車載逆變電源

1、目錄第一章 緒論11.1什么是開關(guān)電源11.2 開關(guān)電源的分類及結(jié)構(gòu)形式21.3開關(guān)電源的發(fā)展31.4 逆變電源技術(shù)的發(fā)展概況41.4.1 逆變電源技術(shù)41.4.2 逆變電源技術(shù)的發(fā)展概況51.4.3 逆變電源的發(fā)展趨勢7第二章 主電路的研究與選擇92.1開關(guān)電源的設(shè)計步驟92.2 設(shè)計指標(biāo)及要求92.3總體方案設(shè)計102.3.1 方案比較102.3.2 方案論證112.3.3方案選擇122.4 逆變器主電路的基本形式132.4.1單端反激式變換電路132.4.2 單端正激式變換電路132.4.3 推挽式變換電路142.4.4 半橋逆變式主電路142.4.5 全橋逆變功率轉(zhuǎn)換電路152.5 基

2、本DC/DC變換器主電路拓?fù)?62.5.1 隔離型單端正激變換器162.5.2 隔離型半橋逆變器172.5.3 隔離型全橋變換器182.6 驅(qū)動電路19第三章 脈寬調(diào)制技術(shù)PWM193.1 PWM控制的基本原理203.2 PWM逆變電路21第四章 單元模塊設(shè)計234.1 車載逆變電源直流/直流（DC/DC）變換電路的設(shè)計244.1.1直流/直流變換主電路244.1.2 直流/直流變換控制及保護(hù)電路264.2 逆變電源直流/交流變換電路的設(shè)計284.2.1 直流/交流變換主電路294.2.2 直流/交流變換控制及保護(hù)電路294.3 電路參數(shù)的計算及元器件的選擇314.3.1 直流/直流變換電路中

3、元器件參數(shù)的計算314.3.2 直流/交流變換電路中的參數(shù)計算354.4 特殊器件的介紹364.4.1 脈寬調(diào)制芯片SG3524364.4.2 MIC4424374.4.3 光電耦合器384.5 各單元模塊的聯(lián)接394.6 輔助電源設(shè)計39第五章 系統(tǒng)調(diào)試395.1 控制電路調(diào)試405.1.1 基本調(diào)試405.1.2 控制電路的調(diào)試405.2 系統(tǒng)開環(huán)調(diào)試405.3 系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試40第六章 結(jié)論及展望416.1 結(jié)論416.2 展望41參考文獻(xiàn)42附錄43第一章 緒論1.1什么是開關(guān)電源電是工業(yè)的動力，是人類生活的源泉。電源是產(chǎn)生電的裝置，表示電源特性的參數(shù)有功率、電壓、電流、頻率等；在同一參

4、數(shù)要求下，又有重量、體積、效率和可靠性等指標(biāo)。我們用的電，一般都需經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能適合使用的需要，例如交流轉(zhuǎn)換成直流，高電壓變成低電壓，大功率變換為小功率等。按照電子理論，所謂AC/DC就是交流轉(zhuǎn)換為直流；AC/AC稱為交流變交流，即為改變頻率；DC/AC稱為逆變；DC/DC為直流變交流后再變?yōu)橹绷?。為了達(dá)到轉(zhuǎn)換的目的，電源變換的方法是多樣的。自20世紀(jì)60年代，人們研發(fā)出了二極管、三極管半導(dǎo)體器件后，就用半導(dǎo)體器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所以，凡是用半導(dǎo)體功率器件作開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的電路，叫做開關(guān)變換電路。在轉(zhuǎn)換時，以自動控制穩(wěn)定輸出并有各種保護(hù)環(huán)節(jié)的電路，稱為開關(guān)電源（Switching

5、 Power Supply）。開關(guān)電源通常由六大部分組成，如圖1-1所示。圖1-1 開關(guān)電源工作原理框圖第一部分是輸入電路，它包含有低通濾波和一次整流環(huán)節(jié)。220V交流電直接經(jīng)低通濾波和橋式整流后得到未穩(wěn)壓的直流電壓Vi，此電壓送到第二部分進(jìn)行功率因數(shù)校正，其目的是提高功率因數(shù)，它的形式是保持輸入電流與輸入電壓同相。功率因數(shù)校正的方法有無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。所謂有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction, APFC）,是指電源在校正過程中常采用三極管和集成電路。開關(guān)電源電路常采用有源功率因數(shù)校正。第三部分是功率轉(zhuǎn)換，它是由電子開關(guān)和高頻變壓

6、器來完成的，是把高功率因數(shù)的直流電壓變換成受到控制的、符合設(shè)計要求的高頻方波脈沖電壓。第四部分是輸出電路，用于將高頻方波脈沖電壓經(jīng)整流濾波后變成直流電壓輸出。第五部分是控制電路，輸出電壓經(jīng)過分壓、采樣后與電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較、放大。第六部分是頻率振蕩發(fā)生器，它產(chǎn)生一種高頻波段信號，該信號與控制信號疊加進(jìn)行脈寬調(diào)制，達(dá)到脈沖寬度可調(diào)。有了高頻振蕩才有電源變換，所以說開關(guān)電源的實(shí)質(zhì)是電源變換。1.2 開關(guān)電源的分類及結(jié)構(gòu)形式目前開關(guān)電源的種類很多，從工作性質(zhì)來分，大體上可分為“硬開關(guān)”和“軟開關(guān)”兩種。所謂硬開關(guān)，是指電子脈沖、外加控制信號強(qiáng)行對電子開關(guān)進(jìn)行“開”和“關(guān)”，而與電子開關(guān)自身流過的

