1、1摘要 逆变技术是整流技术的逆向变换电源技术,将直流电转换成交流电的装置 称为逆变器。根据输出波形可分为方波逆变器和正弦波逆变器,目前多数负载要求输入为正弦波,因此正弦波逆变器得到了越来越多的研究和关注。对正弦波逆变器来说最重要的是控制电路,以脉宽调制( PWM)为基础的正弦脉宽调制 (SPWM)技术是正弦波逆变器的一项关键控制技术,它以正弦波为调制波、以三角波或锯齿波为载波,通过调制输出的 SPWM 脉冲控制功率开关管的开通与关断,从而完成直流到交流正弦波的逆变过程。本文在对逆变器结构和原理分析的基础上,设计完成 DC-DC-AC 两级高频正 弦波逆变器:输入侧直流电压 12V 通过推挽变换
2、电路升压到 370V 左右,再由 370V 直流电通过全桥变换电路得到 220V50Hz 交流电。升压控制电路由 PWM 控制芯片 SG3525 与其外围电路组成,根据电路特点使直流输出高压不稳压而只有后级输出稳压,从而简化了滤波电路;全桥逆变控制电路采用 SPWM 倍频调制方式,即输出 SPWM 波频率为载波三角波频率的二倍,这样对调制电路的要求相对较低,且输出滤波电路更容易设计。本文 SPWM控制电路采用常用运算放大器和数字芯片设计完成,在保证精度的前提下降低了成本,并且简化了由硬件实现 SPWM 控制的电路结构。 通过计算电路各部分元件参数并制作出电感和变压器等线圈元件,本文制 作完成了
3、一台正弦波逆变电源样机,并对电源进行安装及调试,最终得出实验 结果和波形,证实了该设计的可行性,达到了减小电源体积和成本的预期目标。关键词:逆变器,PWM,SPWM,倍频调制2AbstractThe inverter technology is contrary to the rectification technologyAn inverter is a device which transforms direct current into alternating currentAccording to the output waveform,inverter can be divided
4、into square wave inverter and sinewave inverterCurrently most load demand input for sine wave,so sine wave inverter get more and more attention The most important part of sine-wave inverter is the control circuit. Sine-wave pulse-width modulation(SPWM)which uses sine wave as modulation wave and tria
5、ngular wave as carrier wave is a key technology which based on the theory of pulse-width modulationIn this paper, the structure and principle of the inverter al e analyzed at firstThen a DC-DC-AC two-stage high frequency inverter is designed:The input voltage 12V DC boost to 370V DC using a push-pul
6、l circuit;Then the 370V DC is tamed into 220V/50Hz AC using a full bridge circuitThe control circuit of the push-pull circuit is based on a PWM(pulse width modulation)control chip SG3525According to the characteristics of the circuit, the output of this stage is not settled SO as to simplify the fil
