感 L通过 2D 续流，并将能量传递到负载 R，同时电容 C放电。 开关管 Q承受的最高电压为 2 dV ，其工作电流为 1m a xLTVnii dLC  (2． 10) 式中 1L 为变压器原边励磁电感， n为变压器的匝比。 2．单端反激式变换电路 单端反激式变换电路的原理图及工作波形如图 2． 7所示。 14 图 2． 7单端反激式变换电路及其工作波形 开关管 Q 导通时，二极管 D 截止， dV 加在变压器原边，此时原边励磁电感储能；在开关管 Q关断时， D导通，变压器原边储存的能量耦合到副边为负载尺提供能量并为电容 C 充电。 若变压器初级电流峰值为 LI ,匝比为 n，原边电感为 L，效率为  开关管周期为 T，则输出功率 oP 为 oP = TLIL22 (2． 11) 开关管最高工作电压为 ( maxod nVV  )，其工作电流 Ci 为 Ci =max2doL nV PnI  (2． 12) 反激式变换电路中，变压器以耦合电感的形式工作，体积比较大，不适合做大功率变换器，但它的优点也很明显：电路结构简单，能够自动均衡各路负载，因此可以很容易的实现多路输出。 3．推挽式变 换电路 推挽式变换电路原理图及工作波形如图 2． 8所示。 15 图 2． 8推挽式变换电路原理图及其工作波形 推挽变换电路中开关管 Q Q2 由两路相位相反的 PWM 波分别控制使它们交替通断：当 Q1导通时， Q2关断，输入电压 dV 加在变压器原边 1pN 绕组上，此时1pN 绕组上承受的电压为 2 dV ：死区时间内，两个开关管都关断，端电压都为 dV ；当 Q2 导通时， Q1 关断，工作过程与 QI 导通时相似。 在开关管开关过程中，有时会产生电流尖峰，原因是在死区时间内，两只开关管都关断，变压器副边电感通过两只整流二极管续流，当有一只开关管导通时 ，副边整流管将有一个截止，由导通到截止 的过程是一个反向恢复过程 ,变压器副边相当于短路，因此在原边会产生一个电流尖峰。 在开关管由导通变为关断的瞬间，变压器原边漏感和引线电感上储存的能量会给开关管等效输出电容充电，这样在开关管两端会产生一个电压尖峰，这个尖峰与原边电流和漏感的大小有关。 4．半桥式变换电路 半桥式变换电路的原理如图 2． 9所示。 16 图 2． 9 半桥式变换电路原理图 图中 1C = 2C ，当两个开关管都关断时，两个电容中点电压为输入电压的一半，即 221 ddd VVV 。 当 Q1导通时，电容 C1 通过 Q1 和变压器原边放电，同时电源电压 dV 通过 Q1 和变压器原边给电容 C2充电， C1 与 C2中点 A的电位上升 ； 当Q1 关断时， C C2端电 压又恢复到电源电压的一半； Q2 导通时工作情况与该过程相似。 半桥式变换电路中开关管导通时也有电流尖峰，情况与推挽变换电路相似，由于 Dl、 D2 的钳位作用，开关管端电压限制在 dV。 半桥式变换电路在电源电压一样，开关管工作电流相同的情况下，输出功率是推挽式变换电路的一半，原因是加到变压器原边的电压为输入电压的一半，但半桥式变换电路平衡能力强是该电路的显著优点。 5．全桥式变换电路 全桥式变换电路原理如图 2． 10 所示。 图 2． 10 全桥式变换电路 全桥式变换电路与半桥式变换电路结构相似，只是用两个开关管代替两个电容，四个开关管由两组相位相反的驱动脉冲分别控制。 Q Q4 导通时 Q Q3 关断，变压器原边电压 dV 的方向为下正上负；反之， Q Q3 导通时 Q Q4 关断， 17 变 压 器原边有上正下负的 dV 电压。 在死区时间内，电路的工作情况与半桥电路相似。 2． 2． 3 各种变换电路的特点及应用 由以上分析可知，各种变换电路的特点差别很大，因此应用范围不同。 1．单端式变换电路特点及应用 单端式变换电路有正激式和反激式两种，它们有以下特点： ⑴ 开关器件少，电路结构简单。 ⑵ 没有开关管直通问题，可靠性高。 ⑶ 变压器单向工作，不会产生由于电路不平衡造成的偏磁问题。 同时，单端式变换电路也有缺点： ⑴ 单端式变换电路的开关管承受的输入电 压比半桥式和全桥式变换电路要高。 ⑵ 由于单端式变换电路变压器单向工作，磁芯的利用率低，因此变压器体积较大。 ⑶ 电路工作占空比小，通常小于 0． 5，所以输出功率小。 对于正激式变换电路，最大的优点就是可靠性高，应用范围比较广；而反 激式变换电路一般用于功率较小的场合，原因是它的变压器以电感的形式工作，体积限制了它无法应用于大功率场合。 2．双端式变换电路的特点及应用 双端式变换电路不包括由单端式变换电路复合而成的变换电路，它们的特点与性能比较如下： ⑴ 推挽式变换电路使用的开关器件较少且输出功率大，但开关管 承受的电压高，适用于输入电压较低的场合。 ⑵ 半桥式变换电路使用的开关器件也较少，开关管承受的电压不高，驱动相对容易，抗不平衡能力强，但输出功率小，适合中小功率的应用场合。 ⑶ 全桥式变换电路开关管承受的电压不高，输出功率大，但使用的开关管数量多，驱动相对复杂，适用于功率较大的场合。 双端式变换电路性能对比和应用情况如表 2． 1所示。 表 2． 1 双端功率变换电路性能对比 18 2． 3 本章小结 本章对电源变换电路的各种结构作了简要分析，比较了非隔离式变换电路和隔离式变换电路的特点，重点对隔离式变换电路适用的场合作分析，为下一章主电路结构的选择与设计提供理论依据。 3 逆变系统主回路设计 3． 1 现代逆变系统中的功率变换技术 在进行逆变器设计时，首先要选择合适的主电路拓扑结构和开关器件的型号，其次确定开关器件的工作频率及电压、电流大小 ，再次要设计合理的控制电路。 这些问题确定之后需要通过一定的功率变换技术来完成设计，因此首先介绍下开关电源的功率变换技术。 功率变换的技术有很多，每种技术的工作原理和特点、设计和应用情况各不相同，根据开关管驱动方式分为硬开关 PWM 变换和软开关 PWM 变换。 1．硬开关 PWM 变换技术 硬开关 PWM 变换技术是 20 世纪 60 年代开始发展和应用的，“硬开关 指的是开关管开通或者关断时，其上的电压或电流不为零，通过控制电路强迫其开通或关断，这种变换技术的电路中开关管工作频率固定，通过调节每周期开关管导通和关断时间调节 和稳定输出。 硬开关 PWM 技术中开关管承受的电压为固定值，这样对开关管的要求相对低一些，同时控制电路也比较简单，因此硬开关 PWM 技术是使用最为广泛的变换技术之一。 然而硬开关 PWM 技术也有其缺点，如开关损耗大，开关管的电流变化率 ti dd和电压变化率 tv dd 较大，从而产生比较高。