車載逆變電源doc(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 算機的電 源換代。 20 世紀 90 年代，開關電源在電子、電氣設備以及家電領域得到了廣泛的應用，開關電源技術進入快速發展期。 開關型穩壓電源采用功率半導體器件作為開關，通過控制開關管輸出脈沖信號的占空比調整輸出電壓。以功率晶體管（ GTR）為例，當開關管飽和導通時，集電極和發射極兩 車載逆變電源 設計 4 端的壓降接近零；當開關管截止時，其集電極電流為零、所以，其功耗小，效率可高達 70%～95%。而功耗小，散熱器也隨之減小。開關型穩壓電源直接對電網電壓進行整流、濾波調整，然后由開關調整管進行穩壓，不需要電源變壓器。此外，開關工作頻率為幾十千赫，濾波電 容器、電感器數值較小。因此，開關電源具有數量輕、體積小等優點。另外，由于功耗小，機內溫升低，提高了整機的穩定性和可靠性。而且其對電網的適應能力也有較大的提高，一般串聯穩壓電源允許電網波動范圍為 220V（ 1177。 10%），而開關型穩壓電源在電網電壓在 110～ 260V 范圍內變化時，都可獲得穩定的輸出電壓。 開關電源的高頻化是電源技術發展的創新技術，高頻化帶來的效益使開關電源實現了小型化，并使開關電源進入更廣泛的領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外，開關電源的發展與應用在節約資 源及保護環境方面都具有深遠的意義。 目前市場上開關電源中的功率管多采用雙極性晶體管，開關頻率可達幾十千赫；采用功率 MOSFET 的開關電源的轉換頻率可達幾百千赫。為提高開關頻率，必須采用高速開關器件。對于兆赫以上開關頻率的電源可利用諧振電路，這種電路工作方式稱為諧振開關方式。它可以極大地提高開關速度，理論上開關損耗為零，噪聲也很小，是提高開關電源工作頻率的一種方式。采用諧振開關方式的兆赫級變換器已經實用化。開關電源的技術追求和發展趨勢可以概括為以下 4個方面。 1)小型化、薄型化、輕量化、高頻化 —— 開關電源的體 積和重量主要是由儲能原件（磁性元件和電容）決定的，因此開關電源的小型化實質上就是盡可能減小其中儲能元件的體積。在一定范圍內，開關頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統的動態性能。因此，高頻化是開關電源的主要發展方向。 2)高可靠性 —— 開關電源使用的元器件數量是連續工作線性電源的幾十分之一，因此提高了可靠性。從壽命角度出發，電解電容、光電耦合器及排風扇等元器件和部件的壽命決定著電源的壽命。所以，要從設計方面著眼，盡可能使用較少的元器件，提高集成度。這樣不但解決了電路 復雜、可靠性差的問題，也增加了保護等功能，簡化了電路，提高了平均無故障時間。 3)低噪聲 —— 開關電源的缺點之一是噪聲大。單純地追求高頻化，噪聲也會隨之增大。采用諧振變換技術，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲。所以，盡可能地降低噪聲影響是開關電源的又一發展方向。 4)采用計算機輔助設計和控制 —— 采用 CAA 和 CDD 技術設計最新變換拓撲和最佳參數，使開關電源具有最簡結構和最佳工況。在電路中引入微機監測和控制，可構成多功能監控系統，可以實時監測、記錄并自動報警等。 車載逆變電源 設計 5 開關電源的發展從來都是與半導體器件及磁性元件等 的發展休戚相關的。高頻化的實現，需要相應的高速半導體器件和性能優良的高頻電磁元件。發展功率 MOSFET、 IGBT 等新型高速器件，開發高頻用的低損磁性材料，改進此元件的結構及設計方法，提高濾波電容的介電常數及降低其等效串聯電阻等，對于開關電源小型化始終產生著巨大的推動作用?？傊?，人們在開關電源技術領域里，邊研究低損耗回路技術，邊開發新型元器件，兩者相互促進并推動著開關電源以每年超過兩位數的市場增長率向小型化、薄型化、高頻化、低噪聲以及高可靠性方向發展。 逆變電源技術的發展概況 逆變電源技術 逆變電源技術是電力電子技術的重要組成部分。逆變電源是一種采用開關方式的電能變換裝置。