7、ter circuit;The full bridge circuit is conventionalThe method of the full bridge control circuit is the SPWM(sinusoidal pulse width modulation)methodThe frequency of the SPWM wave is two times of the carrier frequency so that the modulation circuit is simply and the output filter Circuit design beco
8、me easier By analyzing and calculating the circuit parameters and making inductance and winding components,this paper designed a DC-DC-AC two-stage high frequency inverterAfter installing and debugging it, I eventually get the experimental results and waveform which confirmed the feasibility of the
9、design Keywords:Inverter, PWM, SPWM,Doubling-Frequency modulation3目录1 绪论 .511 正弦波逆变器设计的选题背景与意义 .5111 新能源利用 .5112 消除市电谐波污染 .512 逆变器的发展及趋势 .6121 逆变器的发展历史 .6122 逆变器的发展趋势 .613 国内外逆变器发展现状 .714 本文的主要内容 .72 现代逆变系统结构 .821 现代逆变系统基本结构 .822 变换电路的基本形式 .9221 非隔离式变换电路 .9222 隔离式变换电路 .12223 各种变换电路的特点及应用 .1723 本章小结
10、.183 逆变系统主回路设计 .1831 现代逆变系统中的功率变换技术 .1832 逆变主电路设计 .19321 硬开关 PWM 变换技术概述 .19322 主电路结构的两种形式 .2033 前级升压电路设计 .20331 主变压器的设计 .22332 输出滤波电路设计 .2434 后级逆变电路设计 .25341 输出滤波电路设计 .25342 功率开关管的选择 .2635 保护电路设计 .2736 本章小结 .274 控制电路原理及设计 .2841 PWM 控制简介 .28411 电压型 PWM 控制 .28412 电流型 PWM 控制 .2942 DC-DC 升压控制电路设计 .2943
11、DC-AC 逆变控制电路设计 .31431 SPWM 正弦波脉宽调制技术原理 .31432 SPWM 调制法的分类 .31433 SPWM 波产生方法 .3444 本章小结 .375 结果及分析 .3751 电路相关波形 .376 总结 .394致谢 .40参考文献 .4151 绪论 逆变器是将直流电转化为交流电的电能变换装置,它是通过功率半导体器 件按照特定规律的导通与关断来完成逆变任务的。现代逆变技术是研究逆变电路理论和应用及设计方法的一门科学,它建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、脉宽调制技术、半导体变流技术、磁 性材料等科学基础上的一门实用技术,因此逆变
12、器的应用贯穿于社会和生活的 多个领域。 11 正弦波逆变器设计的选题背景与意义 111 新能源利用 新能源从广义上来说指太阳能,它包括风能、水的势能、化学能等。当前 世界,煤矿、石油等自然资源不断减少,并且由它们产生的污染及全球热效应 不断加剧,新的能源如太阳能、风能将成为主要能源。这些新能源通常用半导 体材料制成的光伏电池收集,运用一定的科学技术手段转化成人们需要的各种 各样的电能,逆变技术就是其中的关键技术之一。 112 消除市电谐波污染 近年来谐波污染成为电网系统的一大“公害“,它严重影响了电力设备和用电设备的安全,影响电网电力设计的高效可靠运行。对谐波污染的有效管理不仅能够提高用电设备
13、运行质量和能源节约,而且关系到国民用电安全的问题。随着电网的快速发展,负荷的急剧增加,越来越多的电力电子设备、电弧放电 性负载、家用电器、气体放电灯和其他非线性负载的使用,使大量高次谐波电 流涌入各级电网,使电网电压波形畸变严重、三相电压不对称和电压闪变波动,损坏发电设备、变电设备和用电设备,危害电网安全。通过对市电整流后利用 现代逆变技术再转换为市电标准,可以净化市电的谐波污染,保护用电设备和用户安全。此外,逆变器还广泛应用于其他多个领域,如交流电动机变速调速、电动 机制动再生能源回馈、不间断电源系统、感应加热、弧焊电源、变频电源等。由此可见逆变电源对我们的生活和社会都有着极大的影响,对它的
