改進(jìn)型DC?AC電路分析與實(shí)現(xiàn)

蔣大玉+張一斌+李森濤

摘 要： 為改善傳統(tǒng)DC?AC系統(tǒng)功率小、效率低、系統(tǒng)自身?yè)p耗大等缺陷，提出了一種改進(jìn)型的DC?AC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，引入對(duì)稱式電壓控制型MOS型開(kāi)關(guān)管推挽工作、軟開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)MOS管方案替代機(jī)械開(kāi)關(guān)（如繼電器）、三極管（BJT）、可控硅（SCR）等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，改進(jìn)的電路系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、效率高、系統(tǒng)自身?yè)p耗極小。對(duì)電路進(jìn)行工作原理分析，通過(guò)PSpice仿真軟件評(píng)估控制電路可行性并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電路的實(shí)際使用及可靠性。

關(guān)鍵詞： DC?AC系統(tǒng)； 可控硅； 開(kāi)關(guān)管； 軟開(kāi)關(guān)

中圖分類號(hào)： TN710?34； TL503.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）15?0139?03

Analysis and implementation of improved DC?AC circuits

JIANG Da?yu， ZHANG Yi?bin

（Changsha University of Science & Technology， Changsha 410004， China）

Abstract： For improving the defects of the traditional DC?AC system with low power， low efficiency and high loss， a scheme of the improved DC?AC system is presented. The symmetric voltage controlled MOS switch tube push?pull work mode and the scheme that MOS is driven by soft switch tube were adopted instead of mechanical switch （such as relay）， triode （BJT） and silicon controlled rectifier （SCR） in the traditional design scheme. The improved circuit system has high stability， high efficiency and low loss. The working principle of the circuit is analyzed. The PSpice?simulation software was used to evaluate the feasibility of the control circuit. The reliability of the circuit was verified by experiment.

Keywords： DC?AC systems； SCR； switch tube； soft switch

0 引 言

對(duì)現(xiàn)代科技而言，電源是所有電路的能量來(lái)源，是電子設(shè)備和機(jī)電設(shè)備的基礎(chǔ)?，F(xiàn)行電工電子設(shè)備的正常使用都需要電源設(shè)備的支持?，F(xiàn)行的電能變換電路主要有以下四類：AC/DC，DC/AC，DC/DC，AC/AC。各種電路有其各自的特點(diǎn)、功能及應(yīng)用領(lǐng)域。本文主要討論的是DC/AC變換電路。

現(xiàn)行的DC/AC變換電路一般采用機(jī)械開(kāi)關(guān)（如繼電器）、三極管（BJT）、可控硅（SCR）等器件控制電路導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)存在跳變沿（上升沿或下降沿），此時(shí)，電路中的開(kāi)關(guān)器件兩端同時(shí)存在電流、電壓，器件產(chǎn)生能量損耗，降低了系統(tǒng)效率。而大功率開(kāi)關(guān)管即使能承受較大的電流、電壓，卻存在體積大、價(jià)格高、自身的功率消耗大等缺點(diǎn)限制了實(shí)際應(yīng)用。

由于以上的缺陷，導(dǎo)致現(xiàn)行的DC/AC變換電路存在功率小、效率低、系統(tǒng)自身?yè)p耗大的不足。為此，本文提出引入對(duì)稱電壓控制型MOS開(kāi)關(guān)管推挽工作、軟開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)MOS管的方案。由于MOS管是壓控器件，所以MOS管只需保證柵極（G極）與源極（S極）電壓[UGS>UGS（th）]即可使MOS管導(dǎo)通。此外，MOS管導(dǎo)通電阻極小，軟開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)方式使得開(kāi)關(guān)管的自身?yè)p耗進(jìn)一步減小，電路輸出級(jí)的推挽工作方式使得系統(tǒng)的功率進(jìn)一步提高。

