400hz逆變電源的研究畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 換器和極性反轉逆變橋構成，具有電路結構簡潔、雙向功率流、輸出電壓波形質量高、負載適應能力強等特點。這種電路結構即 BUCK逆變器應用在 400Hz逆變電源中。具有負載適應能力強，效率高等特點。并且采用單極性的 SPWM調制，單極性調制逆變器將比雙極性調制逆變器有更優良的輸出頻譜特性、更小的輸出濾波器。這種主電路結構也使功率開關管的控制更加簡單，簡化了控制電路設計及控制方法的實現，為逆變電源提高整體性能打下基礎。 華中科技大學文華學院畢業設計（論文） 11 3 直流 /交流變換器 直流 /交流電功率變換器稱為 逆變。本 章論述直流 /交流電功率變換的基本原理，介紹方波運行模式下電壓型和電流型逆變器的特性，輸出電壓大小和波形的 PWM控制基本原理，三相逆變器的空間矢量 PWM控制，多電平逆變器、高壓大容量逆變器的復合結構以及逆變器的基本應用 [7]。 逆變器的類型和性能指標 直流 /交流電功率變換是通過逆變器實現的。逆變器的輸入是直流電，輸出為交流電。交流輸出電壓基波頻率和幅值都應能調節控制，輸出電壓中除基波成分外，還可能含有一定頻率和幅值的諧波。 逆變器的類型 逆變器 由主電路和控制系統兩部分組成。逆變器 應用廣泛，類型很多。其基本類型有： （ 1）依據直流電源的類型，逆變器可分為電壓型逆變器和電流型逆變器。電壓型逆變電路的輸入為直流電壓源，逆變器講輸入的直流電壓逆變輸出交流電壓，因此也稱它為電壓源型逆變器 VSI；電流型逆變電路的輸入端串接有大電感，形成平穩的直流電流源，逆變器將輸入的直流電流逆變為交流電流輸出，因此也稱它為電流源型逆變器 CSI。 （ 2）依據輸出交流電壓的性質，可分為恒頻恒壓正弦波逆變器和方波逆變器，變頻變壓逆變器，高頻脈波電壓（電流）逆變器。 （ 3）依據逆變電路結構的不同，可分為單相半橋、單相 全橋、推挽式、三相橋式逆變器。 （ 4）依據開關器件及其關斷（換流）方式的不同，可分為采用全控型開關的自關斷換流逆變器和采用晶閘管半控型開關的強迫關斷晶閘管逆變器兩類。晶閘管逆變器也可利用負載側交流電源電壓換流，負載反電動勢換流或負載諧振換流 [5]。 電壓型單相方波逆變電路工作原理 電壓型單相全橋逆變電路 改變 開關管的門極驅動信號的頻率，輸出交流電壓的頻率 f也隨之改變。為保證電路正常工作， 1T 和 2T 兩個開關 管不應同時處于通態， 4T 、 3T 兩管不應同時處于通態，否則將出現直流側短路。實際應用中為避免上、下開關管直通，每個開關管的開通信號應略為滯后于另一開關管的關斷信號，即“先斷后通”。同一橋臂上、下兩管 1T 、 2T 或 3T 、4T 關斷信號與開通信號之間的間隔時間稱為死區時 間，在死區時間中， 1T 、 2T 或 3T 、 4T 均無信號 。 電壓型單相逆變器電壓和波形控制 上節中 各單相逆變電路輸出電壓均為 ?180 寬的方波交流電壓。輸出電壓中基波電壓數值僅由輸入電壓 DV 唯一確定，而且輸出電壓中除基 7波外含有大量的諧波，對其中的 7等低階次諧波，若采用 LC濾波器去衰減，則必須有 LC數值很大的濾波器，因為 華中科技大學文華學院畢業設計（論文） 12 要濾除 n次諧波必須 CnLn ?? /1?? ，即， ?nLC /1?? ，諧波階次 n低，要求 L、 C的諧振頻率 0? 低，要求 L、 C數值很大。 三相逆變電路工作原理 三相交流負載需要 三相逆變器，三相逆變器有兩種 電路結構，其一為由三個單相逆變器組成一個三相逆變器。每個單相逆變器可以是半橋式也可以是全橋式電路。三個單相逆變器的開關管驅動信號之間互 差 ?120 ，三相輸出電壓 Av 、 Bv 、 Cv 大小相等，相差?120 ，構成一個對稱的三相交流電源，通常變壓器的二次繞組都接成星型以便消除負載端的三倍數的諧波。三相逆變器的另一種電路結構 . 三相逆變器輸出電壓和波形的 SPWM控制 對于三相逆變器也可以采用本章第三節中單相逆變器的多脈波 PWM控制或 SPWM控制方式。在輸出電壓的每一個周期中，各開關器件通、斷轉換多次，實現即可調節、控制輸出電壓的大小、又可消除低次諧波改善輸出電壓波形。