14、研究也具有较大的意义。612 逆变器的发展及趋势 121 逆变器的发展历史 逆变器技术的发展始终与功率器件及其控制技术的发展紧密结合,从开始 发展至今共经历了五个阶段嘲啪。 第一阶段:20 世纪 50 年代到 60 年代,晶闸管(SCR)的诞生为正弦波逆变器 的发展创造了条件; 第二阶段:20 世纪 70 年代,可关断晶闸管(GTO)及双极型晶体管的出现使逆变器技术得到了发展和应用; 第三阶段:20 世纪 80 年代,功率场效应管、绝缘栅型场效应管和 MOS 控制晶闸管的问世为逆变器的大功率发展方向奠定了基础; 第四阶段:20 世纪 90 年代,微电子技术的发展使新的控制技术如矢量控制技术、多
15、电平控制技术、模糊控制技术和重复控制等技术在逆变领域得到了较好的应用,极大的促进了逆变器技术的发展; 第五阶段:21 世纪初,随着电力电子技术、现代控制理论和微电子技术的不断进步和改进,逆变器技术朝着高效率、高频化、高可靠性、高功率密度和智能化的方向发展。 122 逆变器的发展趋势 随着电力电子技术的高速发展和各行业对逆变器控制性能要求的提高,逆变器也得到了快速发展,目前逆变器的发展方向主要体现在: 1高频化。高频化指的是提高功率开关器件的工作频率,这样不但可以减小整个系统的体积,而且对音频噪声有很好的抑制作用,同时提高了逆变器输出电压的动态响应能力。高频工作的功率开关器件对应于高频隔离变压器
16、,高频隔离变压器的应用对整个系统的体积又有了进一步的减小。 2高性能化。有效值是逆变器输出电压的主要参数,高性能的逆变器输出电压有效值稳定,同时有很高的波形质量,适应非线性负载的能力强。由于很多时候逆变器所带的负载会突变,高性能逆变器要求输出电压有较高瞬态响应性能。对于交流输出电压的另一个重要参数是频率,好的逆变器不但要求输出电压有效值稳定,而且要求频率也稳定。具有上述特点的逆变器才能称得上是高性能逆变器。3并联技术。目前的逆变器技术可以制作出大功率产品,但是在大功率应用场合一旦这个逆变器系统出现故障,将会导致系统瘫痪。而在由小功率逆变器通过并联技术组成的系统中,每个单元的正常工作与否都不影响
17、其它单元的工作,这样对于整个系统的可靠性就有了极大的提升。 4小型化。小型化是对应于高频化的结果,因为使逆变器小型化主要方法就是提高开关管工作频率,使用高频变压器。另一种方法是改进控制法,优SPWM 波的频谱从而减小滤波器体积。 5高输入功率因数化。很多逆变系统使用一定的拓扑电路把直流电转换成7高频交流脉冲,再进行整流得到所需的直流电压。输出电流出现的尖峰会降低输入功率因数,提高输入侧功率因数可以有效解决逆变器对电网产生谐波污染。6智能化与数字化。逆变器的数字化不是简单在逆变器中应用数字器件,如 FPGA 和单片机,而是整个系统依靠数字器件的计算能力和离散控制法完成。随着硬件的发展,处理器速度
18、越来越高,促使逆变器向着智能化与数字化的方向发展嘲嘲。 13 国内外逆变器发展现状 目前国内生产光伏逆变器厂商绝大多数是在 2007 年以后进入这一领域的,有的还处在预研和样机生产阶段,而根据国家质量认证中心统计,通过其认证只有 53 家。光伏逆变器作为对长期运行稳定性要求较高的产品,具有较深厚的技术积累、且能够率先获得一定规模稳定运行业绩的企业,才有机会做大做强,而边缘企业则将很快被市场淘汰。国内的先发企业有望借助国内光伏安装市场的启动获得宝贵的运行经验,为将来进军国际市场打下坚实基础。 国外光伏逆变器产品已经比较成熟并推向市场,德国著名电气企业西门子推出了市场化的产品,除欧洲的科技强国外,
19、日本、美国等国家也已实现了并网逆变器的产品化。现在逆变器的最大功率跟踪以及逆变环集成的单级量变换已经成为研究的热点,小功率型逆变器开发越来越受到大家的重视,这些小功率逆变器的控制电路主要采用数字控制,系统的可靠性、安全性和扩展性得到保证,同时保护电路也比较完善。14 本文的主要内容 本文从逆变器结构及原理出发,通过分析各级电路特点及性能,选择合适的电路拓扑结构,计算各元件参数,制作电感器和变压器线圈元件,并组装和调试了一台逆变器样机。重点分析了前级输出滤波电路的设计和后级 SPWM 控制电路的硬件设计。本文主要内容安排如下: 1概括介绍逆变器定义、应用范围、国内外现状和发展前景。2对比分析组成