1 電路對(duì)比分析

1.1 傳統(tǒng)電路分析

傳統(tǒng)的DC/AC變換電路多采用機(jī)械開(kāi)關(guān)（如繼電器）、三極管（BJT）、可控硅（SCR）等器件控制電路的通斷。此處，以傳統(tǒng)的電壓型單相半橋逆變電路為例進(jìn)行分析比較，其主電路結(jié)構(gòu)如上圖1（a） 所示，它由兩個(gè)導(dǎo)電臂組成，每個(gè)臂由可控開(kāi)關(guān)器件和二極管反向并聯(lián)組成雙向不對(duì)稱開(kāi)關(guān)，感應(yīng)負(fù)載 [R0，][L0]分別連接A，B兩點(diǎn)間，當(dāng)[CD1=CD2=CD，]電容量足夠大時(shí)可認(rèn)為[UD1=UD2=UD2。]

開(kāi)關(guān)器件的控制電壓[Ub1]和[Ub2]為脈寬π的方波，并互差π的電角度，如圖1（b） 所示，上下臂的可控開(kāi)關(guān)輪流導(dǎo)通，理想情況下，忽略方波的邊沿跳變時(shí)間，則VT1，VT2再不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象。對(duì)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)現(xiàn)在普遍采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）或正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）波。若忽略元器件本身壓降和換向所占的時(shí)間，則輸出電壓[u0]的大小為：

[U0=UD2，VT1或VD1導(dǎo)通-UD2，VT2或VD2導(dǎo)通] （1）

圖1 電壓型單相半橋逆變電路

此時(shí)，若負(fù)載呈感性，則負(fù)載電流將按指數(shù)曲線規(guī)律交變，負(fù)載電流的變化滯后電壓的變化，當(dāng)負(fù)載電壓[u0]改變極性時(shí)，負(fù)載電流[i0]將延遲一段時(shí)間才能改變極性，因而在不同的時(shí)區(qū)中，[u0]和[i0]將存在同向和反向兩種關(guān)系[1]，如圖1（b）所示。

如上分析可知該電路將穩(wěn)定的直流能量轉(zhuǎn)換為變化的交流能量，即實(shí)DC?AC的轉(zhuǎn)換。但實(shí)際使用時(shí)，由于上、下BJT管在任意時(shí)刻的電壓與電流的之積總不為零，而且BJT管為電流控制型器件，動(dòng)態(tài)電阻大，自身?yè)p耗大，電路效率低，且性能受溫度影響大，實(shí)際輸出由方波至正弦波輸出端也存在部分能量損失。

若要使輸出部分在正常輸出情況下就為正弦波，則需要采用SPWM脈寬調(diào)制方波驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，使輸出波形基本接近正弦波輸出。

1.2 改進(jìn)型電路拓?fù)浞治?/p>

為克服以上缺陷，提出了使用MOS管作為開(kāi)關(guān)控制器件，驅(qū)動(dòng)波形與輸出端使用振蕩電路產(chǎn)生的正弦波替代傳統(tǒng)的方波，并使開(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)一步減小開(kāi)關(guān)管在使用中的能量損耗。具體電路拓?fù)淙鐖D2所示。

拓?fù)鋱D中，主電源、輔助電源為電路提供能量，在實(shí)際電路中，采用單電源供電，輔助電源采用DC?DC降壓芯片直接獲取所需的電源值。改進(jìn)的電路將振蕩回路與換能回路共用一個(gè)交感線圈，圖中的輔助電源為開(kāi)關(guān)管提供靜態(tài)電壓，與振蕩部分的交流信號(hào)疊加共同控制開(kāi)關(guān)管1與開(kāi)關(guān)管2的通關(guān)。圖中的單向器件部分是避免開(kāi)關(guān)管1與開(kāi)關(guān)管2同時(shí)導(dǎo)通，保證兩個(gè)開(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，避免造成不必要的開(kāi)關(guān)損耗。

圖2 電壓型單相半橋逆變電路

1.3 改進(jìn)型電路拓?fù)浞治?/p>

本次采用的主電路部分如圖3所示。振蕩部分采用的是改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路，由于干路電感的電流不能突變，在上電瞬間，對(duì)應(yīng)的MOS管導(dǎo)通，干路電感會(huì)感應(yīng)出一個(gè)與電源電壓相當(dāng)?shù)碾妱?dòng)勢(shì)，會(huì)使MOS管電流由0開(kāi)始緩慢增加，而不會(huì)全部電壓施加于導(dǎo)通的MOS管。MOS管[Q1，][Q2]呈現(xiàn)互鎖的狀態(tài)，導(dǎo)通程度高的MOS管會(huì)使另外一個(gè)管子的柵極電壓繼續(xù)拉低，以至完全截止，而其自身則會(huì)至完全導(dǎo)通。