7、電流以及兩端施加的電壓無關(guān)。顯然，開關(guān)在接通和關(guān)斷期間是有電流、電壓存在的，因此，這種工作方式是有損耗的。但是它比其他變換電源的形式簡單的多，所以，硬開關(guān)在很多地方仍然在應(yīng)用，如脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）器就屬于硬開關(guān)。目前很多開關(guān)電源都用PWM來控制。另一類叫做軟開關(guān)，電子開關(guān)在零電壓下導(dǎo)通，在零電流下關(guān)斷?？梢姡娮娱_關(guān)在“零狀態(tài)”下工作，理論上它的損耗為零，對浪涌電壓、脈沖尖峰電壓的抑制能力很大，其工作頻率可以提高到5MHZ以上，開關(guān)電源的重量和體積則可進(jìn)行更大的改變。為了實(shí)現(xiàn)零電壓“開”和零電流“關(guān)”，我們常采用諧振的方法。從電子理論可知道，諧振就

8、是容抗等于感抗，總的電抗為零，電路中的電流為無窮大。如果正弦波電壓加到并聯(lián)的電感回路上，這時電感上的電壓就為無窮大。利用諧振電路可實(shí)現(xiàn)正弦波振蕩，當(dāng)振蕩到零時，電子開關(guān)導(dǎo)通，稱之為零電壓導(dǎo)通（Zero Voltage Switching）。同樣，流過電子開關(guān)的電流振蕩到零時，電子開關(guān)關(guān)斷，稱之為零電流關(guān)斷（Zero Current Switching）?？傊?，電子開關(guān)具有零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷的外部條件，這種變換器稱為準(zhǔn)諧振變換器。它是在脈寬調(diào)制器上附加諧振網(wǎng)絡(luò)而形成的，固定電子開關(guān)導(dǎo)通時間，通過調(diào)整振蕩頻率，最終使電路產(chǎn)生諧振，從而獲得準(zhǔn)諧振變換器的模式。準(zhǔn)諧振變換器開關(guān)電源的輸出電壓不隨輸

9、入電壓的變化而變化，它的輸出電流也不隨用電負(fù)載的變化而變化，這種開關(guān)電源的主變換器依靠開關(guān)頻率來穩(wěn)定輸出參數(shù)，我們稱之為調(diào)頻開關(guān)電源。調(diào)頻開關(guān)電源沒有脈沖調(diào)制開關(guān)電源那么容易控制，再加上準(zhǔn)諧振電路電壓峰值高，開關(guān)所受到的應(yīng)力大，目前還沒有得到廣泛應(yīng)用。DC/DC變換類型是開關(guān)電源變換的基本類型，它通過控制開關(guān)通、斷時間的比例，用電抗器與電容器上蓄積的能量對開關(guān)波形進(jìn)行微分平滑處理，從而更有效地調(diào)整脈沖的寬度及頻率。從輸入、輸出有無變壓器隔離來說，DC/DC變換分為有變壓器隔離和沒有變壓器隔離兩類。每一類有6種拓?fù)洌唇祲菏剑˙uck）、升壓式（Boost）、升壓-降壓式（Buck- Boost

10、）、串聯(lián)式（Cuk）、并聯(lián)式（Sepic）、以及塞達(dá)式（Zata）。按激勵方式分，有自激式和他激式兩種。自激式包括單管式和推挽式，他激式包括調(diào)頻式（PWF）、調(diào)寬式（PWM）、調(diào)幅式（PAM）和諧振式（RSM）4種，我們用得最多的是調(diào)寬式變換器。調(diào)寬式變換器有以下幾種：正激式（Forward Converter Mode）、反激式（Feedback Converter Mode）、半橋式（Half Bridge Mode）、全橋式（Overall Bridge Mode）、推挽式（Push Draw Mode）和阻塞式（Ringing Choke Converter, RCC）等6種。按諧振方

11、式分，有串聯(lián)諧振式、并聯(lián)諧振式和串并聯(lián)諧振式；按能量傳遞方式分，有連續(xù)模式和不連續(xù)模式兩種。凡是以脈沖寬度來調(diào)制的電子開關(guān)變換器都叫做PWM變換器。開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)形式很多，按PWM方式來分有以下幾種：1)反激式變換器；2)反激式雙晶體管變換器；3)正激式變換器；4)正激式雙晶體管變換器；5)半橋式變換器；6)橋式變換器；7)推挽式變換器；8)RCC變換器。1.3開關(guān)電源的發(fā)展隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來越多，電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切。任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源，它們對電源的要求也越來越高。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源以輕、薄

12、。小和高效率為發(fā)展方向。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術(shù)比較成熟，并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊，具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小。使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，但其通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器。由于調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓，這將導(dǎo)致調(diào)整管的功耗較大，電源效率很低，一般只有45%左右。另外，由于調(diào)整管上消耗較大的功率，所以需要采用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器，其已很難滿足現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的要求。20世紀(jì)50年代，美國宇航局以小型化、重量輕為目標(biāo)，為搭載火箭開發(fā)了開

13、關(guān)電源。在近半個多世紀(jì)的發(fā)展過程中，開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)計制造的連續(xù)工作的線性電源，并廣泛應(yīng)用于電子、電氣設(shè)備中。20世紀(jì)80年代，計算機(jī)全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成了計算機(jī)的電源換代。20世紀(jì)90年代，開關(guān)電源在電子、電氣設(shè)備以及家電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期。開關(guān)型穩(wěn)壓電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)管輸出脈沖信號的占空比調(diào)整輸出電壓。以功率晶體管（GTR）為例，當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時，集電極和發(fā)射極兩端的壓降接近零；當(dāng)開關(guān)管截止時，其集電極電流為零、所以，其功耗小，效率可高達(dá)70%95%。而功耗小，散熱