三相電壓型逆變電路任何時刻一個橋臂只有一個開關管被驅動導通，上、下開關管驅動信號互補。因此三相橋電壓型逆變電路這 6個開關管同時被驅動導通。 當負載為星型聯結時如果負載中點為 N，則當 1T 、 5T 、 6T 同時導通時， A、 C兩點接電源正端， B點接電源負載各 相阻抗相等，則DDAN VRRRVV31121 ????，當 1T 、 5T 、 3T 同時導通時， A、 B、 C三點都連在一起，故 0?ANV ,類似地分析可以畫出負載星形聯結時負載相電壓 ANV 的波形。 PWM控制 基于傳統空間矢量脈寬調制 (SPWM)控制的三相逆變器能夠獲得快速的動態響應 ,但實 現復雜 ,需要高速微處理器。本文提出了一種新的簡單 SPWM控制方法。在理論分析的基礎上得出了逆變器實現 SPWM調制的占空比計算公式。該方法具有傳統 SPWM快速動態響應的優點 ,且實現簡 單 [13]。 華中科技大學文華學院畢業設計（論文） 13 4 系統綜述 技術指標 輸入電壓 :交流 220V，頻率 50HZ 額定輸出功率： 2KVA 輸出電壓波形：正弦波 輸出頻率 :400HZ 輸出電壓總諧波失真 :THD5％ 系統主電路 主電路結構 本系統主要由以下 A、 B、 C三個部分組成， 功能是完成交流 220V/50Hz到交 流 115V/400HZ的變換，結構如下： 圖 41 系統結構框圖 (一 ) A部分 (PFC boost) 本部分的作用把交流 電整流并通過 boost 電路升壓，輸出為 360V 的直流高壓，在控制電路控制下實現穩壓，并使功率因數為 1。這一級要保證功率因數為 1，同 時實現穩壓的 功 能 。 [12] (二 ) B 部分 (DC/DC) 本部分完成從直流 360V 到直流 180V 的變換，采用變壓器隔離 DC/DC變換，變壓器的作用是隔離及變壓，原邊的逆 變橋由四個開關管組成，副邊由四個整流 管組成，對于變 橋同一橋臂開關管的控制采用互補控制，對角開關管同時導通和關斷，逆變橋輸出極性為正或負的方波信號，正負脈沖的寬度各為 50％， 電路 原理如圖 42所示。 圖 42 系統結構框圖 A 部分 華中科技大學文華學院畢業設計（論文） 14 滿調制時 VI～ V4驅動波形如圖 44(a)所示，占空比為 50％，圖中的波形沒有考慮死區，即認為開關管為理想器件。圖中 PWMl 和 PWM3 同相， PwM2 和 PWM4 同相沒有移相，此時副邊輸出電壓最高，如果不計損耗，那么副邊的輸出電壓為 nVin，其中 n為變壓器的變比在這里變比為 2:l，這是滿調制時的輸出，此時副邊通過二極管來整流，即為不 控整流。 圖 43 B 部分電路圖 原邊的開關作用相當于把輸入直流信號調制為交流的方波信號，副邊二極管 則把該信 解調為直流電壓輸出，由于 V1及 V4和 V2及 V3的脈寬均為 T/2(T為開關周期 )， Uab(變壓器副邊的電壓波形 )正半波和負半波經歷時間均為 T/2， abU 經過副邊整流之后可得到最大的輸出電壓，從而完成了從 360V 直流電壓到 180V 直流電壓的隔離及變換。開關管的驅動信號為高頻的驅動信號，這也使變壓器有較小的體積，并能夠得到較高質量的直流信號。 (三 ) C部分 (DC/AC) C部分即逆變電源中的逆變電路，它主要功能是完成 DC180V到 AC115Vrms/400Hz交流電壓的變換功能。這一部分是整個逆變電源的核心部分，也是本文所研究的重點部分。該逆變電路實際上是一種 Buck逆變器，即上一章所提到雙向直流變換器，它是雙向直流變換器的一種應用，這種 Buck逆變器可以看作由兩個部分組成： (1)具有雙向電流導通能力的 Buck變換器。 (2)全橋變換電路，如圖 46所示。 雙向直流 Buck變換器由 Buck電路和 Boost電路結合而成，圖 47(a)為 Buck電路，圖47(b)為 Boost電路，把功率二極管換成雙向開關就形成了雙向 Buck變換器，如圖 47(c)所示，從而實現了能量的雙向流動。 對于 Buck變換器，它的輸出電壓 V0=VinD(其中 ， Vin是輸入的直流電壓， D是主功率開關管 M1的占空比 )。在逆變器中，控制電路通過 SPWM脈寬調制技術控制開關管 M1的占空比 D，把輸入的直流電壓調制成相應電壓波形輸出，使得 Buck變換器在濾波電容 c上的輸出電壓 cdU 為一系列的正弦全波整流電壓，即單極性的饅頭波，再通過后一級的全橋變換電路使一系列的單極性 的正弦饅頭波在負載上展開成標準的詎弦波。