3 kW逆變電源的主電路設(shè)計(jì)

陳 靜，陳洪立，江先志，田芬芳

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

3 kW逆變電源的主電路設(shè)計(jì)

陳 靜，陳洪立，江先志，田芬芳

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

介紹了3 kW逆變電源的主電路設(shè)計(jì)方案.采用SPWM調(diào)制方式，將24 V直流電轉(zhuǎn)換為220 V工頻交流電.首先采用反激電路為系統(tǒng)提供所需的電源；接著利用推挽升壓電路將低壓直流電升壓；最后通過(guò)比較三角波和調(diào)制波的大小，生成SPWM波，從而控制IGBT的開(kāi)關(guān)，將升壓后直流電逆變?yōu)?0 Hz的220 V交流電.從電源的輸出波形及負(fù)載性能方面說(shuō)明了該設(shè)計(jì)方案的可行性.

反激電路；推挽電路；SPWM；全橋逆變；IGBT

太陽(yáng)能作為一種巨量的可再生能源，是目前大量應(yīng)用的化石能源的主要替代品，是人類可利用的最直接的清潔能源之一[1].國(guó)際能源署(IEA)組織的研究表明，如果全球干燥沙漠面積的4%安裝光伏組件，則所獲電力可滿足全球的能源需求[2].由此不難得出，太陽(yáng)能對(duì)于解決當(dāng)今能源短缺問(wèn)題有著至關(guān)重要的作用.逆變電源是人們有效利用太陽(yáng)能不可缺少的裝置.隨著太陽(yáng)能利用的逐步普及，對(duì)優(yōu)質(zhì)逆變電源的需求也日益強(qiáng)烈.近年來(lái)，逆變電源以其節(jié)能環(huán)保、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)與生活之中.在逆變電源中，逆變控制方式最為關(guān)鍵，它直接影響電源輸出電壓的品質(zhì).正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用[3].隨著絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)等高頻功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展，逆變電源正向高頻、高效方向發(fā)展，逆變電源的體積和重量也日漸減小[4].

本文設(shè)計(jì)一種由SPWM控制的逆變電源主控電路.該電路采用高頻逆變方式，可在提高逆變效率的同時(shí)減輕電源的重量.

1 系統(tǒng)整體框架

該逆變電源電路整體框架如圖1所示.其中：反激電路用于產(chǎn)生系統(tǒng)所需的多個(gè)相互隔離的電源；推挽升壓電路用于蓄電池輸出電壓的升壓，是逆變電源的重要組成部分；全橋逆變電路將蓄電池升壓后的高電壓逆變?yōu)?20 V的工頻市電.

圖1 系統(tǒng)整體框架

2 供電電路設(shè)計(jì)

在本文提出的逆變電源電路設(shè)計(jì)方案中，逆變控制部分的IGBT全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里每個(gè)開(kāi)關(guān)都采用不同的電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng).主控芯片、運(yùn)放電路以及保護(hù)電路的供電需要相互隔離.

反激電路具有高可靠性、電路拓?fù)浜?jiǎn)潔、輸入輸出電氣隔離、升/降壓范圍寬、易于多路輸出等優(yōu)點(diǎn)[5].故本文選擇反激電路作為逆變電源的供電電路，通過(guò)反激電路產(chǎn)生+12 V、-12 V、+5 V等不同電壓的供電電源，以及多個(gè)相互獨(dú)立的+12 V電源.系統(tǒng)供電電路如圖2所示.

系統(tǒng)供電電路左半部分為產(chǎn)生控制MOSFET管高頻方波的UC3845外圍電路.在電源開(kāi)關(guān)按鈕按下瞬間，Q1、Q2接通，由蓄電池為芯片供電，待電容C充電完畢時(shí)，反激電路開(kāi)始工作，Q1、Q2斷開(kāi)，轉(zhuǎn)由VCC1單獨(dú)供電.

芯片的輸出頻率為：

式中：CT為芯片引腳RT/CT與引腳GND之間的電容；RT為芯片引腳RT/CT與引腳VREF之間的電阻.

只要通過(guò)計(jì)算，選擇合適的電容和電阻，便可產(chǎn)生指定頻率的方波.本文所需的方波頻率為50 kHz.

圖2 系統(tǒng)供電電路

系統(tǒng)供電電路右半部分變壓器TX1的輸入為蓄電池的輸出.UBAT即為蓄電池的輸出電壓(24 V直流電壓).Q3為MOSFET管，由芯片UC3845所產(chǎn)生的高頻方波控制通斷，將能量傳遞到次級(jí)變壓器，從而得到所需的電壓.