圖3 電壓型單相半橋逆變電路

由于電路中引入振蕩電路，所以在振蕩信號(hào)的作用下，MOS管會(huì)交替導(dǎo)通，形成周期性的振蕩。一個(gè)周期內(nèi)，選通不同的開(kāi)關(guān)管，主電源即可通過(guò)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管與變壓器初級(jí)線圈構(gòu)成回路，從而在次級(jí)線圈上產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電壓，即實(shí)現(xiàn)DC?AC轉(zhuǎn)換。由于變壓器初級(jí)電壓為正弦波電壓，則變壓器初級(jí)電壓與主電源電壓關(guān)系為：

[2×0πAsin xdxπ=VCC] （2）

式中：[A]為變壓器初級(jí)電壓幅值；[VCC]為主電源電壓值，求解積分方程后知二者的關(guān)系式為：

[A=π?VCC] （3）

電路中的功率變換部分為推挽輸出方式，主電源為功率級(jí)電源，通過(guò)干路的電感線圈與變壓器的初級(jí)相連，振蕩回路產(chǎn)生的正弦波由開(kāi)關(guān)管Q1，開(kāi)關(guān)管Q2分別放大其前半周期、后半周期，通過(guò)在一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻選通不同的MOS管從而實(shí)現(xiàn)DC?AC變換。

分析電路拓?fù)渲儔浩鞴β首儞Q部分的交流電壓變換呈現(xiàn)正弦波變化，因此次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓也呈正弦波變化，與傳統(tǒng)逆變電路相比，在功率的變換部分減少了有脈沖方波向正弦波變換環(huán)節(jié)，減少了變換時(shí)的能量損耗。在輸出端設(shè)置了兩路輸出，一路為未整流的交流輸出，一路為全波整流后的直流輸出。

由于交流輸出端為正弦波電壓輸出，所以可以通過(guò)修正電路參數(shù)、變頻技術(shù)使輸出的電壓變換為50 Hz，220 V正弦波輸出直接給予用電器供電。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)管被控制在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以其自身?yè)p耗極小，在實(shí)際電路工作時(shí)可以不加或外加較小的散熱片即可保證電路的正常工作。為提高輸出功率，在主開(kāi)關(guān)管Q1，Q2兩端可并聯(lián)與之相匹配的MOS管用以提高初級(jí)線圈的最大電流，進(jìn)而提高系統(tǒng)的輸出功率。

2 仿真及實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)傳統(tǒng)的逆變電路，采用SPWM波形驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管來(lái)獲得類似正弦波的輸出波形，其基本波形分析如圖4所示。

圖4 單、雙極性SPWM波形

由圖3可知，在一個(gè)正弦波輸出周期內(nèi)，采用SPWM波驅(qū)動(dòng)需使驅(qū)動(dòng)方波跳變多次，而且輸出正弦波的好壞與其跳變次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，而開(kāi)關(guān)管的自身?yè)p耗大部分是在驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生跳變時(shí)產(chǎn)生，進(jìn)而降低電路效率。因此傳統(tǒng)的逆變電路很難做到電路效率高、輸出正弦度好。

對(duì)改進(jìn)后的電路采用PSpice軟件仿真，通過(guò)搭建模擬電路仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5（a）中，上、下兩路波形分別為兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，圖5（b）為將其翻轉(zhuǎn)拼合后的整體波形，圖5（c）為電路的輸出波形，其為較標(biāo)準(zhǔn)的正弦波輸出。

由圖5分析可知，在一個(gè)正弦波周期內(nèi)，兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通一次且工作于軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，交疊部分面積極小，即主開(kāi)關(guān)的自身發(fā)熱極小，相對(duì)于傳統(tǒng)的SPWM驅(qū)動(dòng)方式而言，開(kāi)關(guān)管的自身?yè)p耗大幅減少，有效提高電路效率。實(shí)際電路得到的輸出波形如圖6所示，與仿真結(jié)果一致。

