400hz逆变电源的研究毕业论文(编辑修改稿)

400hz逆变电源的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

换器和极性反转逆变桥构成，具有电路结构简洁、双向功率流、输出电压波形质量高、负载适应能力强等特点。 这种电路结构即 BUCK逆变器应用在 400Hz逆变电源中。 具有负载适应能力强，效率高等特点。 并且采用单极性的 SPWM调制，单极性调制逆变器将比双极性调制逆变器有更优良的输出频谱特性、更小的输出滤波器。 这种主电路结构也使功率开关管的控制更加简单，简化了控制电路设计及控制方法的实现，为逆变电源提高整体性能打下基础。 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 11 3 直流 /交流变换器 直流 /交流电功率变换器称为 逆变。 本 章论述直流 /交流电功率变换的基本原理，介绍方波运行模式下电压型和电流型逆变器的特性，输出电压大小和波形的 PWM控制基本原理，三相逆变器的空间矢量 PWM控制，多电平逆变器、高压大容量逆变器的复合结构以及逆变器的基本应用 [7]。 逆变器的类型和性能指标 直流 /交流电功率变换是通过逆变器实现的。 逆变器的输入是直流电，输出为交流电。 交流输出电压基波频率和幅值都应能调节控制，输出电压中除基波成分外，还可能含有一定频率和幅值的谐波。 逆变器的类型 逆变器 由主电路和控制系统两部分组成。 逆变器 应用广泛，类型很多。 其基本类型有： （ 1）依据直流电源的类型，逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器。 电压型逆变电路的输入为直流电压源，逆变器讲输入的直流电压逆变输出交流电压，因此也称它为电压源型逆变器 VSI；电流型逆变电路的输入端串接有大电感，形成平稳的直流电流源，逆变器将输入的直流电流逆变为交流电流输出，因此也称它为电流源型逆变器 CSI。 （ 2）依据输出交流电压的性质，可分为恒频恒压正弦波逆变器和方波逆变器，变频变压逆变器，高频脉波电压（电流）逆变器。 （ 3）依据逆变电路结构的不同，可分为单相半桥、单相 全桥、推挽式、三相桥式逆变器。 （ 4）依据开关器件及其关断（换流）方式的不同，可分为采用全控型开关的自关断换流逆变器和采用晶闸管半控型开关的强迫关断晶闸管逆变器两类。 晶闸管逆变器也可利用负载侧交流电源电压换流，负载反电动势换流或负载谐振换流 [5]。 电压型单相方波逆变电路工作原理 电压型单相全桥逆变电路 改变 开关管的门极驱动信号的频率，输出交流电压的频率 f也随之改变。 为保证电路正常工作， 1T 和 2T 两个开关 管不应同时处于通态， 4T 、 3T 两管不应同时处于通态，否则将出现直流侧短路。 实际应用中为避免上、下开关管直通，每个开关管的开通信号应略为滞后于另一开关管的关断信号，即“先断后通”。 同一桥臂上、下两管 1T 、 2T 或 3T 、4T 关断信号与开通信号之间的间隔时间称为死区时 间，在死区时间中， 1T 、 2T 或 3T 、 4T 均无信号。 电压型单相逆变器电压和波形控制 上节中 各单相逆变电路输出电压均为 180 宽的方波交流电压。 输出电压中基波电压数值仅由输入电压 DV 唯一确定，而且输出电压中除基 7波外含有大量的谐波，对其中的 7等低阶次谐波，若采用 LC滤波器去衰减，则必须有 LC数值很大的滤波器，因为 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 12 要滤除 n次谐波必须 CnLn  /1 ，即， nLC /1 ，谐波阶次 n低，要求 L、 C的谐振频率 0 低，要求 L、 C数值很大。 三相逆变电路工作原理 三相交流负载需要 三相逆变器，三相逆变器有两种 电路结构，其一为由三个单相逆变器组成一个三相逆变器。 每个单相逆变器可以是半桥式也可以是全桥式电路。 三个单相逆变器的开关管驱动信号之间互 差 120 ，三相输出电压 Av 、 Bv 、 Cv 大小相等，相差120 ，构成一个对称的三相交流电源，通常变压器的二次绕组都接成星型以便消除负载端的三倍数的谐波。 三相逆变器的另一种电路结构 . 三相逆变器输出电压和波形的 SPWM控制 对于三相逆变器也可以采用本章第三节中单相逆变器的多脉波 PWM控制或 SPWM控制方式。 在输出电压的每一个周期中，各开关器件通、断转换多次，实现即可调节、控制输出电压的大小、又可消除低次谐波改善输出电压波形。 