14、器也隨之減小。開關(guān)型穩(wěn)壓電源直接對電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流、濾波調(diào)整，然后由開關(guān)調(diào)整管進(jìn)行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器。此外，開關(guān)工作頻率為幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小。因此，開關(guān)電源具有數(shù)量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。另外，由于功耗小，機(jī)內(nèi)溫升低，提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。而且其對電網(wǎng)的適應(yīng)能力也有較大的提高，一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動范圍為220V（110%），而開關(guān)型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓在110260V范圍內(nèi)變化時，都可獲得穩(wěn)定的輸出電壓。開關(guān)電源的高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)，高頻化帶來的效益使開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)了小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型

15、化、輕便化。另外，開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有深遠(yuǎn)的意義。目前市場上開關(guān)電源中的功率管多采用雙極性晶體管，開關(guān)頻率可達(dá)幾十千赫；采用功率MOSFET的開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)幾百千赫。為提高開關(guān)頻率，必須采用高速開關(guān)器件。對于兆赫以上開關(guān)頻率的電源可利用諧振電路，這種電路工作方式稱為諧振開關(guān)方式。它可以極大地提高開關(guān)速度，理論上開關(guān)損耗為零，噪聲也很小，是提高開關(guān)電源工作頻率的一種方式。采用諧振開關(guān)方式的兆赫級變換器已經(jīng)實(shí)用化。開關(guān)電源的技術(shù)追求和發(fā)展趨勢可以概括為以下4個方面。1)小型化、薄型化、輕量化、高頻化開關(guān)電源的體積和重量主要是由儲能原件（磁性元件和電容）決定的，

16、因此開關(guān)電源的小型化實(shí)質(zhì)上就是盡可能減小其中儲能元件的體積。在一定范圍內(nèi)，開關(guān)頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，高頻化是開關(guān)電源的主要發(fā)展方向。2)高可靠性開關(guān)電源使用的元器件數(shù)量是連續(xù)工作線性電源的幾十分之一，因此提高了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光電耦合器及排風(fēng)扇等元器件和部件的壽命決定著電源的壽命。所以，要從設(shè)計方面著眼，盡可能使用較少的元器件，提高集成度。這樣不但解決了電路復(fù)雜、可靠性差的問題，也增加了保護(hù)等功能，簡化了電路，提高了平均無故障時間。3)低噪聲開關(guān)電源的缺點(diǎn)之一是噪聲大。單純地追求高頻化，噪聲也會隨之

17、增大。采用諧振變換技術(shù)，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲。所以，盡可能地降低噪聲影響是開關(guān)電源的又一發(fā)展方向。4)采用計算機(jī)輔助設(shè)計和控制采用CAA和CDD技術(shù)設(shè)計最新變換拓?fù)浜妥罴褏?shù)，使開關(guān)電源具有最簡結(jié)構(gòu)和最佳工況。在電路中引入微機(jī)監(jiān)測和控制，可構(gòu)成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時監(jiān)測、記錄并自動報警等。開關(guān)電源的發(fā)展從來都是與半導(dǎo)體器件及磁性元件等的發(fā)展休戚相關(guān)的。高頻化的實(shí)現(xiàn)，需要相應(yīng)的高速半導(dǎo)體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁元件。發(fā)展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，開發(fā)高頻用的低損磁性材料，改進(jìn)此元件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法，提高濾波電容的介電常數(shù)及降低其等效串聯(lián)電阻等，對于開關(guān)電源小型化

18、始終產(chǎn)生著巨大的推動作用?？傊藗冊陂_關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域里，邊研究低損耗回路技術(shù)，邊開發(fā)新型元器件，兩者相互促進(jìn)并推動著開關(guān)電源以每年超過兩位數(shù)的市場增長率向小型化、薄型化、高頻化、低噪聲以及高可靠性方向發(fā)展。1.4 逆變電源技術(shù)的發(fā)展概況1.4.1 逆變電源技術(shù)逆變電源技術(shù)是電力電子技術(shù)的重要組成部分。逆變電源是一種采用開關(guān)方式的電能變換裝置。圖1-2所示為典型的交流輸入、交流輸出隔離型逆變電源的基本結(jié)構(gòu)。從圖1-2中可以看出，它從交流或直流輸入獲得穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流輸出。逆變電源中的能量轉(zhuǎn)換過程是：輸入的工頻交流電經(jīng)過整流電路成為直流電，直流電通過逆變電路變?yōu)榻涣鱌WM波電壓，其基波頻率是逆變電

19、源的輸出頻率，PWM波電壓經(jīng)輸出變壓器隔離，再由濾波器濾成正弦波。這一能量轉(zhuǎn)換、傳遞的過程通常表示為ACDCAC。直流輸入、輸出隔離型的逆變電源結(jié)構(gòu)與圖1-2基本相同，只是不需要輸入端的整流電路，能量轉(zhuǎn)換傳遞的過程可表示為DCAC。在逆變電源中，逆變器及其控制是逆變電源的核心。圖1-2 逆變電源基本結(jié)構(gòu)1.4.2 逆變電源技術(shù)的發(fā)展概況逆變電源出現(xiàn)于電力電子技術(shù)飛速發(fā)展的20世紀(jì)60年代，逆變電源的發(fā)展是和電力電子器件的發(fā)展聯(lián)系在一起的，器件的發(fā)展帶動著逆變電源的發(fā)展。最初的逆變電源采用晶閘管(SCR)作為逆變器的開關(guān)器件，稱為可控硅逆變電源。由于SCR是一種沒有自關(guān)斷能力的器件，因此必須通過

20、增加換流電路來強(qiáng)迫關(guān)斷SCR，SCR的換流電路限制了逆變電源的進(jìn)一步發(fā)展。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，自關(guān)斷的電力電子器件脫穎而出，相繼出現(xiàn)了電力晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等等。自關(guān)斷器件在逆變器中的應(yīng)用大大提高了逆變電源的性能。由于自關(guān)斷器件的使用，使得開關(guān)頻率得以提高。從而逆變橋輸出電壓中低次諧波的頻率比較高，使輸出濾波器的尺寸得以減小，而且對非線性負(fù)載的適應(yīng)性得以提高。最初，對于采用全控型器件的逆變電源在控制上普遍采用帶輸出電壓有效值或平均值反饋的PWM控制技術(shù)，其輸出電壓的穩(wěn)定是通過輸出電壓有效值或

