電氣專業-車載逆變電源的研究與設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 電路如圖 （ 23） 所示，可以看成由三個半橋逆變電路組成。 圖 （ 23） 電路的直流側通常只有一個電容器就可以了，但為了分析方便，畫作串聯的兩個電容器并標出了假想重點 N`。和單相半橋、全橋逆變電路相同，電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式也是 180176。導電方式，即 所謂 180176。導電型，（ a） （ b） t u o i o t 1 t 2 東北石油大學本 科生畢業設計（論文） 9 是指每個開關元件在每個周期連續導通 180176。，關斷時間也是 180176。，同一相即同一半橋的上、下兩個橋臂交替導電，即換相是在同一橋臂的上、下 兩個開關之間進行的，也稱縱向換相或縱向換流。每隔 60176。有一個元件發生換相，在任一瞬間總有三個橋臂參與導電，其中包括每一相的一個上橋臂或下橋臂。由于換相是在同一橋臂的上、下兩個橋臂中進行為避免同一橋臂上、下兩個元件同時導電發生直通現象造成直流側電源的短路，實際電路工作要按照先關斷、后開通的原則進行。即先關斷一個開關，隔一段小的延時后再開通另一個開關。這段延時稱互鎖延遲時間或死區時間。死區時間的長短要視器件的開關速度而定，器件的開關速度越快，所留的死區時間就可以越短。為簡化分析過程，在以下的分析中將這段死區時間 忽略 。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通。可能是上面一個臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行的，因此也被稱為縱向換流。 圖 23 三相電壓型橋式逆變電路 下面來分析電壓型三相橋式逆變電路的工作波形。對于 U相輸出來說，當橋臂1導通時， UN`u = 2/dU ； 當橋臂 4導通時， UN`u = 2/dU 。因此， UN`u 的波形是幅值為 2/dU 的矩形波。 V、 W兩相的情況和 U相類似， VN`u 、 WN`u 的波形形狀和 UN`u 相同，只是相位差了 120176。 VN`u 、 WN`u 、 UN`u 的波形如圖 （ 24） 的 a、 b、 c所示 。 負載 線 電壓 UVu 、 VWu 、 WUu 可由下式 求 出 ??????????? UN39。W N 39。WUW N 39。VN39。VWVN`UN`UVuuuuuuuuu （ 21） 圖（ 24d）是依照上式畫出的 UVu 波形。 東北石油大學本 科生畢業設計（論文） 10 圖 24 電壓型三相橋式逆變工作波形 設負載中點 N與直流電源假想中點 N`之間的電 壓為 NN`u ，則伏在各相的相電壓分別為 ??????????? N N 39。W N 39。WNN N `V N 39。VNN N `U N `UNuuuuuuuuu （ 22） 把上面各式相加并整理可求得 )(31)(31 WNVNUN W N 39。 V N 39。 U N 39。 N N 39。 uuuuuuu ?????? （ 23） 設負載為三相對稱負載，則有 UNu + VNu + WNu =0，故可得 )(31 W N 39。 V N 39。 U N 39。N N 39。 uuuu ??? （ 24） NN39。u 的波形如圖 （ 24e） 所示， 它也是矩形波，但其頻率為 UN39。u 頻率的三倍 ，幅值為其 1/3，即為 dU /6。 t O t O t O t O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN39。 u UN u UV i U i d u VN39。 u WN39。 u NN39。 