圖5 電壓型單相半橋逆變電路

圖6 實(shí)際電路輸出波形

3 結(jié) 論

本文提出了一種改進(jìn)型DC?AC逆變電路的實(shí)現(xiàn)方案。利用控制工作軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)的MOS管通斷實(shí)現(xiàn)直流至交流的轉(zhuǎn)換。由仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，改進(jìn)的DC?AC逆變方案是可行的，它與傳統(tǒng)的逆變電路相比，能有效地提高電路效率及減少開(kāi)關(guān)管的損耗，改進(jìn)的電路使開(kāi)關(guān)管處于軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，仿真結(jié)果中得到的輸出波形的正弦度較好，實(shí)際電路中得到的輸出波形與仿真結(jié)果一致。預(yù)期本電路可用于簡(jiǎn)單的逆變系統(tǒng)和直流變換裝置中?？梢胛⒖刂茊卧∕CU）實(shí)現(xiàn)智能控制，為進(jìn)一步提高電路的性能、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、簡(jiǎn)化電路的使用，具有更高的推廣價(jià)值。

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如上分析可知該電路將穩(wěn)定的直流能量轉(zhuǎn)換為變化的交流能量，即實(shí)DC?AC的轉(zhuǎn)換。但實(shí)際使用時(shí)，由于上、下BJT管在任意時(shí)刻的電壓與電流的之積總不為零，而且BJT管為電流控制型器件，動(dòng)態(tài)電阻大，自身?yè)p耗大，電路效率低，且性能受溫度影響大，實(shí)際輸出由方波至正弦波輸出端也存在部分能量損失。

若要使輸出部分在正常輸出情況下就為正弦波，則需要采用SPWM脈寬調(diào)制方波驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，使輸出波形基本接近正弦波輸出。

1.2 改進(jìn)型電路拓?fù)浞治?/p>

為克服以上缺陷，提出了使用MOS管作為開(kāi)關(guān)控制器件，驅(qū)動(dòng)波形與輸出端使用振蕩電路產(chǎn)生的正弦波替代傳統(tǒng)的方波，并使開(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)一步減小開(kāi)關(guān)管在使用中的能量損耗。具體電路拓?fù)淙鐖D2所示。

拓?fù)鋱D中，主電源、輔助電源為電路提供能量，在實(shí)際電路中，采用單電源供電，輔助電源采用DC?DC降壓芯片直接獲取所需的電源值。改進(jìn)的電路將振蕩回路與換能回路共用一個(gè)交感線圈，圖中的輔助電源為開(kāi)關(guān)管提供靜態(tài)電壓，與振蕩部分的交流信號(hào)疊加共同控制開(kāi)關(guān)管1與開(kāi)關(guān)管2的通關(guān)。圖中的單向器件部分是避免開(kāi)關(guān)管1與開(kāi)關(guān)管2同時(shí)導(dǎo)通，保證兩個(gè)開(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，避免造成不必要的開(kāi)關(guān)損耗。

圖2 電壓型單相半橋逆變電路

1.3 改進(jìn)型電路拓?fù)浞治?/p>

本次采用的主電路部分如圖3所示。振蕩部分采用的是改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路，由于干路電感的電流不能突變，在上電瞬間，對(duì)應(yīng)的MOS管導(dǎo)通，干路電感會(huì)感應(yīng)出一個(gè)與電源電壓相當(dāng)?shù)碾妱?dòng)勢(shì)，會(huì)使MOS管電流由0開(kāi)始緩慢增加，而不會(huì)全部電壓施加于導(dǎo)通的MOS管。MOS管[Q1，][Q2]呈現(xiàn)互鎖的狀態(tài)，導(dǎo)通程度高的MOS管會(huì)使另外一個(gè)管子的柵極電壓繼續(xù)拉低，以至完全截止，而其自身則會(huì)至完全導(dǎo)通。