21、平均值反饋控制的方法實(shí)現(xiàn)的。采用輸出電壓有效值或平均值反饋控制的方法具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但存在以下缺點(diǎn)：對非線性負(fù)載的適應(yīng)性不強(qiáng)；死區(qū)時間的存在將使PWM波中含有不易濾掉的低次諧波，使輸出電壓出現(xiàn)波形畸變；動態(tài)特性不好，負(fù)載突變時輸出電壓調(diào)整時間長。為了克服單一電壓有效值或平均值反饋控制方法的不足，實(shí)時反饋控制技術(shù)獲得應(yīng)用，它是近十年來發(fā)展起來的新型電源控制技術(shù)，目前仍在不斷地完善和發(fā)展之中，實(shí)時反饋控制技術(shù)的采用使逆變電源的性能有了質(zhì)的飛躍。實(shí)時反饋控制技術(shù)多種多樣，主要有以下幾種：(1)諧波補(bǔ)償控制當(dāng)逆變電源的負(fù)載為整流負(fù)載時，由于負(fù)載電流中含有大量諧波，諧波電流在逆變電源內(nèi)阻上

22、的壓降致使逆變電源輸出電壓波形畸變，諧波補(bǔ)償控制可以較好地解決這一問題，其是在逆變橋輸出PWM波中加入特定的諧波，抵消負(fù)載電流中的諧波對輸出電壓波形的影響，減小輸出電壓的波形畸變。目前這種方法只能由高速的數(shù)字信號處理器來實(shí)現(xiàn)。(2)無差拍控制1959年，Kalman首次提出了狀態(tài)變量的無差拍控制理論。1985年，Gokhale在PESC年會上提出將無差拍控制應(yīng)用于逆變器控制。逆變器的無差拍控制才引起了廣泛的重視。無差拍控制是一種基于微機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制方法。這種控制方法根據(jù)逆變電源系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出反饋信號來推算下一個采樣周期的開關(guān)時間，使輸出電壓在每個采樣點(diǎn)上與給定信號相等。無差拍控制的缺點(diǎn)是算

23、法比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來不太容易，它對系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性要求較高，對負(fù)載大小的變化及負(fù)載的性質(zhì)變化比較敏感，當(dāng)負(fù)載大小變化及負(fù)載的性質(zhì)變化時不易獲得理想的正弦波輸出。(3)重復(fù)控制為了消除非線性負(fù)載對逆變器輸出的影響，在UPS逆變器控制中引入了重復(fù)控制技術(shù)。Haneyoshi及Kawamura等人首先在PWM逆變器中采用重復(fù)控制消除周期性畸變。后來，鄒應(yīng)嶼等人進(jìn)一步完善了逆變器的重復(fù)控制理論，給出了一種重復(fù)控制器的設(shè)計方法，提出了自適應(yīng)重復(fù)控制的理論。重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制方法，它將一個基波周期的偏差存儲起來，用于下一個基波周期的控制，經(jīng)過幾個基波周期的重復(fù)可達(dá)到很高的控制精度。在這種控制

24、方法中，加到控制對象的輸入信號除偏差信號外，還迭加了一個“過去的控制偏差”，這個“過去的控制偏差”是上一個基波周期中的控制偏差，把上一個基波周期的偏差反映到現(xiàn)在和“現(xiàn)在的偏差”一起加到控制對象進(jìn)行控制，這種控制方式，偏差好像在被重復(fù)使用，所以稱為重復(fù)控制。它的突出特點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)特性好，控制魯棒性強(qiáng)。但重復(fù)控制的控制實(shí)時性差，動態(tài)響應(yīng)速度慢。因此，重復(fù)控制一般都不單獨(dú)使用來完成逆變器的控制，而是與其它控制方式相結(jié)合，共同來提高整個系統(tǒng)的性能。(4)滑模變結(jié)構(gòu)控制滑模變結(jié)構(gòu)控制理論起于20世紀(jì)50年代，它最顯著的特點(diǎn)是對參數(shù)變動和外部擾動不敏感，因此非常適用于閉環(huán)反饋控制的電能變換器。早期的滑模變結(jié)構(gòu)

25、控制器采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于電力拖動系統(tǒng)中。20世紀(jì)90年代中后期。臺灣的鄒應(yīng)嶼和香港大學(xué)的LKWang等人將離散滑模變結(jié)構(gòu)控制理論應(yīng)用到UPS逆變器中，獲得了良好的控制效果。滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)質(zhì)上是一種非連續(xù)的開關(guān)控制方法，它強(qiáng)迫系統(tǒng)的跟蹤誤差及其導(dǎo)數(shù)運(yùn)行于相平面的一條固定的滑模曲線上，與系統(tǒng)參數(shù)變動及外部擾動無關(guān)，因此系統(tǒng)有極強(qiáng)的魯棒性。但是，就波形跟蹤質(zhì)量來說，滑?？刂撇患爸貜?fù)控制和無差拍控制。(5)單一的電壓瞬時值反饋控制這種控制方法的基本思想是把輸出電壓的瞬時反饋值與給定正弦波進(jìn)行比較，用瞬時偏差作為控制量，對逆變橋輸出PWM波進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。和傳統(tǒng)PWM控制方法相比，由于該方法能