工作原理如圖 48所示。 華中科技大學文華學院畢業設計（論文） 15 （ a） 原邊門極驅動波形 （ b）變壓器副邊波形 圖 44 原邊的門極驅動波形及變壓器原邊波形 圖 45 C部分電路圖 圖 46 C 部分的結構圖 （ a） Buck 電路 （ b） Boost 電路 47（ c） 雙 向直流 buck 變換器 華中科技大學文華學院畢業設計（論文） 16 雙向 Buck 變換器由兩個 MOSFET 的開關管器件及 D D2 二極管組成。兩個開關管互補導通，二極管具有續流的作用，從而能夠實現能量的雙向流動，所 以能夠接感性及容性負載。直流側的電壓采用單極性 SPWM 調制通過 DC/DC在電感后面生成單極性饅頭波，即頻率為 800HZ。全橋逆變部分由 4個 MOSFET 開關管組成，通過低頻開關信號控制實現對輸入即單極性饅頭波周期倒向從而輸出 400HZ 的正弦波。輸出濾波電路由濾波電感 L、濾波電容 C構成，其作用是將 DC/AC 輸出的含有高次諧波分量、基波頻率為 400HZ的調制電壓波濾成低 THD 的 115V/400HZ 的交流正弦波，供交流負載作用。 雙向 Buck 逆變電路的優點： （ 1） 雙向 直流變換器型高頻環節逆變器的電路結構。由雙向直 流變換器和極性反轉逆變橋構成，具有 電路結構簡潔、雙向功率流、輸出電壓波形質量高、負載適應能力強等特 點，有效地克服了單向直流變換器型高頻環節逆變器的固有缺陷。 （ 2） 從上面的電路結構可以看出此逆變器拓撲 結構 有一個缺點 :需要的開關管數量多，這樣一來就大大提商了電路的成本。但是這個電路有二個主功率開關管工作在高頻狀態，后面的全橋電路的四個開關管都是以很低的頻率工作，而且 都是在電壓過零的時候開關，其開關損耗幾乎為零。所以本電路損耗低 ,效率提高。 （ 3） 傳統的全橋逆變器存在一些不足，逆變器的輸出電壓幅值只能低于直流電 壓的幅值。在某些要求輸出電壓高于輸入電壓的場合，就無法實現。現有軟開關逆變器存在缺陷，例如：結構復雜，控制困難；動態性能差； 有時會產生較大的電壓電流應力，使得開關管選取困難 ,成本增加。 （ 4） 單極性的饅頭波，提高了采樣的精確度。如果采樣電壓為正負電壓，采樣電路就會復雜，經過一些調理電路，影響采樣的精度。 （ 5） 電路控制變成兩部分，一個是高頻的 SPWM調制控制，生成饅頭波；一個是低頻的倒向控制。幅值控制與相位控制實現了分離解耦，控制起來更簡單。 （ 6） 有利于實現多機的并聯。有功功率與幅值有關，無功功率與相位有關。 （ 7） 對于傳統的逆變電路由 DC/DC、 DC/AC組成，正弦信號生成在最后一級完成。 對于本文 DC/DC生成全波整流的饅頭波、 DC/AC完成了極性的反轉，直流變換級工作在 SPWM(輸出電壓寬 )、極性反轉逆變橋功率 開 關電壓應力低且為 ZVS、輸出濾波負擔減輕、負載適應能力強。逆變電路作為逆變電源的重要部分也是本文所討論的重點，以下主電路元件的選擇及參數的設計指的是逆變電路部分。 [8] 主電路的參數設計 主電路元器件設計包括功率開關管的選擇 、濾波電路參數設計。在此我們分別對其進行詳細的論述。 (1)開關元件的設計 功率半導體器件在構成機理、開關特性和功率上不斷出新，逆變器的開關頻率不斷提高。就逆變器容量方面看，功率 MOS管用于小功率范圍，功率晶體管用于中小功率范 華中科技大學文華學院畢業設計（論文） 17 圍，而門極可關斷晶閘管則用于較大功率范圍。功率 MOSFET具有優良的開關特性、開關時間短、開關損耗低、可以工作在超聲頻脈沖情況下。它作為一種電壓控制多數載流子器件，柵極電路阻抗非常高，因此適用于多管并聯運行。因為其驅動電路簡單，可以直接從 CMOS邏輯驅動，且不加緩沖電路，保護容易，基本 上沒有二次擊穿現象。是首選功率器件之一。 IGBT絕緣柵晶體管是一種利用 MOS柵極進行開通 /關斷的雙極型晶體管器件，具有 MOSFET高輸入阻抗和類似于雙極型晶體管的低通態壓降，并且有 像 晶體管似的反相電壓阻斷能力。也是功率器件首選之一。 功率雙極型晶體管 GTR是電流控制的半導體電力電子器件。開關關斷