圖 12所示為典型的交流輸入、交流輸出隔離型逆變電源的基本結構。從圖 12中可以看出，它從交流或直流輸入獲得穩壓穩頻的交流輸出。逆變電源中的能量轉換過程是：輸入的工頻交流電經過整流電路成為直流電，直流電通過逆變電路變為交流 PWM波電壓，其基波頻率是逆變電源的輸出頻率， PWM波電壓經輸出變壓器隔離，再由濾波器濾成正弦波。這一能量轉換、傳遞的過程通常表示為 AC— DC— AC。直流輸入、輸出隔離型的逆變電源結構與圖 12基本相同， 只是不需要輸入端的整流電路，能量轉換傳遞的過程可表示為 DC— AC。在逆變電源中，逆變器及其控制是逆變電源的核心。 圖 12 逆變電源基本結構 逆變電源技術的 發展概況 逆變電源出現于電力電子技術飛速發展的 20世紀 60年代，逆變電源的發展是和電力電子器件的發展聯系在一起的，器件的發展帶動著逆變電源的發展。最初的逆變電源采用晶閘管 (SCR)作為逆變器的開關器件，稱為可控硅逆變電源。由于 SCR是一種沒有自關斷能力的器件，因此必須通過增加換流電路來強迫關斷 SCR， SCR的換流電路限制了逆變 電源的進 車載逆變電源 設計 6 一步發展。隨著半導體制造技術和變流技術的發展，自關斷的電力電子器件脫穎而出，相繼出現了電力晶體管 (GTR)、可關斷晶閘管 (GTO)、功率場效應晶體管 (MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)等等。自關斷器件在逆變器中的應用大大提高了逆變電源的性能。由于自關斷器件的使用，使得開關頻率得以提高。從而逆變橋輸出電壓中低次諧波的頻率比較高，使輸出濾波器的尺寸得以減小，而且對非線性負載的適應性得以提高。最初，對于采用全控型器件的逆變電源在控制上普遍采用帶輸出電壓有效值或平均值反饋的 PWM控制技術，其輸出 電壓的穩定是通過輸出電壓有效值或平均值反饋控制的方法實現的。采用輸出電壓有效值或平均值反饋控制的方法具有結構簡單、容易實現的優點，但存在以下缺點：①對非線性負載的適應性不強；②死區時間的存在將使 PWM波中含有不易濾掉的低次諧波，使輸出電壓出現波形畸變；③動態特性不好，負載突變時輸出電壓調整時間長。為了克服單一電壓有效值或平均值反饋控制方法的不足，實時反饋控制技術獲得應用，它是近十年來發展起來的新型電源控制技術，目前仍在不斷地完善和發展之中，實時反饋控制技術的采用使逆變電源的性能有了質的飛躍。實時反饋控制技術 多種多樣，主要有以下幾種： (1)諧波補償控制 當逆變電源的負載為整流負載時，由于負載電流中含有大量諧波，諧波電流在逆變電源內阻上的壓降致使逆變電源輸出電壓波形畸變，諧波補償控制可以較好地解決這一問題，其是在逆變橋輸出 PWM波中加入特定的諧波，抵消負載電流中的諧波對輸出電壓波形的影響，減小輸出電壓的波形畸變。目前這種方法只能由高速的數字信號處理器來實現。 (2)無差拍控制 1959年， Kalman首次提出了狀態變量的無差拍控制理論。 1985年， Gokhale在 PESC年會上提出將無差拍控制應用于逆變器控制。 逆變器的無差拍控制才引起了廣泛的重視。無差拍控制是一種基于微機實現的控制方法。這種控制方法根據逆變電源系統的狀態方程和輸出反饋信號來推算下一個采樣周期的開關時間，使輸出電壓在每個采樣點上與給定信號相等。無差拍控制的缺點是算法比較復雜，實現起來不太容易，它對系統模型的準確性要求較高，對負載大小的變化及負載的性質變化比較敏感，當負載大小變化及負載的性質變化時不易獲得理想的正弦波輸出。 (3)重復控制 為了消除非線性負載對逆變器輸出的影響，在 UPS逆變器控制中引入了重復控制技術。Haneyoshi及 Kawamura等人首先在 PWM逆變器中采用重復控制消除周期性畸變。后來，鄒應嶼等人進一步完善了逆變器的重復控制理論，給出了一種重復控制器的設計方法，提出了自適應重復控制的理論。重復控制是一種基于內模原理的控制方法，它將一個基波周期的偏差存儲起來，用于下一個基波周期的控制，經過幾個基波周期的重復可達到很高的控制 車載逆變電源 設計 7 精度。在這種控制方法中，加到控制對象的輸入信號除偏差信號外，還迭加了一個“過去的控制偏差”，這個“過去的控制偏差”是上一個基波周期中的控制偏差，把上一個基波周期的偏差反映到現在和“現在的偏差”一起加到控制對象進行控 制，這種控制方式，偏差好像在被重復使用，所以稱為重復控制。