26、對PWM波進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，故系統(tǒng)的快速性、抗擾性、對非線性負(fù)載的適應(yīng)性、輸出電壓的波形品質(zhì)等都比傳統(tǒng)PWM控制方法有所提高。這種方法的缺點(diǎn)是系統(tǒng)的穩(wěn)定性不好，特別是空載時，輸出電壓容易振蕩。系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題限制了電壓調(diào)節(jié)器增益的提高，因而輸出電壓的波形品質(zhì)還不是很好。(6)帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋控制帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋控制方法是在單一的電壓瞬時值反饋控制方法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。在這種方法中，不但引入輸出電壓的瞬時值反饋，還引入濾波電容電流或?yàn)V波電感電流的瞬時值反饋。電壓環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)。電流環(huán)具有將濾波電容電流或?yàn)V波電感電流改造為可控的電流源的作用，這樣控制輸入和輸出電壓之間形成

27、了具有單極點(diǎn)的傳遞函數(shù)，因而系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高，克服了單一的電壓瞬時值反饋控制系統(tǒng)空載容易振蕩的缺點(diǎn)。由于穩(wěn)定性的提高使得電壓調(diào)節(jié)器增益可以取比較大的值，所以突加突卸負(fù)載時輸出電壓的動態(tài)特性大大提高，抗擾性大大提高，對非線性負(fù)載的適應(yīng)性也大大提高。1.4.3 逆變電源的發(fā)展趨勢隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(yè)對逆變器控制性能要求的提高，逆變電源也得到了深入的發(fā)展，目前，逆變電源的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面：(1)高頻化提高逆變電源的開關(guān)頻率，可以有效地減小裝置的體積和重量，并可消除變壓器和電感的音頻噪聲，同時改善了輸入電壓的動態(tài)響應(yīng)能力。此外，為了進(jìn)一步減小裝置的體積和重量，必須去掉

28、笨重的工頻隔離變壓器，采用高頻隔離。高頻隔離可以采用兩種方式實(shí)現(xiàn)：在整流器與逆變器之間加一級高頻隔離的DCDC變換器；采用高頻鏈逆變技術(shù)。高頻化僅限于小容量逆變電源。在大容量逆變電源中，由于工頻變壓器引起的矛盾相對不如小容量UPS突出，而且大容量的高頻逆變器、整流器和高頻變壓器的制作也分別受到高頻開關(guān)器件的容量和高頻磁性材料的限制。(2)高性能化高性能主要指輸出電壓特性的高性能，它主要體現(xiàn)在以下幾個方面：穩(wěn)壓性能好，空載及負(fù)載時輸出電壓有效值要穩(wěn)定；波形質(zhì)量高，不但要求空載時的波形好，帶載時波形也要好，對非線性負(fù)載的適應(yīng)性要強(qiáng)；突加突減負(fù)載時輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)特性好；電壓調(diào)制量??；輸出電壓的頻

29、率穩(wěn)定性好；對于三相電源，帶不平衡負(fù)載時相電壓失衡小。輸出電壓的高性能是用電設(shè)備對逆變電源的要求，控制方式的改進(jìn)是逆變電源達(dá)到高性能的主要手段。(3)并聯(lián)及模塊化當(dāng)今逆變電源的發(fā)展趨向是大功率化和高可靠性。雖然現(xiàn)在已經(jīng)能生產(chǎn)幾千千伏安的大型逆變電源，完全可以滿足大功率要求的場合，但是，這樣整個系統(tǒng)的可靠性完全由單臺電源決定，無論如何是不可能達(dá)到很高的。為了提高系統(tǒng)的可靠性，就必須實(shí)現(xiàn)模塊化。模塊化意味著用戶可以方便地將小容量的模塊化電源任意組合，構(gòu)成一個較大容量的逆變電源。模塊化需要解決逆變電源之間的并聯(lián)問題，逆變電源的并聯(lián)要比直流電源的并聯(lián)復(fù)雜，它面臨著負(fù)荷分配、環(huán)流補(bǔ)償、通斷控制等多方面的

30、問題。但是，逆變電源的并聯(lián)運(yùn)行可以帶來以下幾個方面的好處：1)可以用來靈活地擴(kuò)大電源系統(tǒng)的容量；2)可以組成并聯(lián)冗余系統(tǒng)以提高運(yùn)行的可靠性；3)具有極高的系統(tǒng)可維修性。當(dāng)單臺電源出現(xiàn)故障時，可以很方便地通過熱插拔方式進(jìn)行更換和維修。(4)小型化在逆變電源中，決定整個裝置體積和重量的部分是變壓器和LC濾波器，變壓器可能放在輸入部分，也可能放在輸出部分，起電壓隔離或電壓匹配的作用；LC濾波器用于濾除PWM波中的高次諧波，濾波器的尺寸與PWM波的頻譜特性有關(guān)。要使逆變電源小型化，可以采用的方法有三種：1)提高開關(guān)頻率，使濾波器小型化；2)采用新的PWM控制方式，優(yōu)化逆變橋輸出PWM波的頻譜，使濾波器

31、小型化；3)用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓的隔離及匹配，替代輸入或輸出的低頻變壓器，實(shí)現(xiàn)變壓器的小型化。(5)高輸入功率因數(shù)化對于交流輸入的逆變電源，中間環(huán)節(jié)直流電源一般由二極管整流獲得，其輸入電流成尖脈沖狀，因此，輸入功率因數(shù)不高。提高整流側(cè)的輸入功率因數(shù)不僅可大大提高逆變電源對輸入電能的利用率，而且可以克服逆變電源對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染的缺點(diǎn)。(6)數(shù)字化逆變電源的數(shù)字化并不是簡單的指在系統(tǒng)中應(yīng)用了數(shù)字器件，如單片機(jī)及FPGA等，而是指整個系統(tǒng)的控制應(yīng)用數(shù)字器件的計算能力和離散控制方法來完成，隨著硬件技術(shù)的發(fā)展處理器計算速度的提高，必然促使逆變電源向數(shù)字化方向發(fā)展。(7)智能化一個智能化的逆變電源除了能