U d U d 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 東北石油大學本 科生畢業設計（論文） 11 圖 （ 24f） 給出了利用式（ 23）和式（ 24）繪出的 UNu 的波形， VNu 、 WNu的波形形狀和 UNu 相同，僅相位依次相差 120176。 。 伏在參數已知時，可以由 UNu 的波形求出 U相電流 Ui 的波形。伏在阻抗角 ? 不同， Ui 的波形形狀和相位都有所不同。圖 （ 24g） 給出的是阻感負載下 ? ? ? /3時Ui 的波形。橋臂 1和橋臂 4之間的換流過程和半橋電路相似 。上橋臂 1中的 1V 從通態轉換到斷態時，因負載電感中的電流不能突變，下橋臂 4中的 4VD 先導通續流，待負載電流降到零，橋臂 4中電流反向時， 4V 才開始導通。負載阻抗角 ? 越大， 4VD導通時間就越長。在 NN39。u ? 0時為橋臂 1導電的區間，其中 Ui ? 0時為 1VD 導通， Ui ? 0時為 1V 導通 ； NN39。u ? 0時為橋臂 4導電的區間，其中 Ui ? 0時為 4VD 導通， Ui ? 0時為 4V導通。 Vi 、 Wi 的波形和 Ui 形狀相同，相位依次相差 120176。 。把橋臂 5的電流加起來，就可得到直流側電流 di 的波形，如圖 （ 24h） 所示，可以看出 di 每隔 60176。 脈動一次，而直流側電壓基本無脈動的，因此逆變器從電網側向直流側傳送的功率是脈動的，且脈動的情況和 di 脈動情況大體相同， 這也是電壓型逆變器電路的一個特點。 三相橋式逆變電路的輸出電壓的定量分析， 把輸出線電壓 UVu 展開成傅里葉級數得 ??????????????????? ???????nddtnnttttttu?????????s i n11s i nU3213s i n13111s i n1117s i n715s i n51s i nU32kUV）（? （ 25） 式中， n=6k+1； k為自然數。 輸出電壓有效值 UVu 為 d20 UVUV ?? ? ? ?? tu 2 （ 26） 其中基波幅值 UV1mU 和基波有效值 UV1U 分別為： ddUV 1 m . 1 U1U32U ?? ? （ 27） ddU V 1 mUV1 ??? ? （ 28） 下面 再來對負載相電壓 UNu 進行分析。 東北石油大學本 科生畢業設計（論文） 12 把 UNu 展開成傅里葉級數得 ?????????????????? ???????ntnnttttttu?????????s i n1s i nU213s i n13111s i n1117s i n715s i n51s i nU2ddUN ? （ 29） 式中， n=6k+1； k為自然數。 負載相電壓有效值 UNU 為 d20 UNUN ?? ? ? ?? tu 2 （ 210） 其 中基波幅值 UN1mU 和基波有效值 UN1U 分別為 ddU N 1m 0 . 6 3 7 U2UU ?? ? （ 211） dU N1 mU N1 0 . 4 5 UUU ?? 2 （ 212） 在上述 180176。 導電方式逆變器中，為了防止同一相上下兩橋臂的開關器件同時導通而引起直流側電源的短路，要采取“先斷后通”的方法。即先給應關斷的器件關斷信號，待其關斷后留一定的時間裕量，然后再給應 導通的器件發出開通信號，即在兩者之間留一個短暫的死區時間。死區時間的長短要視器件的開關速度而定，器件的開關速度越快，所留的死區時間就可以越短。這一“先斷后通”的方法對于工作在上下橋臂通斷互補方式下的其他電路也是適用的。顯然，前述的單相半橋和全橋逆變電路也必須采用這一方法。 考慮到實際要求，我設計的電路采用二重逆變，電路的 前級采用場管專用脈寬調制集成 芯片 SG3525,驅動 12只場效應管 ,配合 EE55高頻變壓器 ,功率余量大 ,后級采用單硅輸出 ,頻率可調 。 系統的設計思想 開關電源可以采用模塊化的設計思想。 由于其設計比較復雜，因此要把它分解成多個基本功能模塊進行設計。