20、逆变器的各种电源变换电路结构及原理,选择最适合于本 文逆变器的变换结构:DC-DC 级采用推挽变换电路;DCAC 级采用全桥变换。主要包括推挽变换器变压器设计、输出滤波电路设计、全桥输出 SPWM 滤波电路设计以及硬件式 SPWM 倍频调制驱动电路设计。3根据设计要求,完成了整机各部分电路的 PCB 制作,选择和制作了合适的元器件搭建了试验平台,组装调试了逆变器样机,并进行了空载及带载实验,测量了关键点波形,达到了预期效果。4分析试验结果,总结本文主要工作,提出后续发展方向。82 现代逆变系统结构 21 现代逆变系统基本结构 逆变器是将直流电转换成交流电的变换装置,它是通过控制半导体功率开 关
21、器件(如 SCR,6TO,6TR,IGBT 和功率 MOSFET 等)的导通和关断,把直流电能转化为交流电能。控制功率开关管导通和关断的电路就是逆变器的控制电路,控制电路输出一定的电压脉冲,使功率变换电路中的功率开关管按照一定规律导通和关断,这时功率主电路的输出为特定的谐波组合,最后通过滤波电路得到我们需要的电压波形。逆变器系统的基本结构如图 21 所示。 图 21 逆变系统基本结构框图1输入电路 逆变器的输入通常是直流电(有时是市电经过整流滤波得到的直流电),这 些直流电包括直流电网、蓄电池、光伏电池以及其他方式得到的直流电。通常这些电能不能直接作为逆变器输入侧电压,而是通过一定的滤波电路和
22、 EMC 电路之后才作为逆变器输入的。 2逆变主电路 逆变器主电路是由功率开关器件组成的功率变换电路,主电路的结构形式分很多种,不同的输入输出条件下主电路形式也不相同,每种功率变换电路都有它的优缺点,在实际设计中应考虑最合适的电路拓扑作为主电路结构。 3控制电路控制电路按照逆变器输出的要求通过一定的控制技术产生一组或者多组脉冲电压,通过驱动电路作用于功率开关管,使功率开关管按照指定的次序导通或者关断,最终在主电路输出端得到所需的电压波形。控制电路的作用对于逆变系统至关重要,控制电路的性能直接决定了逆变器输出电压波形的质量。 4输出电路 输出电路一般包括输出滤波电路和 EMC 电路,如果输出为直
23、流电时还应在后面加入整流电路。对于隔离输出的逆变器,输出电路前级还有隔离变压器。根据输出是否需要稳压电路分为开环和闭环控制,开环系统输出量只由控制电路决定,而闭环系统中输出量还受反馈回路影响,使输出更加稳定。 5辅助电源和保护电路 控制电路与输入输出电路的某些部分或芯片有特定的输入电压要求,辅助电源就是为电路中特定的电压需求设定的。通常情况下辅助电源由一个或者几个 DC-DC 变换器构成,对于交流输入的场合,辅助电源由整流后的电压与 DC-9DC 变换器组合完成。 保护电路通常包括输入过压、欠压保护,输出过压、欠压保护,过载保护,过流和短路保护。对于在特定场合工作的逆变器还有其他保护,如在温度
24、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。 22 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。221 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(Buck-Boost)和升压一降压变换电路 (Boost-Buck 也称为
25、 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 22 所示。 设开关管 Q 在一个周期丁内导通时间为 ,关断时间为 ,导通时间 与ONTOFTONT周期 T 之比定义为占空比,用 表示 = = = (21)OFNNf10式(21) = 即为开关管的工作频率。fT1Buck 变换器输出电压 和输入电压 的关系为0Vd= . (2 2)dBuck 变换器要求输出电压 的纹波很小,也就是输出电流 纹波很小,在0 0I一个开关周期内 和 几乎都不变。所以要求滤波电感 L 和电容 C 的值都足够0VI大,电感电流 在一个开关周期内变化很小,其平均值等于 。在一般系统中,Li 0I输出纹波电压 满足0= (23)0V208)1(LCf2升压变换电路(Boost 变换电路) Boost 变换电路的基本形式如图 23 所示,其工作原理与 Buck 变换电路相似。输出电压 与输入电压 的关系为0d= (24)0V1图 23 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时电感的电流应连续,则 的变化量 不能超过 的两倍,即 2min0I iLimin0ILi