32、夠完成普通逆變電源的所有功能外，還應(yīng)具有以下功能：1)對運(yùn)行中的逆變電源進(jìn)行監(jiān)測，隨時將采樣點(diǎn)的狀態(tài)信息送入計算機(jī)進(jìn)行處理，一方面獲取電源工作時的有關(guān)參數(shù)，另一方面監(jiān)視電路中各部分的狀態(tài)，從中分析電路的各部分工作是否正常；2)在逆變電源發(fā)生故障時，根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果，進(jìn)行故障診斷，指出故障的部位，給出處理方法；3)自動顯示所監(jiān)測的參數(shù)，有異?；虬l(fā)生故障時，可以自動記錄有關(guān)異常或故障的信息；4)按照技術(shù)說明書給出的指標(biāo)，自動定期地進(jìn)行自檢，并形成自檢記錄文件；5)能夠用程序控制逆變電源的啟動和停止，實(shí)現(xiàn)無人值守的自動操作；6)具有信息交換功能，可以隨時向上位機(jī)輸入信息，或從上位機(jī)獲取信息。第二章 主

33、電路的研究與選擇2.1開關(guān)電源的設(shè)計步驟開關(guān)電源可以采用模塊化的設(shè)計思想。由于其設(shè)計比較復(fù)雜，因此要把它分解成多個基本功能模塊進(jìn)行設(shè)計。開關(guān)電源設(shè)計者潛意識里都是根據(jù)功能框圖的步驟進(jìn)行設(shè)計的。按照一定順序和方式進(jìn)行設(shè)計會使設(shè)計變得更加容易，因?yàn)橄乱徊襟E所需要的一些信息在該步驟之前就設(shè)計好了。總之，PWM和諧振式開關(guān)電源的設(shè)計總是在先進(jìn)行總體考慮，然后對電源各部分分別進(jìn)行設(shè)計，接下來是設(shè)計控制和輔助功能，最后進(jìn)行測試和設(shè)計優(yōu)化。所有的設(shè)計總是從電源所需的指標(biāo)開始的。開關(guān)電源的設(shè)計中，拓?fù)涞念愋团c電源各個組成部分的布置有關(guān)。這種布置與電源可以在何種環(huán)境下安全工作以及可以給負(fù)載提供的最大功率密切相關(guān)

34、。這也是設(shè)計中性能價格折中的關(guān)鍵點(diǎn)。每種拓?fù)涠加凶约旱膬?yōu)點(diǎn)，有的拓?fù)淇梢猿杀颈容^低，但輸出的功率受到限制；而有的可以輸出足夠的功率，但成本比較高。在某一種應(yīng)用場合下，有好幾種拓?fù)淇梢怨ぷ?，但只有一種是在要求的成本范圍內(nèi)性能最好的，表2-1顯示了各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。表2-1 PWM開關(guān)電源拓?fù)涞谋容^拓?fù)涔β史秶?WVin (DC)范圍/V輸入輸出隔離效率約為（%）Buck01000540無70Boost0150540無80Forward01505500有78Flyback01505500有80Push-Pull1001000101000有75Half-bridge10015050100

35、0有75Bridge4002000501000有73總之，選擇最合適的拓?fù)湟紤]的主要因素有：1)輸入輸出是否要隔離變壓器；2)加載變壓器一次側(cè)或電感上的電壓值有多大；3)通過開關(guān)管的峰值電流多大；4)加載開關(guān)管上的最高電壓是多少。2.2 設(shè)計指標(biāo)及要求如前所述，開關(guān)電源的設(shè)計首先要選擇合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而合適的主電路結(jié)構(gòu)由明確的設(shè)計指標(biāo)確定。眾所周知，汽車內(nèi)部有一個輸出12V（90Ah）的直流電，一般供點(diǎn)煙器使用，也可以為其他電器提供電力。但不便的是它僅能提供直流電，而一般設(shè)備都使用220V交流電，這使得眾多電器不能在汽車上使用。車載逆變電源將轎車蓄電池的直流12V（卡車為24V）轉(zhuǎn)換為2

36、20交流電。由于逆變電源直接在汽車上使用，而汽車又是高檔消費(fèi)品，要求無論在何種情況下對汽車有保護(hù)作用，即要求該車載逆變電源輸入輸出實(shí)現(xiàn)電氣隔離。同時，由于逆變器輸出功率較大，蓄電池輸出電流較大，要求蓄電池不能潰電，即蓄電池電壓不能下降的太低，以確保汽車能夠正常啟動，因此，要求車載電源應(yīng)該有輸入欠壓保護(hù)以及輸入極性反接保護(hù)。除上述要求外，逆變電源應(yīng)該具有其它電源的過流、短路和過載保護(hù)。是否選用散熱風(fēng)扇，本人反復(fù)給予考慮，若選用散熱風(fēng)扇整個電源散熱系統(tǒng)將得到改善，但體積會增加，同時，隨著使用時間的增加，車載逆變電源有可能變臟。本課題考慮到該逆變電源用于汽車內(nèi)，要求其保持干凈，因而沒有采用散熱風(fēng)扇，

37、采用自然散熱方式。車載逆變電源屬于消費(fèi)電子產(chǎn)品，要求外形、色彩美觀，本課題只考慮其電氣性能，對于機(jī)構(gòu)和外形不予考慮。車載逆變電源的詳細(xì)指標(biāo)及要求如以下各表所示。表2-2 輸入電壓、電流指標(biāo)輸入電壓輸入允許電壓范圍輸入允許最大電流輸入空載電流12VDC10.515VDC18A小于0.3A表2-3 輸出電壓、電流指標(biāo)輸出電壓最大輸出功率輸出電壓波形輸出頻率220VAC10%150W正弦波502HZ表2-4 電源保護(hù)要求輸入欠壓保護(hù)輸入過壓保護(hù)輸出過流保護(hù)輸出短路保護(hù)輸入反接保護(hù)過溫保護(hù)低于10.5V高于15V有有有有表2-5 其它要求輸入輸出是否隔離轉(zhuǎn)換效率散熱方式工作環(huán)境溫度電源指示燈隔離不低于