開關電源設計者潛意識里都是根據功能框圖的步驟進行設計的。按照一定順序和方式進行設計會使設計變得更加容易，因為下一步驟所需的一些信息在該步驟之前就設計好了。總之， PWM 和諧振式開關電源的設計總是先進行總體考慮，然后討電源各部分分別進行設一計，接下來是設計控制和輔助功能，最后進行測試和設計優化。所有的設計總是從電源所需的指標東北石油大學本 科生畢業設計（論文） 13 開始的。開關電源的設計中，拓撲的類型與電源各個組成部分的布置有關。這種布置與電源可以在何種環境下安全工作以及可以給負載提供的最大 功率密切相關。這也是設計中性能價格折中的關鍵點。每種拓撲都有自己的優點，有的拓撲可能成本比較低，但輸出的功率受到限制 。而有的可以輸出足夠的功率，但成本比較高等 。 在某一種應用場合下，有好幾利“拓撲可以工作，但只有一種是在要求的成本范圍內性能最好的，表 (21)顯示丁各種拓撲結構的特點及適用范圍。 表 21 PWM 開關電源拓撲的比較 拓 撲 功率范 圍 /W Vin（ dc） 范圍 /V 輸入輸出 隔離 效率 約為（ %） Buck 01000 540 無 70 Boost 0150 540 無 80 Forward 0150 5500 有 78 Flyback 0150 5500 有 80 PushPull 1001000 101000 有 75 Halfbridge 100500 501000 有 75 Bridge 4002021 501000 有 73 如前所述，開關電源的設計首先要選擇合適的電路拓撲結構，而合適的主電路 結構 由明確的設計指標確定。 眾所周知，汽車內部有一個輸出 12V的直流電，一般供點煙器使用，也可以為其它電器提供電力。但不便的是它僅能提供直流電 ，而一般設備都使用 220V交 流電，這使得眾多電器不能在汽車上 使用。車載逆變電源將轎車蓄電池的直流 12V(卡車為 24V)轉換為 220V交流電。由于逆變電源直接在汽車上使用，而汽車又是高檔消費品，要求無論在何種情況下對汽車有保護作用，即要求該車載逆變電源輸入輸出實現電氣隔離。 同時， 由于 逆變器輸出功率較大，蓄電池輸出電流較大，要求蓄電池不能出現潰電，即 蓄 電池電壓不能下降得太低，以確保汽車能夠正常啟動，因此，要求 車載 電源應該有輸入欠壓保護以及輸入極性反接保護。 據調查，汽車上使用的電器多為商用或一般生活用，例如 手提電腦、手機充電器、汽車 DVD、小型電視等，對交流電壓波形要求不是高，方波即可，不必需要正弦波，考慮成本以及市場需求，本課題選擇方波輸出。 除上述要求外，逆變電源應該具有其它電源的過流、短路和過載保護。是否選用散熱風扇，本人反復給予考慮，選用散熱風扇，整個電源散熱系統將得到改善，但體積會增加，同時，隨著使用時間的增加，車載逆變電源有可能變臟，這不是用戶需要看到的。本課題考慮到該逆變電源用于汽車內，要求其保持干凈，東北石油大學本 科生畢業設計（論文） 14 因而 對其散熱的要求非常搞 ， 在設計的時候在電路板的兩側安裝上散熱片，另外還從電路板下方引出兩條線 在機器的背面連接兩個小風扇，使其充分的達到散熱的目的，這樣即使在炎熱的夏天，電源都會有很好的散熱系統。對于其 外形 ，也是專門定制的，力爭做到最好。 車載逆變電源的詳細指標及要求如以下各表所示。 表 22 輸入電壓、電流指標 輸入電壓 輸入允許電壓范圍 輸入允許最大電流 輸入空載電流 12V DC DC 18A 小于 表 23 輸出電壓、電流指標 輸出電壓 輸出最大功率 輸入允許最大電流 輸入空載電流 220V AC177。 10% 150W 方波 50177。 2Hz 表 24 電源保護要求 系統的總體結構 輸入欠壓 保護 輸入過壓 保護 輸出過流 保護 輸出短路 保護 輸入反接 保護 過溫 保護 低于 高于 15V 有 有 有 有 整 流 高頻升壓逆變 12V蓄電池 過流保護 過流保護 控制電路 提示告警元件 調節器 欠壓保護 工頻 LC濾波 逆變橋逆變 東北石油大學本 科生畢業設計（論文） 15