圖3 電壓型單相半橋逆變電路

由于電路中引入振蕩電路，所以在振蕩信號(hào)的作用下，MOS管會(huì)交替導(dǎo)通，形成周期性的振蕩。一個(gè)周期內(nèi)，選通不同的開(kāi)關(guān)管，主電源即可通過(guò)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管與變壓器初級(jí)線圈構(gòu)成回路，從而在次級(jí)線圈上產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電壓，即實(shí)現(xiàn)DC?AC轉(zhuǎn)換。由于變壓器初級(jí)電壓為正弦波電壓，則變壓器初級(jí)電壓與主電源電壓關(guān)系為：

[2×0πAsin xdxπ=VCC] （2）

式中：[A]為變壓器初級(jí)電壓幅值；[VCC]為主電源電壓值，求解積分方程后知二者的關(guān)系式為：

[A=π?VCC] （3）

電路中的功率變換部分為推挽輸出方式，主電源為功率級(jí)電源，通過(guò)干路的電感線圈與變壓器的初級(jí)相連，振蕩回路產(chǎn)生的正弦波由開(kāi)關(guān)管Q1，開(kāi)關(guān)管Q2分別放大其前半周期、后半周期，通過(guò)在一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻選通不同的MOS管從而實(shí)現(xiàn)DC?AC變換。

分析電路拓?fù)渲?，變壓器功率變換部分的交流電壓變換呈現(xiàn)正弦波變化，因此次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓也呈正弦波變化，與傳統(tǒng)逆變電路相比，在功率的變換部分減少了有脈沖方波向正弦波變換環(huán)節(jié)，減少了變換時(shí)的能量損耗。在輸出端設(shè)置了兩路輸出，一路為未整流的交流輸出，一路為全波整流后的直流輸出。

由于交流輸出端為正弦波電壓輸出，所以可以通過(guò)修正電路參數(shù)、變頻技術(shù)使輸出的電壓變換為50 Hz，220 V正弦波輸出直接給予用電器供電。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)管被控制在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以其自身?yè)p耗極小，在實(shí)際電路工作時(shí)可以不加或外加較小的散熱片即可保證電路的正常工作。為提高輸出功率，在主開(kāi)關(guān)管Q1，Q2兩端可并聯(lián)與之相匹配的MOS管用以提高初級(jí)線圈的最大電流，進(jìn)而提高系統(tǒng)的輸出功率。

2 仿真及實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)傳統(tǒng)的逆變電路，采用SPWM波形驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管來(lái)獲得類似正弦波的輸出波形，其基本波形分析如圖4所示。

圖4 單、雙極性SPWM波形

由圖3可知，在一個(gè)正弦波輸出周期內(nèi)，采用SPWM波驅(qū)動(dòng)需使驅(qū)動(dòng)方波跳變多次，而且輸出正弦波的好壞與其跳變次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，而開(kāi)關(guān)管的自身?yè)p耗大部分是在驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生跳變時(shí)產(chǎn)生，進(jìn)而降低電路效率。因此傳統(tǒng)的逆變電路很難做到電路效率高、輸出正弦度好。

對(duì)改進(jìn)后的電路采用PSpice軟件仿真，通過(guò)搭建模擬電路仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5（a）中，上、下兩路波形分別為兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，圖5（b）為將其翻轉(zhuǎn)拼合后的整體波形，圖5（c）為電路的輸出波形，其為較標(biāo)準(zhǔn)的正弦波輸出。

由圖5分析可知，在一個(gè)正弦波周期內(nèi)，兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通一次且工作于軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，交疊部分面積極小，即主開(kāi)關(guān)的自身發(fā)熱極小，相對(duì)于傳統(tǒng)的SPWM驅(qū)動(dòng)方式而言，開(kāi)關(guān)管的自身?yè)p耗大幅減少，有效提高電路效率。實(shí)際電路得到的輸出波形如圖6所示，與仿真結(jié)果一致。

