能饋型逆變器負載試驗系統(tǒng)的研究與設(shè)計

張荊沙 楊萬華 張潔

摘?要：逆變器在出廠前都需要進行嚴格的老化測試和相關(guān)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)帶載試驗。傳統(tǒng)的測試方式大多選用能耗型器件作為負載，這樣不僅會浪費大量的能源，而且會對環(huán)境造成一定的影響。本文中設(shè)計了一款能饋型逆變器負載試驗系統(tǒng)，在保證測試結(jié)果精確度和降低管理維護成本的同時實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。

關(guān)鍵詞：逆變；整流；同步升壓；能量回饋

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.08.083

0?引言

在電子電氣產(chǎn)品的使用過程中，電源作為電能供應(yīng)的裝置是必不可少的，所以電源的性能指標對電子電氣產(chǎn)品來說是至關(guān)重要的。根據(jù)國內(nèi)和國外標準的要求，電源設(shè)備在出廠前都必須進行嚴格的檢查與性能測試。例如，老化試驗、負載試驗、輸出特性試驗等，經(jīng)過一系列的試驗來保證電源的可靠性。在相應(yīng)的測試環(huán)節(jié)中，負載是不可或缺的，它將電源提供的電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量消耗掉或進行存儲。傳統(tǒng)的負載試驗方式一般選擇使用能耗型器件來進行測試，但這類方式有諸多不足之處。

（1）電能被單純地轉(zhuǎn)化成熱能消耗掉，在浪費大量能源的同時還要配合考慮散熱的問題。（2）負載自身特性受溫度等因素影響較大，試驗過程中負載發(fā)熱會影響測試結(jié)果的精確度。（3）在對不同的電源進行測試時需要配備與其對應(yīng)的負載，通用性差且增加了管理和維護的工作量。

隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，基于全控型功率器件構(gòu)成的電子負載在電源測試中應(yīng)用的越來越廣泛，電子負載可以通過控制電源的輸出電流來模擬電源連接某一實際負載時的情況，如果電子負載兼有將能量回饋至輸入級來供試驗系統(tǒng)自身使用將使得能量得到最大化利用。與傳統(tǒng)能耗型負載相比使用具有饋能效果的電子負載進行負載試驗具有以下優(yōu)勢。

（1）節(jié)能環(huán)保。電能損耗主要在內(nèi)部的開關(guān)器件及電路上，部分能量將回饋至輸入級，實現(xiàn)電能的循環(huán)利用。內(nèi)部不含發(fā)熱量大的能耗型器件，無需設(shè)計體積龐大的散熱設(shè)備。

（2）負載自身特性穩(wěn)定。進行試驗時，輸出電流由電子負載控制，外界因素對其影響很小，負載的穩(wěn)定性高，從而保證測試結(jié)果的精確度。

（3）通用性強?？筛鶕?jù)實際測試情況對其進行控制，在一定范圍內(nèi)模擬不同特性的負載，降低了管理和維護成本。

通過上述比較可知，在電源負載試驗中，采用具有饋能效果的電子負載可以有效改善采用能耗型負載的諸多不足之處。為了解決電源負載試驗中能源浪費等問題，研究和設(shè)計電源領(lǐng)域的能饋型負載試驗系統(tǒng)具有重要的意義。

1?系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)原理如圖1所示。待測逆變器測試所需的能量，由能量回饋單元和輸入直流電源共同提供。整個系統(tǒng)既能滿足以節(jié)能測試為主題的最終目標，也能完成待測逆變器全功率范圍內(nèi)的性能測試，從而可以打破傳統(tǒng)的針對逆變器的能耗型負載測試方案，避免了能源浪費。由于逆變器的輸出電壓一般是恒定的或者設(shè)定的，所以要想控制逆變器的輸出功率就必須增大或減小電流I4，而要想控制I4的大小，唯一的辦法就是調(diào)節(jié)能量回饋單元。