本文所選芯片UC3845的最大占空比為0.45，其輸出開(kāi)關(guān)頻率為50 kHz.圖2中各線圈匝數(shù)的關(guān)系為：N1∶N2=1.55∶1，N2=N3=N4=N5.反激電路在上述變壓器線圈匝數(shù)比的情況下工作時(shí)，UVCC=UVCC1=UVCC2=12 V.變壓器線圈5的輸出分為兩路：一路通過(guò)78M05芯片產(chǎn)生5 V電源；一路由芯片MC79L12轉(zhuǎn)換為-12 V.

變壓器線圈4產(chǎn)生12 V電壓并輸入TX2中，使一路+12 V電壓變?yōu)閮陕废嗷ジ綦x的+12 V電壓.至此，該逆變電源的所有供電電源均已產(chǎn)生.

3 升壓電路設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的隔離型升壓變流電路主要有單端電路和雙端電路兩大類：?jiǎn)味穗娐分饕ㄕる娐泛头醇る娐?；雙端電路主要包括半橋、全橋和推挽電路[6].推挽電路具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)變壓器磁芯利用率高，輸出電流穩(wěn)定，瞬態(tài)響應(yīng)速度高等優(yōu)點(diǎn)[7].推挽電路適用于大電流場(chǎng)合，被廣泛應(yīng)用于功放電路和開(kāi)關(guān)電源[8].因此，本文采用推挽電路進(jìn)行升壓.

逆變電源的輸出功率較大，故實(shí)際電路中可采用多個(gè)MOSFET管并聯(lián)來(lái)增大電源輸出功率.為了簡(jiǎn)便，本文各個(gè)電路圖的開(kāi)關(guān)管都只畫了一個(gè).

推挽升壓電路結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示.由于220 V交流電的電壓最大值為311 V，故蓄電池電壓UH至少要升壓至350 V.在圖3中，Q1、Q2由電路互補(bǔ)的高頻方波控制.這兩路方波的占空比為0.45.故各線圈匝數(shù)比例關(guān)系為：N1=N2，N1/N3=0.45×UBAT/UH.

變壓器的公共輸入端連接蓄電池正極.Q1、Q2柵極由兩路互補(bǔ)的高頻方波分別控制通斷，柵極連接蓄電池的負(fù)極，漏極分別連接變壓器輸入端的上、下兩個(gè)引腳.在圖3(b)所示的時(shí)序圖中，高電平表示開(kāi)，低電平表示關(guān).

(a)電路結(jié)構(gòu) (b)時(shí)序圖圖3 推挽升壓電路及其時(shí)序圖

4 逆變電路設(shè)計(jì)

逆變電路是逆變電源中最為關(guān)鍵的部分，首先需要生成一路50 Hz的調(diào)制波和一路20 kHz的三角載波，再由調(diào)制波和三角載波相交獲得SPWM波，用于控制IGBT的通斷.由于本文所用逆變電源的控制方式為單極性調(diào)制，故需根據(jù)調(diào)制波的周期來(lái)確定逆變輸出為正半波還是負(fù)半波.

調(diào)制波直接決定逆變輸出電壓的大小和周期.由主控芯片產(chǎn)生基礎(chǔ)的參考正弦波，加入電壓電流的反饋，即可獲得控制所需的調(diào)制波.SPWM波的產(chǎn)生只需要一個(gè)電壓比較器即可.該電壓比較器的輸入為三角波和調(diào)制波，輸出即為SPWM波.其電路較為簡(jiǎn)單，本文不予介紹.

4.1三角波發(fā)生電路

三角波的產(chǎn)生方式非常多，本文采用一個(gè)運(yùn)算放大器來(lái)產(chǎn)生三角波.其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 三角波發(fā)生電路

當(dāng)電容C1兩端的電壓為0 V時(shí)，運(yùn)算放大器通過(guò)電阻R1對(duì)C1充電，直到C1兩端的電壓高于穩(wěn)壓管D1的穩(wěn)壓值為止；隨后C1通過(guò)R1放電，直到C1兩端的電壓等于零為止.該過(guò)程周期性循環(huán).由于電容完全放電的時(shí)間理論上為無(wú)窮大，但實(shí)際中電容放電到一定的余量就相當(dāng)于完全放電，因此需要調(diào)整電阻R1與電容C1的值，使充放電周期大致為20 μs.