三相电压型逆变电路任何时刻一个桥臂只有一个开关管被驱动导通，上、下开关管驱动信号互补。 因此三相桥电压型逆变电路这 6个开关管同时被驱动导通。 当负载为星型联结时如果负载中点为 N，则当 1T 、 5T 、 6T 同时导通时， A、 C两点接电源正端， B点接电源负载各 相阻抗相等，则DDAN VRRRVV31121 ，当 1T 、 5T 、 3T 同时导通时， A、 B、 C三点都连在一起，故 0ANV ,类似地分析可以画出负载星形联结时负载相电压 ANV 的波形。 PWM控制 基于传统空间矢量脉宽调制 (SPWM)控制的三相逆变器能够获得快速的动态响应 ,但实 现复杂 ,需要高速微处理器。 本文提出了一种新的简单 SPWM控制方法。 在理论分析的基础上得出了逆变器实现 SPWM调制的占空比计算公式。 该方法具有传统 SPWM快速动态响应的优点 ,且实现简 单 [13]。 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 13 4 系统综述 技术指标 输入电压 :交流 220V，频率 50HZ 额定输出功率： 2KVA 输出电压波形：正弦波 输出频率 :400HZ 输出电压总谐波失真 :THD5％ 系统主电路 主电路结构 本系统主要由以下 A、 B、 C三个部分组成， 功能是完成交流 220V/50Hz到交 流 115V/400HZ的变换，结构如下： 图 41 系统结构框图 (一 ) A部分 (PFC boost) 本部分的作用把交流 电整流并通过 boost 电路升压，输出为 360V 的直流高压，在控制电路控制下实现稳压，并使功率因数为 1。 这一级要保证功率因数为 1，同 时实现稳压的 功 能。 [12] (二 ) B 部分 (DC/DC) 本部分完成从直流 360V 到直流 180V 的变换，采用变压器隔离 DC/DC变换，变压器的作用是隔离及变压，原边的逆 变桥由四个开关管组成，副边由四个整流 管组成，对于变 桥同一桥臂开关管的控制采用互补控制，对角开关管同时导通和关断，逆变桥输出极性为正或负的方波信号，正负脉冲的宽度各为 50％， 电路 原理如图 42所示。 图 42 系统结构框图 A 部分 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 14 满调制时 VI～ V4驱动波形如图 44(a)所示，占空比为 50％，图中的波形没有考虑死区，即认为开关管为理想器件。 图中 PWMl 和 PWM3 同相， PwM2 和 PWM4 同相没有移相，此时副边输出电压最高，如果不计损耗，那么副边的输出电压为 nVin，其中 n为变压器的变比在这里变比为 2:l，这是满调制时的输出，此时副边通过二极管来整流，即为不 控整流。 图 43 B 部分电路图 原边的开关作用相当于把输入直流信号调制为交流的方波信号，副边二极管 则把该信 解调为直流电压输出，由于 V1及 V4和 V2及 V3的脉宽均为 T/2(T为开关周期 )， Uab(变压器副边的电压波形 )正半波和负半波经历时间均为 T/2， abU 经过副边整流之后可得到最大的输出电压，从而完成了从 360V 直流电压到 180V 直流电压的隔离及变换。 开关管的驱动信号为高频的驱动信号，这也使变压器有较小的体积，并能够得到较高质量的直流信号。 (三 ) C部分 (DC/AC) C部分即逆变电源中的逆变电路，它主要功能是完成 DC180V到 AC115Vrms/400Hz交流电压的变换功能。 这一部分是整个逆变电源的核心部分，也是本文所研究的重点部分。 该逆变电路实际上是一种 Buck逆变器，即上一章所提到双向直流变换器，它是双向直流变换器的一种应用，这种 Buck逆变器可以看作由两个部分组成： (1)具有双向电流导通能力的 Buck变换器。 (2)全桥变换电路，如图 46所示。 双向直流 Buck变换器由 Buck电路和 Boost电路结合而成，图 47(a)为 Buck电路，图47(b)为 Boost电路，把功率二极管换成双向开关就形成了双向 Buck变换器，如图 47(c)所示，从而实现了能量的双向流动。 对于 Buck变换器，它的输出电压 V0=VinD(其中 ， Vin是输入的直流电压， D是主功率开关管 M1的占空比 )。 在逆变器中，控制电路通过 SPWM脉宽调制技术控制开关管 M1的占空比 D，把输入的直流电压调制成相应电压波形输出，使得 Buck变换器在滤波电容 c上的输出电压 cdU 为一系列的正弦全波整流电压，即单极性的馒头波，再通过后一级的全桥变换电路使一系列的单极性 的正弦馒头波在负载上展开成标准的讵弦波。 