隔離型功率變換能量回饋結(jié)構(gòu)相比工頻變壓器+非隔離型功率變換能量回饋結(jié)構(gòu)，盡管效率要高很多，但隔離型的DC-DC功率變換電路相比非隔離型的DC-DC功率變換電路所用的器件要更多。同時不管是采用隔離型功率變換能量回饋結(jié)構(gòu)中的哪種隔離型的DC-DC功率變換拓撲，都需要進行復(fù)雜的高頻變壓器設(shè)計，如果漏感過大，會直接造成開關(guān)管開關(guān)過程中由變壓器電感帶來的反向電壓尖峰過大，損壞MOS管。而工頻變壓器+非隔離型功率變換能量回饋結(jié)構(gòu)并不影響對能饋型逆變器負載試驗系統(tǒng)的研究，反而因為其結(jié)構(gòu)相對簡單，更容易獲得研究結(jié)果。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2?系統(tǒng)電路設(shè)計

整個系統(tǒng)主要由逆變器電路、能量回饋單元電路等組成。逆變電路實現(xiàn)電壓由DC-AC的轉(zhuǎn)化，能量回饋單元電路實現(xiàn)負載模擬并完成能量回饋。

2.1?逆變器電路設(shè)計

逆變器主要由EG8010控制電路、驅(qū)動電路、逆變?nèi)珮螂娐方M成。EG8010產(chǎn)生4路SPWM波控制由IR2110組成的驅(qū)動電路，實現(xiàn)控制信號的放大，以此驅(qū)動4個功率MOS管組成的逆變?nèi)珮螂娐?，逆變?nèi)珮螂娐份敵龅碾妷航?jīng)過LC濾波器后將輸出純正弦波電壓。

2.1.1?逆變器功率電路設(shè)計

如圖3所示，Q1、Q2、Q3、Q4是電壓變換功率MOS管。當Q1、Q4導(dǎo)通時，Q2、Q3截至，SPWM控制Q1使輸出電壓的極性為上正下負。當Q1、Q4截至?xí)r，Q2、Q3導(dǎo)通，SPWM控制Q3使輸出電壓的極性為上負下正。經(jīng)過N個周期中重復(fù)變換，使輸出電壓有正壓有負壓。L1、L2與C31、C32組成L、C濾波器，經(jīng)過濾波器后輸出電壓變?yōu)榧冋也妷骸?/p>

2.1.2?逆變器驅(qū)動電路設(shè)計

如圖4所示，電路中的懸浮電源采用由二極管和電容組成的自舉電路，利用了鉗位二極管的單向?qū)ㄐ詠韺崿F(xiàn)。當輸出電壓較低時自舉二極管導(dǎo)通并給自舉電容供電；當輸出電壓較高時截至，防止自舉電容放電。二極管耐壓要大于電源電壓和自舉電容最高電壓之和，因此選用了最大通過電流2A，最大反向擊穿電壓是40V的SS24二極管。設(shè)計中還使用了2個47μF和1個100nF的電容進行并聯(lián)來充當濾波退耦電容，從而為全橋驅(qū)動電路提供穩(wěn)定的電壓源。

2.1.3?逆變器控制電路設(shè)計

（1）控制電路

如圖5所示，SPWM1、SPWM2分別作為右橋臂上管、下管的基波輸出，SPWM3、SPWM4分別作為左橋臂上管、下管的調(diào)制波輸出。要實現(xiàn)DC-AC電壓的逆變，電路中的功率MOS管需要工作在開關(guān)狀態(tài)下，在全橋逆變拓撲中，需要分別給4個功率MOS管不同的SPWM信號。當EG8010的SPWM波產(chǎn)生器啟動輸出后，狀態(tài)控制器開始自檢初始化配置，內(nèi)部軟起動開始工作，SPWM發(fā)生器開始輸出波形，輸出電壓逐漸升高。