38、85%自然散熱-1040有2.3總體方案設(shè)計2.3.1 方案比較在本逆變電源的設(shè)計中，我們的目的是將車載電瓶的12V(90Ah)直流電壓逆變?yōu)榻涣?20V/50Hz的電壓，通過一段時間對資料的收集和分析，現(xiàn)總結(jié)出如下三種方案，分別介紹如下：方案一：基于工頻變壓器的逆變電路 本方案設(shè)計的逆變電源是通過脈寬調(diào)制芯片產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號用來驅(qū)動半橋逆變電路，產(chǎn)生低壓交流信號，再經(jīng)過工頻變壓器的升壓，轉(zhuǎn)換為所需要的交流電壓。電路框圖如圖2-1：直流電壓脈寬調(diào)制芯片半橋逆變電路交流電壓工頻變壓器圖2-1 基于工頻變壓器的逆變電路框圖方案二：簡單推挽逆變電路 本方案設(shè)計的逆變器可以作為交流輔助電源。圖2-2

39、是本逆變器的電路框圖。它是通過在振蕩級產(chǎn)生所需要的50Hz的交流信號，再經(jīng)過推動級的放大，然后把放大后的電壓信號送入推挽輸出級經(jīng)過放大、變壓器的升壓，從而得到所需要的220V/50Hz的交流電壓。直流電壓推動級推挽輸出級振蕩級交流電壓圖2-2 簡單推挽逆變電路框圖方案三：車載單相準(zhǔn)正弦脈寬調(diào)制逆變電路直流電壓直流/直流濾波輸出控制電路驅(qū)動電路交流電壓直流/交流圖2-3 車載單相準(zhǔn)正弦脈寬調(diào)制逆變電路框圖 本方案是采用了比較典型的逆變電路的變換方式把直流12V電壓變換成220V的交流電壓，即第一級采用直流/直流變換，通過脈寬調(diào)制和高頻變壓器把直流低壓升壓變成直流高壓，再通過第二級直流/交流變換，

40、通過對直流/交流全橋逆變電路各個橋臂MOS管通斷的控制，把高壓直流逆變?yōu)榻涣麟妷?，然后通過濾波電路，濾出我們所需要的50Hz的頻率交流電壓，從而完成12V直流電壓逆變成220V/50Hz的交流電壓。2.3.2 方案論證方案1通過脈寬調(diào)制芯片把直流低壓信號調(diào)制成脈寬調(diào)制信號，形成脈寬調(diào)制波PWM，并用其來驅(qū)動半橋逆變變換電路中的功率場效應(yīng)管，控制電路中開關(guān)管的通斷，變成交流低壓信號，再把交流低壓信號經(jīng)過工頻變壓器的升壓變成220V的交流電壓。方案2首先通過555型集成電路和一些電阻和電容組成的振蕩級來選定我們所需要的50Hz的工作頻率的信號；再由幾個三極管組成的推動級來對50Hz的振蕩信號來進(jìn)行

41、放大，同時再由幾只復(fù)合管組成推挽放大電路的基極，進(jìn)一步對其進(jìn)行放大，以提高對功率輸出級的驅(qū)動電流；然后由幾只三極管和幾只二極管、輸出級變壓器組成推挽輸出級，它將推動級送來的激勵信號進(jìn)行放大，并通過變壓器將初級電壓升高到220V送到輸出端。方案3電路采用了比較典型的兩級變換的方式，在第一級直流/直流變換電路中利用了集成脈寬調(diào)制電路芯片調(diào)制出PWM波，通過PWM波信號來驅(qū)動MOS管的通斷，把直流信號變換成交流低壓信號，再通過高頻變壓器把交流低壓方波信號升壓成交流高壓方波信號，然后通過整流濾波電路，把交流高壓信號變成350V的直流高壓；在第二級中，用另一片脈寬調(diào)制芯片與一片正弦函數(shù)芯片做適當(dāng)?shù)倪B接產(chǎn)

42、生SPWM波，用來對直流/交流變換電路中的全橋逆變電路進(jìn)行脈寬調(diào)制，從而把350V直流高壓逆變成220V的交流電壓，然后通過濾波電路，濾出我們所需要的50Hz的交流信號，就得220V/50Hz的交流電壓；而且在本次整個逆變電路中采用了變壓器隔離的方法來保證主、控電路不受彼此的相互影響。2.3.3方案選擇從上面的三個方案來分析看，方案2的簡單推挽逆變電路沒有使用脈寬調(diào)制技術(shù)，電路簡單，而且此逆變器輸出為50Hz的方波信號，由于波形為方波，可能對電器設(shè)備造成干擾，不能滿足我們設(shè)計所需要的正弦波輸出。方案1的基于工頻變壓器的逆變電路過于簡單，而且經(jīng)過升壓變壓器后的交流輸出電壓沒有濾波網(wǎng)絡(luò)，無法對我們

43、所需要的50Hz的頻率進(jìn)行濾取，電路體積較大等，不能符合我們畢業(yè)設(shè)計的要求。方案3相對于1，2兩種方案來說，電路設(shè)計合理，在電路中采用了中間直流環(huán)節(jié)的高頻變壓器式逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它由高頻逆變，高頻變壓器升壓，整流濾波，高頻SPWM逆變和輸出濾波，可以滿足我們設(shè)計所需要的要求，所以方案3是我們這次設(shè)計的最佳方案。1 本次逆變電源的設(shè)計主要內(nèi)容包括：1) 直流/直流變換電路的設(shè)計；2) 直流/交流變換電路的設(shè)計；3) 直流/直流變換控制保護(hù)電路的設(shè)計；4) 直流/交流變換控制保護(hù)電路的設(shè)計；5) 高頻變壓器的設(shè)計。6) 輔助電源的設(shè)計。2.4 逆變器主電路的基本形式隔離式逆變主電路已經(jīng)被廣泛地應(yīng)