工作原理如图 48所示。 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 15 （ a） 原边门极驱动波形 （ b）变压器副边波形 图 44 原边的门极驱动波形及变压器原边波形 图 45 C部分电路图 图 46 C 部分的结构图 （ a） Buck 电路 （ b） Boost 电路 47（ c） 双 向直流 buck 变换器 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 16 双向 Buck 变换器由两个 MOSFET 的开关管器件及 D D2 二极管组成。 两个开关管互补导通，二极管具有续流的作用，从而能够实现能量的双向流动，所 以能够接感性及容性负载。 直流侧的电压采用单极性 SPWM 调制通过 DC/DC在电感后面生成单极性馒头波，即频率为 800HZ。 全桥逆变部分由 4个 MOSFET 开关管组成，通过低频开关信号控制实现对输入即单极性馒头波周期倒向从而输出 400HZ 的正弦波。 输出滤波电路由滤波电感 L、滤波电容 C构成，其作用是将 DC/AC 输出的含有高次谐波分量、基波频率为 400HZ的调制电压波滤成低 THD 的 115V/400HZ 的交流正弦波，供交流负载作用。 双向 Buck 逆变电路的优点： （ 1） 双向 直流变换器型高频环节逆变器的电路结构。 由双向直 流变换器和极性反转逆变桥构成，具有 电路结构简洁、双向功率流、输出电压波形质量高、负载适应能力强等特 点，有效地克服了单向直流变换器型高频环节逆变器的固有缺陷。 （ 2） 从上面的电路结构可以看出此逆变器拓扑 结构 有一个缺点 :需要的开关管数量多，这样一来就大大提商了电路的成本。 但是这个电路有二个主功率开关管工作在高频状态，后面的全桥电路的四个开关管都是以很低的频率工作，而且 都是在电压过零的时候开关，其开关损耗几乎为零。 所以本电路损耗低 ,效率提高。 （ 3） 传统的全桥逆变器存在一些不足，逆变器的输出电压幅值只能低于直流电 压的幅值。 在某些要求输出电压高于输入电压的场合，就无法实现。 现有软开关逆变器存在缺陷，例如：结构复杂，控制困难；动态性能差； 有时会产生较大的电压电流应力，使得开关管选取困难 ,成本增加。 （ 4） 单极性的馒头波，提高了采样的精确度。 如果采样电压为正负电压，采样电路就会复杂，经过一些调理电路，影响采样的精度。 （ 5） 电路控制变成两部分，一个是高频的 SPWM调制控制，生成馒头波；一个是低频的倒向控制。 幅值控制与相位控制实现了分离解耦，控制起来更简单。 （ 6） 有利于实现多机的并联。 有功功率与幅值有关，无功功率与相位有关。 （ 7） 对于传统的逆变电路由 DC/DC、 DC/AC组成，正弦信号生成在最后一级完成。 对于本文 DC/DC生成全波整流的馒头波、 DC/AC完成了极性的反转，直流变换级工作在 SPWM(输出电压宽 )、极性反转逆变桥功率 开 关电压应力低且为 ZVS、输出滤波负担减轻、负载适应能力强。 逆变电路作为逆变电源的重要部分也是本文所讨论的重点，以下主电路元件的选择及参数的设计指的是逆变电路部分。 [8] 主电路的参数设计 主电路元器件设计包括功率开关管的选择 、滤波电路参数设计。 在此我们分别对其进行详细的论述。 (1)开关元件的设计 功率半导体器件在构成机理、开关特性和功率上不断出新，逆变器的开关频率不断提高。 就逆变器容量方面看，功率 MOS管用于小功率范围，功率晶体管用于中小功率范 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 17 围，而门极可关断晶闸管则用于较大功率范围。 功率 MOSFET具有优良的开关特性、开关时间短、开关损耗低、可以工作在超声频脉冲情况下。 它作为一种电压控制多数载流子器件，栅极电路阻抗非常高，因此适用于多管并联运行。 因为其驱动电路简单，可以直接从 CMOS逻辑驱动，且不加缓冲电路，保护容易，基本 上没有二次击穿现象。 是首选功率器件之一。 IGBT绝缘栅晶体管是一种利用 MOS栅极进行开通 /关断的双极型晶体管器件，具有 MOSFET高输入阻抗和类似于双极型晶体管的低通态压降，并且有 像 晶体管似的反相电压阻断能力。 也是功率器件首选之一。 功率双极型晶体管 GTR是电流控制的半导体电力电子器件。 开关关断。