（2）反饋電壓采樣電路

輸出電壓反饋電路將信號傳送至反饋信號處理模塊，反饋來的電壓和反饋信號處理模塊內(nèi)部基準正弦波峰值電壓3V進行誤差比較計算，其后對輸出電壓進行相應(yīng)調(diào)整。如圖6所示，R15、R16、R20、R21、R22、R19構(gòu)成了正弦波電壓反饋網(wǎng)絡(luò)，對輸出的正弦波電壓進行采集，EG8010控制器接收到反饋電壓后內(nèi)部幅度因子乘法器做出相應(yīng)調(diào)整來控制輸出電壓。

2.2?能量回饋單元電路設(shè)計

能量回饋單元主要由同步整流電路、同步升壓電路組成。逆變器輸出的正弦波電壓進入同步整流電路后變?yōu)槊}動的直流電，然后通過同步升壓電路控制電流來模擬負載并實現(xiàn)能量的回饋。

2.2.1?整流電路設(shè)計

同步整理電路如圖7所示。DK5V45R10同步整流芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似功率MOS管，由漏極、源極、柵極組成。與普通的整流二極管不同，DK5V45R10同步整流芯片由柵極驅(qū)動信號來控制管子的開通與關(guān)斷。在工作過程中，隨著通過芯片電流的增加以及時間增加、內(nèi)部阻值會慢慢增大、器件溫度逐漸升高、迫使系統(tǒng)效率會降低，因此要適當?shù)脑黾由崦娣e，降低芯片聚集溫度。

2.2.2?同步升壓電路設(shè)計

同步升壓功率電路如圖8所示。C61、C62是儲能濾波電容，當輸入電壓有較大波動時，儲能電容可以適當儲存能量與釋放能量使電壓波動減小，C63、C64、C65、C66為濾波電容主要是除去電源中的高頻雜波。

由D10、D11組成了鉗位保護電路，當電源上電一瞬間電流將通過D10、D11給后級電容充電，不會造成由于Q7的導(dǎo)通而燒毀功率MOS管。C60、R47組成RC吸收電路，能夠降低紋波噪聲且也有對降低傳導(dǎo)EMI有著一定的作用。

3?數(shù)據(jù)測試與結(jié)果分析

3.1?逆變器的輸出電壓和頻率

在逆變器滿載時且輸入電壓變動的情況下，輸出電壓和頻率的變化幅度大小可以體現(xiàn)出一個逆變器質(zhì)量的優(yōu)劣。將逆變器輸出頻率設(shè)置在50Hz時的滿載輸出電壓及實際頻率測量結(jié)果如表1所示。

由表中數(shù)據(jù)可知，在逆變器滿載（負載電流3A時）且輸入電壓變動的情況下，輸出電壓和頻率的變化幅度較小，電壓誤差在0.3%以下，頻率誤差在0.1%以下，表明該逆變器輸出穩(wěn)定性強。

3.2?系統(tǒng)的能量回饋效果

將直流電源、逆變器和能量回饋單元組合成逆變器負載試驗系統(tǒng)。在直流電源輸出電壓為30V時，分別測量了直流電源輸出端的電壓、電流和逆變器輸出端的電壓、電流。計算出直流電源和逆變器的輸出功率以此來評價系統(tǒng)能量回饋的效果。

源輸出功率。從表中數(shù)據(jù)可以看出逆變器的輸出功率大于直流電源的輸出功率，兩者的差值即為能量回饋單元回饋的功率。由此可以得出結(jié)論，系統(tǒng)在進行負載試驗時存在明顯能量回饋。

4?結(jié)語

隨著電源設(shè)備需求的不斷增加，在電源測試環(huán)節(jié)中損耗的能量也不容小覷。本文中所設(shè)計的系統(tǒng)將部分能量回饋至輸入級供自身使用體現(xiàn)出了可觀的節(jié)能效果。

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