它的突出特點是穩態特性好，控制魯棒性強。但重復控制的控制實時性差，動態響應速度慢。因此，重復控制一般都不單獨使用來完成逆變器的控制，而是與其它控制方式相結合，共同來提高整個系統的性能。 (4)滑模變結構控制 滑模變結構控制理論起于 20世紀 50年代，它最顯著的特點是對參數變動和外部擾動不敏感，因此非常適用于閉環反饋控制的電能變換器。早期的滑模變結構控制器采用模擬電路實現，廣泛應用于電力拖動系統中。 20世紀 90年代中后期。臺灣的鄒應嶼和香港大學的L． K． Wang等人將離散滑模變結構控制理論應用到 UPS逆變器中，獲得了良好的控制效果?；Ｗ兘Y構控制實質上是一種非連續的開關控制方法，它強迫系統的跟蹤誤差及其導數運行于相平面的一條固定的滑模曲線上，與系統參數變動及外部擾動無關，因此系統有極強的魯棒性。但是，就波形跟蹤質量來說，滑?？刂撇患爸貜涂刂坪蜔o差拍控制。 (5)單一的電壓瞬時值反饋控制 這種控制方法的基本思想是把輸出電壓的瞬時反饋值與給定正弦波進行比較，用瞬時偏差作為控制量，對逆變橋輸出 PWM波進行動態調節。和傳統 PWM控制方法相比，由于該方法能對 PWM波 進行動態調整，故系統的快速性、抗擾性、對非線性負載的適應性、輸出電壓的波形品質等都比傳統 PWM控制方法有所提高。這種方法的缺點是系統的穩定性不好，特別是空載時，輸出電壓容易振蕩。系統的穩定性問題限制了電壓調節器增益的提高，因而輸出電壓的波形品質還不是很好。 (6)帶電流內環的電壓瞬時值反饋控制 帶電流內環的電壓瞬時值反饋控制方法是在單一的電壓瞬時值反饋控制方法的基礎上發展而來的。在這種方法中，不但引入輸出電壓的瞬時值反饋，還引入濾波電容電流或濾波電感電流的瞬時值反饋。電壓環是外環，電流環是內環。電流環具有將 濾波電容電流或濾波電感電流改造為可控的電流源的作用，這樣控制輸入和輸出電壓之間形成了具有單極點的傳遞函數，因而系統的穩定性大大提高，克服了單一的電壓瞬時值反饋控制系統空載容易振蕩的缺點。由于穩定性的提高使得電壓調節器增益可以取比較大的值，所以突加突卸負載時輸出電壓的動態特性大大提高，抗擾性大大提高，對非線性負載的適應性也大大提高。 車載逆變電源 設計 8 逆變電源的發展趨勢 隨著電力電子技術的飛速發展和各行各業對逆變器控制性能要求的提高，逆變電源也得到了深入的發展，目前，逆變電源的發展趨勢主要集中在以下幾個方面： (1)高頻化 提高逆變電源的開關頻率，可以有效地減小裝置的體積和重量，并可消除變壓器和電感的音頻噪聲，同時改善了輸入電壓的動態響應能力。此外，為了進一步減小裝置的體積和重量，必須去掉笨重的工頻隔離變壓器，采用高頻隔離。高頻隔離可以采用兩種方式實現：①在整流器與逆變器之間加一級高頻隔離的 DC— DC變換器；②采用高頻鏈逆變技術。高頻化僅限于小容量逆變電源。在大容量逆變電源中，由于工頻變壓器引起的矛盾相對不如小容量 UPS突出，而且大容量的高頻逆變器、整流器和高頻變壓器的制作也分別受到高頻開關器件的容量和高頻磁性材料的 限制。 (2)高性能化 高性能主要指輸出電壓特性的高性能，它主要體現在以下幾個方面：①穩壓性能好，空載及負載時輸出電壓有效值要穩定；②波形質量高，不但要求空載時的波形好，帶載時波形也要好，對非線性負載的適應性要強；③突加突減負載時輸出電壓的瞬態響應特性好；④電壓調制量??；⑤輸出電壓的頻率穩定性好；⑥對于三相電源，帶不平衡負載時相電壓失衡小。輸出電壓的高性能是用電設備對逆變電源的要求，控制方式的改進是逆變電源達到高性能的主要手段。 (3)并聯及模塊化 當今逆變電源的發展趨向是大功率化和高可靠性。雖然現在已經能 生產幾千千伏安的大型逆變電源，完全可以滿足大功率要求的場合，但是，這樣整個系統的可靠性完全由單臺電源決定，無論如何是不可能達到很高的。為了提高系統的可靠性，就必須實現模塊化。模塊化意味著用戶可以方便地將小容量的模塊化電源任意組合，構成一個較大容量的逆變電源。模塊化需要解決逆變電源之間的并聯問題，逆變電源的并聯要比直流電源的并聯復雜，它面臨著負荷分配、環流補償、通斷控制等多方面的