圖5 電壓型單相半橋逆變電路

圖6 實(shí)際電路輸出波形

3 結(jié) 論

本文提出了一種改進(jìn)型DC?AC逆變電路的實(shí)現(xiàn)方案。利用控制工作軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)的MOS管通斷實(shí)現(xiàn)直流至交流的轉(zhuǎn)換。由仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，改進(jìn)的DC?AC逆變方案是可行的，它與傳統(tǒng)的逆變電路相比，能有效地提高電路效率及減少開(kāi)關(guān)管的損耗，改進(jìn)的電路使開(kāi)關(guān)管處于軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，仿真結(jié)果中得到的輸出波形的正弦度較好，實(shí)際電路中得到的輸出波形與仿真結(jié)果一致。預(yù)期本電路可用于簡(jiǎn)單的逆變系統(tǒng)和直流變換裝置中?？梢胛⒖刂茊卧∕CU）實(shí)現(xiàn)智能控制，為進(jìn)一步提高電路的性能、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、簡(jiǎn)化電路的使用，具有更高的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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如上分析可知該電路將穩(wěn)定的直流能量轉(zhuǎn)換為變化的交流能量，即實(shí)DC?AC的轉(zhuǎn)換。但實(shí)際使用時(shí)，由于上、下BJT管在任意時(shí)刻的電壓與電流的之積總不為零，而且BJT管為電流控制型器件，動(dòng)態(tài)電阻大，自身?yè)p耗大，電路效率低，且性能受溫度影響大，實(shí)際輸出由方波至正弦波輸出端也存在部分能量損失。

若要使輸出部分在正常輸出情況下就為正弦波，則需要采用SPWM脈寬調(diào)制方波驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，使輸出波形基本接近正弦波輸出。

1.2 改進(jìn)型電路拓?fù)浞治?/p>

為克服以上缺陷，提出了使用MOS管作為開(kāi)關(guān)控制器件，驅(qū)動(dòng)波形與輸出端使用振蕩電路產(chǎn)生的正弦波替代傳統(tǒng)的方波，并使開(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)一步減小開(kāi)關(guān)管在使用中的能量損耗。具體電路拓?fù)淙鐖D2所示。

拓?fù)鋱D中，主電源、輔助電源為電路提供能量，在實(shí)際電路中，采用單電源供電，輔助電源采用DC?DC降壓芯片直接獲取所需的電源值。改進(jìn)的電路將振蕩回路與換能回路共用一個(gè)交感線圈，圖中的輔助電源為開(kāi)關(guān)管提供靜態(tài)電壓，與振蕩部分的交流信號(hào)疊加共同控制開(kāi)關(guān)管1與開(kāi)關(guān)管2的通關(guān)。圖中的單向器件部分是避免開(kāi)關(guān)管1與開(kāi)關(guān)管2同時(shí)導(dǎo)通，保證兩個(gè)開(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，避免造成不必要的開(kāi)關(guān)損耗。

圖2 電壓型單相半橋逆變電路

1.3 改進(jìn)型電路拓?fù)浞治?/p>

本次采用的主電路部分如圖3所示。振蕩部分采用的是改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路，由于干路電感的電流不能突變，在上電瞬間，對(duì)應(yīng)的MOS管導(dǎo)通，干路電感會(huì)感應(yīng)出一個(gè)與電源電壓相當(dāng)?shù)碾妱?dòng)勢(shì)，會(huì)使MOS管電流由0開(kāi)始緩慢增加，而不會(huì)全部電壓施加于導(dǎo)通的MOS管。MOS管[Q1，][Q2]呈現(xiàn)互鎖的狀態(tài)，導(dǎo)通程度高的MOS管會(huì)使另外一個(gè)管子的柵極電壓繼續(xù)拉低，以至完全截止，而其自身則會(huì)至完全導(dǎo)通。

圖3 電壓型單相半橋逆變電路

由于電路中引入振蕩電路，所以在振蕩信號(hào)的作用下，MOS管會(huì)交替導(dǎo)通，形成周期性的振蕩。一個(gè)周期內(nèi)，選通不同的開(kāi)關(guān)管，主電源即可通過(guò)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管與變壓器初級(jí)線圈構(gòu)成回路，從而在次級(jí)線圈上產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電壓，即實(shí)現(xiàn)DC?AC轉(zhuǎn)換。由于變壓器初級(jí)電壓為正弦波電壓，則變壓器初級(jí)電壓與主電源電壓關(guān)系為：