4.2全橋式逆變電路

目前，逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式等多種類型[9].其中，全橋式和推挽式適用于輸出容量較大的場(chǎng)合，全橋式的功率開(kāi)關(guān)器件所承受的電壓只有推挽式的一半.因此，本設(shè)計(jì)電源采用了全橋式逆變電路.該全橋式逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示.圖5中Q1、Q2、Q3、Q4均為IGBT.逆變電路的輸入為推挽升壓的輸出UH.

全橋式逆變電路的兩個(gè)橋臂分別由Q1、Q3和Q2、Q4組成.從圖5中各IGBT的控制波形可以看出：當(dāng)輸出為正半周期時(shí)，SPWM波控制Q1的通斷，使Q3的通斷與Q1相反，Q2關(guān)斷，Q4打開(kāi)；當(dāng)輸出為負(fù)半周期時(shí)，SPWM波控制Q3的通斷，使Q1的通斷與Q3相反，Q4關(guān)斷，Q2打開(kāi).如此周期循環(huán)，負(fù)載的兩端便是220 V的工頻交流電.

在圖5中，Q1、Q2、Q3、Q4的控制時(shí)序圖忽略了IGBT控制時(shí)的死區(qū)時(shí)間.該電源死區(qū)時(shí)間為10 μs.

5 逆變電源測(cè)試

本設(shè)計(jì)的三角波發(fā)生器輸出波形為標(biāo)準(zhǔn)三角波.其頻率為22 kHz,幅值為6.2 V，可滿足生成SPWM波的載波要求.

逆變電源的輸出結(jié)果如圖6所示.電源空載時(shí)輸出為50 Hz的220 V交流電.負(fù)載測(cè)試時(shí)，電源運(yùn)行良好，輸出電壓有效值的波動(dòng)范圍為2%，輸出電流可達(dá)11 A，滿足了設(shè)計(jì)要求.

(a)電路結(jié)構(gòu) (b)時(shí)序圖圖5 全橋式逆變電路的拓樸結(jié)構(gòu)

縱向100 V/格； 橫向5 ms/格圖6 電源輸出波形

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)所設(shè)計(jì)的3 kW逆變主電路繪制了PCB電路板，并進(jìn)行了負(fù)載測(cè)試和輸出波形精度測(cè)試.測(cè)試表明，系統(tǒng)運(yùn)行良好，電路輸出的電壓波動(dòng)范圍在2%以內(nèi)，滿足了使用精度要求，電路輸出功率滿足了3 kW的電源要求.隨著高速開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展以及微控制芯片性能的提升，逆變電源必將獲得廣泛的應(yīng)用.

[1] 吳建進(jìn),魏學(xué)業(yè),袁 磊.一種推挽式直流升壓電路的設(shè)計(jì)[J]. 電氣自動(dòng)化,2011,33(2):54-56.

[2] International Energy Agency (IEA). World energy outlook 2010[R] . Paris: IEA, 2010.

[3] 佟為明,李可敬,翟國(guó)富,等.SPWM電壓源逆變器變壓變頻過(guò)程的諧波分析[J]. 電力電子技術(shù),1995(3):47-51.

[4] 胡江毅.反激變換器的應(yīng)用研究[D].南京：南京航空航天大學(xué),2003.

[5] 錢金川,朱守敏.全橋式逆變電源主電路設(shè)計(jì)[J]. 電工電氣,2010(4):12-19.

[6] 王兆安,黃 俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

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[8] 廖曉科.逆變電源研究熱點(diǎn)及發(fā)展[J]. 微電機(jī),2008,41(7):84，92.

[9] 孫 鵬.基于單片機(jī)控制的太陽(yáng)能逆變電源研究[D].大連：大連海事大學(xué),2007.

MainCircuitDesignof3kWInverter

CHEN Jing，CHEN Hong-li，JIANG Xian-zhi，TIAN Fen-fang

(School of Mechanical Engineering and Automation,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China)

This paper introduces a main circuit design scheme of 3 kW inverter using SPWM modulation to turn DC power supply (24 V) into AC power (220 V, 50 Hz). First, necessary power to the system by the flyback transformer is provided. Second, the DC is boosted by a Push-Pull circuit. Finally, the H-bridge circuit is controlled by the SPWM which is generated by comparing the voltage of the triangular wave and the modulation sine wave, and turn the Step-up voltage DC to AC (50 Hz,220 V). The power supply’s output waveform and load performance shows that the design is feasible.

flyback circuit; push-pull circuit; SPWM; H-bridge; IGBT

2017-04-05

陳 靜(1992-)，女，浙江溫州人，碩士研究生，研究方向?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源及逆變器設(shè)計(jì).

1006-3269(2017)03-0014-04

TP29

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.03.004