基于工頻變壓器的獨立逆變電源設(shè)計

陸 原，宋淑蘋

（河北大學(xué) 河北 保定 071000）

隨著科技的不斷進步，逆變技術(shù)有更廣泛的發(fā)展。逆變電源的研究也有了進一步發(fā)展。目前，除了存在工頻逆變器，高頻逆變器也已經(jīng)開始占領(lǐng)逆變電源的發(fā)展市場并有望取代工頻逆變器。雖然高頻逆變器彌補了工頻逆變器體積大、頻率低、功效低等系列缺點，但是仍無法完全取代工頻逆變器的作用。與高頻逆變器相比，工頻逆變器具有其特有優(yōu)勢。這里提出了一種基于工頻變壓器的獨立逆變電源設(shè)計方案。

1 逆變電源結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為基于脈寬調(diào)制 （PWM）[1]技術(shù)的逆變電源結(jié)構(gòu)框圖。整個電路選擇低壓直流輸入經(jīng)全橋逆變電路逆變得到交流電壓，經(jīng)工頻升壓電路升壓達到額定峰值，然后經(jīng)濾波電路輸出滿足要求的交流電壓，一般要求輸出220 V/50 Hz交流。

圖1基于PWM技術(shù)的逆變電源結(jié)構(gòu)框圖

2 逆變電源硬件電路設(shè)計

2.1 PWM技術(shù)

PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)是沖量定理[2]，利用正弦波作為調(diào)制波施加在載波輸出幅值相等、脈寬按正弦波變化的雙極性脈寬調(diào)制波（SPWM）[3]，將此方波信號加在逆變橋逆變功率管控制起開通關(guān)斷，最終得到接近理想的交流輸出波形。該技術(shù)使得硬件電路簡單，并提高輸出波形效率。圖2是采用U3988器件控制逆變橋的接線圖及SPWM波形，其中OUTA、OUTB是正弦波SPWM脈沖序列的輸出引腳，這2個引腳輸出的信號一般要通過死控制電路才送到逆變橋。

2.2 工頻變壓器在逆變電路中的作用

工頻逆變電源輸入一般為低壓直流，采用全橋逆變電路，通過對場效應(yīng)管的開關(guān)頻率作用控制輸出交流電壓。輸出的220 V正弦波交流電壓的峰－峰值是620 V，而一般的逆變電源輸入整流電壓為310 V，為了使逆變器不失真輸出220 V正弦波交流電壓，逆變器前面的直流電壓必須是680～870 V。因為一般的逆變輸入電壓遠遠小于該值，所以必須加一個輸出變壓器將逆變器輸出電壓提升到額定峰值以上才可以使用，如圖3所示。

圖2SPWM波產(chǎn)生的接線圖及其波形

圖3輸出隔離變壓器的升壓作用電路

該電路采用全橋變換電路結(jié)構(gòu)[5]，這種變換器輸出不是1根火線和1根零線，而是2根火線，但一般在接負載時都要求有零線。如果沒有輸出隔離變壓器將1根火線硬性接零線，就會導(dǎo)致逆變電源不能正常工作。圖4為無輸出變壓器正半波時的電流流動方向。

圖4無輸出變壓器正半波時的電流流動方向

從圖4中看出，由于零線的接入，使負載電流經(jīng)過負載后不經(jīng)過整流管和逆變功率管[4]，而是直接流回市電的零線輸入端，在這種情況下，圖中虛線框中的整流器和逆變功率管都未起作用。按照正常工作程序，負載電流應(yīng)該流過兩個橋式電路的整流管和逆變功率管。圖5為有輸出變壓器正半波時的電流流動方向。當(dāng)輸出端接入了隔離變壓器后就可以在變壓器的次級（負載輸入端）連接市電的零線，于是就構(gòu)成可靠的供電系統(tǒng)。可見，隔離輸出變壓器對于逆變橋電路來說是一個重要的組成部分，使逆變電路具有可靠穩(wěn)定的特點。

2.3 保護電路

U3988內(nèi)置欠壓保護和過熱保護的基準電壓，只需通過電阻分壓，當(dāng)電壓低于基準電壓時，就鎖定U3988，使其停止輸出脈沖。另外，在電流保護[5]方面，根據(jù)負載電流的不同，有快速保護、短延時和長延時3段保護功能。

圖5有輸出變壓器正半波時的電流流動方向

3 逆變電源電路的不足

式中，Xc是變壓器初次級間等效分布電容的容抗，單位Ω。f是干擾信號的頻率，單位Hz。C是變壓器初次級間等效分布的電容量，單位F。

由式（1）可看出，頻率越高，容抗越小，即干擾信號的頻率越高，該電容通路就越容易穿過。由于一般干擾信號的頻率是很高的，可以直接穿過變壓器而長驅(qū)直入去干擾負載。若是較低頻率的干擾到來，它就會按照變壓器的變比按比例變換干擾負載。由于變壓器并不具有抗干擾功能，所以在逆變橋的輸入和輸出端一般都加有輸入、輸出濾波器。

由于隔離變壓器的接入，隨之會接入電感、電容等低頻器件，這不僅使得電路本身體積加大而且也使電路功耗加大，減小了電路的輸出效率。隨著電子變壓器等高頻低價位器件的逐漸發(fā)展，工頻變壓器生產(chǎn)成本相對增加，該系統(tǒng)設(shè)計的電路板生產(chǎn)成本也相應(yīng)增加。

隔離變壓器[6]是為了變壓和隔離零線的目的而接入的，并不具有隔離干擾和緩沖負載突變功能。變壓器的初級和次級之間有絕緣層，它們構(gòu)成了一個容量一定的電容器C，電容器的容抗和頻率是成反比關(guān)系的，即：

4 結(jié) 論

通過以上分析，綜合介紹了工頻逆變電源的電路結(jié)構(gòu)和特點。本設(shè)計電路中綜合了數(shù)字化器件的先進功能，以及工頻變壓器的隔離作用，達到了電路設(shè)計簡單可靠的目的。

[1]陳道煉.DC-AC逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[3]鄧國棟，閆英敏，李鵬程.基于U3988的車載逆變電源的研制[J].電氣開關(guān)，2008（6）：27-29.

[4]張來.單相IGBT變頻電源研究[D].河北：河北工業(yè)大學(xué)，2006.

[5]黃毛毛，黃玉水.新型單相正弦車載電源[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2005，8（10）：37-39.

[6]王其英.UPS的工頻機與高頻機[J].電源世界，2006（4）：18-20.