[2×0πAsin xdxπ=VCC] （2）

式中：[A]為變壓器初級(jí)電壓幅值；[VCC]為主電源電壓值，求解積分方程后知二者的關(guān)系式為：

[A=π?VCC] （3）

電路中的功率變換部分為推挽輸出方式，主電源為功率級(jí)電源，通過(guò)干路的電感線圈與變壓器的初級(jí)相連，振蕩回路產(chǎn)生的正弦波由開(kāi)關(guān)管Q1，開(kāi)關(guān)管Q2分別放大其前半周期、后半周期，通過(guò)在一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻選通不同的MOS管從而實(shí)現(xiàn)DC?AC變換。

分析電路拓?fù)渲?，變壓器功率變換部分的交流電壓變換呈現(xiàn)正弦波變化，因此次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓也呈正弦波變化，與傳統(tǒng)逆變電路相比，在功率的變換部分減少了有脈沖方波向正弦波變換環(huán)節(jié)，減少了變換時(shí)的能量損耗。在輸出端設(shè)置了兩路輸出，一路為未整流的交流輸出，一路為全波整流后的直流輸出。

由于交流輸出端為正弦波電壓輸出，所以可以通過(guò)修正電路參數(shù)、變頻技術(shù)使輸出的電壓變換為50 Hz，220 V正弦波輸出直接給予用電器供電。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)管被控制在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以其自身?yè)p耗極小，在實(shí)際電路工作時(shí)可以不加或外加較小的散熱片即可保證電路的正常工作。為提高輸出功率，在主開(kāi)關(guān)管Q1，Q2兩端可并聯(lián)與之相匹配的MOS管用以提高初級(jí)線圈的最大電流，進(jìn)而提高系統(tǒng)的輸出功率。

2 仿真及實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)傳統(tǒng)的逆變電路，采用SPWM波形驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管來(lái)獲得類似正弦波的輸出波形，其基本波形分析如圖4所示。

圖4 單、雙極性SPWM波形

由圖3可知，在一個(gè)正弦波輸出周期內(nèi)，采用SPWM波驅(qū)動(dòng)需使驅(qū)動(dòng)方波跳變多次，而且輸出正弦波的好壞與其跳變次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，而開(kāi)關(guān)管的自身?yè)p耗大部分是在驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生跳變時(shí)產(chǎn)生，進(jìn)而降低電路效率。因此傳統(tǒng)的逆變電路很難做到電路效率高、輸出正弦度好。

對(duì)改進(jìn)后的電路采用PSpice軟件仿真，通過(guò)搭建模擬電路仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5（a）中，上、下兩路波形分別為兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，圖5（b）為將其翻轉(zhuǎn)拼合后的整體波形，圖5（c）為電路的輸出波形，其為較標(biāo)準(zhǔn)的正弦波輸出。

由圖5分析可知，在一個(gè)正弦波周期內(nèi)，兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通一次且工作于軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，交疊部分面積極小，即主開(kāi)關(guān)的自身發(fā)熱極小，相對(duì)于傳統(tǒng)的SPWM驅(qū)動(dòng)方式而言，開(kāi)關(guān)管的自身?yè)p耗大幅減少，有效提高電路效率。實(shí)際電路得到的輸出波形如圖6所示，與仿真結(jié)果一致。

圖5 電壓型單相半橋逆變電路

圖6 實(shí)際電路輸出波形

3 結(jié) 論

本文提出了一種改進(jìn)型DC?AC逆變電路的實(shí)現(xiàn)方案。利用控制工作軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)的MOS管通斷實(shí)現(xiàn)直流至交流的轉(zhuǎn)換。由仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，改進(jìn)的DC?AC逆變方案是可行的，它與傳統(tǒng)的逆變電路相比，能有效地提高電路效率及減少開(kāi)關(guān)管的損耗，改進(jìn)的電路使開(kāi)關(guān)管處于軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，仿真結(jié)果中得到的輸出波形的正弦度較好，實(shí)際電路中得到的輸出波形與仿真結(jié)果一致。預(yù)期本電路可用于簡(jiǎn)單的逆變系統(tǒng)和直流變換裝置中?？梢胛⒖刂茊卧∕CU）實(shí)現(xiàn)智能控制，為進(jìn)一步提高電路的性能、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、簡(jiǎn)化電路的使用，具有更高的推廣價(jià)值。

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