大功率車載逆變電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程詩卿，黃海波，盧 軍，隋紀(jì)祥，孫 帆，趙 熠

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，智能汽車逐漸普及，汽車上車載電視、車載電冰箱、車載音響等電子設(shè)備的增加使原有的蓄電池?zé)o法滿足這些設(shè)備的用電需求。為了滿足市場應(yīng)用需求，對(duì)將低壓直流電轉(zhuǎn)換成適用于家用電器的220 V交流電的車載逆變電源進(jìn)行研究，從而設(shè)計(jì)一款高效且性能良好的逆變電源[1-3]。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)采用兩級(jí)式的變換電路結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)

輸入的24 V直流電壓先通過前級(jí)直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）電路升 壓到320 V，然后320 V直流電再通過后級(jí)直流/交流（Direct CurrentPower/Alternating Current，DC/AC）電路轉(zhuǎn)換為交流電輸出[3]。

控制模塊對(duì)整個(gè)電路中的開關(guān)管起到驅(qū)動(dòng)和保護(hù)的作用。前級(jí)DC/DC電路的金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）管由處理器生成的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制，通過圖騰柱增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。后級(jí)逆變電路的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）使用正弦脈沖寬度調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）控制。溫度保護(hù)模塊主要監(jiān)測所有功率開關(guān)管的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到限值時(shí)，發(fā)光二極管（Light-Emittng Diode，LED）燈報(bào)警，并將過溫信號(hào)傳送至處理器端。與此同時(shí)，還設(shè)有電壓、電流檢測電路，可以實(shí)時(shí)采集輸入和輸出電壓、電流值。

1.1 前級(jí)DC/DC電路

前級(jí)DC/DC變流電路分別有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路以及推挽電路，各電路的對(duì)比如表1所示[4]。

表1 DC/DC變流電路對(duì)比

通過比較表1中各類DC/DC變流電路的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)以及功率范圍，前級(jí)電路設(shè)計(jì)選用推挽電路，如圖2所示。

圖2 推挽電路拓?fù)?/p>

根據(jù)圖2，變壓器前級(jí)的2個(gè)開關(guān)管Q1、Q2交替導(dǎo)通。在雙端電路中，考慮到器件的耐壓值和變壓器繞組的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，后級(jí)的整流環(huán)節(jié)采用全橋整流電路[5]。在變壓器前級(jí)形成相位相反的交流電壓，Q1導(dǎo)通時(shí)，D1、D4處于通態(tài)；Q2導(dǎo)通時(shí)，D2、D3處于通態(tài)。

1.2 后級(jí)DC/AC逆變電路

為了提高系統(tǒng)功率，后級(jí)DC/AC逆變電路的設(shè)計(jì)中選用全橋逆變電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示[6]。

圖3 全橋逆變電路拓?fù)?/p>

當(dāng)開關(guān)管Q1、Q4導(dǎo)通而Q2、Q3斷開時(shí)，負(fù)載電壓U為正；當(dāng)開關(guān)管Q1、Q4斷開而Q2、Q3導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓U為負(fù)。通過以上操作，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。

1.3 SPWM調(diào)制技術(shù)

為了適應(yīng)大多數(shù)車載電器的工作狀態(tài)，并盡可能減小交流電的諧波含量，需設(shè)計(jì)輸出50 Hz的正弦波電壓，利用SPWM方式生成的脈沖作為逆變部分的控制信號(hào)[7]。SPWM脈沖是調(diào)制波為正弦波、載波為三角波或鋸齒波的一種脈寬調(diào)制信號(hào)，其中載波應(yīng)用較多的是等腰三角波。由于等腰三角形上任意一點(diǎn)的水平寬度和高度成線性關(guān)系并且左右對(duì)稱，因此當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交時(shí)，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖[8]。圖4為雙極性的SPWM調(diào)制方式。

圖4 雙極性SPWM調(diào)制方式

2 系統(tǒng)仿真及測試結(jié)果

2.1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)搭建

車載逆變電源系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 車載逆變電源系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

前級(jí)DC/DC電路中，推挽電路的工作效率影響最后的輸出效率。為了實(shí)現(xiàn)整流過后能輸出320 V的直流電壓，同時(shí)提升電路的輸出功率，將4路推挽電路串聯(lián)。此時(shí)每一路變壓器的輸出電壓為80 V，這樣能減小變壓器的體積，降低成本。每一個(gè)變壓器原邊的通斷利用兩兩開關(guān)管并聯(lián)的方式使通過每個(gè)開關(guān)管的電流減小為原來的一半，來降低開關(guān)管的損耗，延長其使用壽命。開關(guān)管的通斷利用PWM波控制，每一路變壓器原邊的開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)。由于后級(jí)DC/AC電路需要將整流后輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)換成50 Hz的純正弦交流電，因此逆變電路開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用頻率為50Hz的SPWM波控制，同時(shí)設(shè)置死區(qū)時(shí)間。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，橋臂的上、下開關(guān)都沒有開關(guān)信號(hào)，對(duì)輸出電壓的利用率、電壓與電流的相位關(guān)系有著重要影響[9]。最后，輸出220 V/50 Hz的交流電。由于SPWM逆變電路輸出的波形帶有大量的高次諧波，因此為了使輸出的波形接近正弦波，需要在逆變輸出后設(shè)計(jì)一個(gè)電感電容（Inductor Capacitance，LC）濾波電路[10]。

2.2 測試結(jié)果分析

2.2.1 前級(jí)DC/DC測試

變壓器原邊輸入的測試波形如圖6所示，測試點(diǎn)分別為變壓器原邊的上下2個(gè)橋臂。

圖6 變壓器原邊輸入電壓波形

從圖6可以看到，經(jīng)過控制開關(guān)管的通斷，將輸入的直流24 V電壓翻轉(zhuǎn)為+24～-24 V的交流電壓。

圖7為4個(gè)變壓器串聯(lián)后通過整流橋后輸出的直流電壓波形，圖中電壓的幅值為320 V。

圖7 整流輸出電壓波形

從前級(jí)DC/DC升壓電路的各個(gè)測試點(diǎn)的電壓波形來看，前級(jí)電路的設(shè)計(jì)比較能接近預(yù)先設(shè)計(jì)的結(jié)果，即輸入24 V直流電壓，經(jīng)過變壓器升壓和整流橋整流后能輸出320 V的直流電壓。

2.2.2 后級(jí)DC/AC測試結(jié)果

經(jīng)過全橋逆變后輸出的電壓波形如圖8所示。

圖8 逆變橋輸出電壓波形

由于經(jīng)過逆變橋輸出的波形還不能滿足輸出正弦波電壓，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)匹配電路來改善波形。通過設(shè)計(jì)匹配電路的電感和電容的參數(shù)，最終確定了一個(gè)比較合適的匹配電路，最終輸出的電壓波形如圖9所示。

圖9 輸出電壓波形

通過分析圖9，最終輸出的電壓波形為220 V純正弦波形，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

3 結(jié) 論

針對(duì)大功率車載逆變電源系統(tǒng)，提出一種由4個(gè)推挽電路串聯(lián)組成的DC/DC升壓電路的結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)大功率逆變輸出220 V/50 Hz交流電的同時(shí)，能夠減小通過單個(gè)變壓器的原邊線圈和每個(gè)開關(guān)管的電流，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，并大大減小了功率器件的損耗。輸出結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能達(dá)到預(yù)期效果，對(duì)實(shí)際車載電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。