44、用于多種逆變式功率變換裝置中，有單相逆變，也有三相逆變。這些逆變式功率變換電路包括單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式、單相全橋式和三相全橋式幾種。它們的性能和特點(diǎn)各有不同，分別用于不同的逆變裝置中。現(xiàn)對其基本工作原理分別進(jìn)行簡要介紹和分析。2.4.1單端反激式變換電路隔離式單端反激式逆變電路可見圖2-4。 在時間內(nèi)，導(dǎo)通，D截止，加在T原邊，T的原邊勵磁電感儲存能量，在期間，截止，D導(dǎo)通，T中儲存的能量耦合到副邊輸出到并為C充電。設(shè)變壓器初級電流峰值為，匝比為n，原邊電感為L，效率為，輸出功率為 （2.1）開關(guān)管的最高端電壓為（），其工作電流可以由下兩式給出： （2.2） 圖2-4單端反激

45、式變換電路在這種變換電路中，變壓器作為一個耦合電感傳輸能量，體積比較大，不適合于大功率的變換器，它的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單。另外，由于這種變換器能夠自動地均衡各路負(fù)載，所以它可以比較容易地實(shí)現(xiàn)多路輸出。2.4.2 單端正激式變換電路單端正激式變換電路見于圖2-5。圖2-5 單端正激式變換電路在時間內(nèi)，導(dǎo)通，上升，截止，導(dǎo)通，上升，L儲能，輸出能量到并為C充電，中下部分為副邊電流的折算值（/n），上部為變壓器原邊勵磁電流。在期間，截止，截止，導(dǎo)通，勵磁電流耦合到續(xù)流繞組中經(jīng)泄放掉，副邊電感L經(jīng)續(xù)流，輸出能量到補(bǔ)充能量。由于在一般的情況下，續(xù)流繞組和原邊繞組匝數(shù)基本相等，所以開關(guān)管的最高端電壓為2，其工作

46、電流由下式給出： （2.3）式中，為變壓器原邊勵磁電感。2.4.3 推挽式變換電路推挽式功率變換電路如圖2-6所示。兩路相位相反的PWM驅(qū)動脈沖分別加到逆變開關(guān)管，的基極，控制它們交替通斷，輸入直流電壓被變換成高頻的方波交流電壓經(jīng)變壓器輸出。當(dāng)導(dǎo)通時，截止，輸入電壓加在變壓器T原邊繞組上，由于變壓器有兩個繞組，且匝數(shù)相同，所以在上將施加兩倍的電源電壓，即2。當(dāng)驅(qū)動脈沖結(jié)束后（死區(qū)時間），兩只開關(guān)管都截止，端電壓都為。當(dāng)導(dǎo)通時，截止，工作過程和上面的類似，不再重復(fù)。圖2-6 推挽式功率變換電路以上是分析的穩(wěn)態(tài)工作的情況，在開關(guān)管開關(guān)的過程中，有時造成電流電壓尖峰，下面我們分析下：在死區(qū)時間內(nèi)，兩

47、只開關(guān)管都截止，變壓器副邊如果有如上所示的整流濾波電路，副邊電感將通過兩只整流二極管續(xù)流，兩只整流二極管都導(dǎo)通。這時如果原邊有一只開關(guān)管導(dǎo)通，副邊將會有一只二極管截止，在它由導(dǎo)通到截止轉(zhuǎn)換時，有一個反向恢復(fù)的過程，這時變壓器副邊相當(dāng)于短路，所以在原邊會有一個電流尖峰。2.4.4 半橋逆變式主電路 半橋逆變式功率變換主電路的形式如圖2-7所示。圖2-7 半橋逆變式主電路當(dāng)兩只開關(guān)管，都截止時，若兩只電容相等，即=，則兩電容中的點(diǎn)A的電壓為輸入電壓的一半，即。當(dāng)導(dǎo)通時，電容將通過和變壓器原邊放電，同時電源電壓通過和變壓器原邊放電為電容充電，中點(diǎn)A的電位將有所上升；當(dāng)導(dǎo)通時，兩只開關(guān)管，又都截止，它

48、們的端電壓又都回到輸入電壓的一半，即。當(dāng)導(dǎo)通時，截止，電容被充電，放電，A點(diǎn)的電位下降；導(dǎo)通結(jié)束后，又回到，都截止的狀態(tài)。由此可見，半橋式逆變式功率變換電路變壓器原邊施加的電壓只是電源電壓的一半，所以要使它與推挽式電路輸出同樣大小的功率，開關(guān)管的電流將是推挽電路的兩倍；換句話說，如果它們的開關(guān)電流一樣，電源電壓也相等，半橋電路的輸出功率將是推挽電路的一半。所以，半橋電路不適合于輸出功率大的逆變電路。2.4.5 全橋逆變功率轉(zhuǎn)換電路 全橋逆變功率轉(zhuǎn)換電路與半橋電路的區(qū)別是，用另外兩只相同的開關(guān)管代替兩只電容，即由4只開關(guān)管組成逆變開關(guān)電路，如圖2-8所示。圖2-8 全橋逆變功率轉(zhuǎn)換電路全橋逆變電

49、路的工作需要兩組相位相反的驅(qū)動脈沖分別控制兩對開關(guān)管，具體說就是和同時通斷，和同時通斷，和截止，變壓器原邊電壓為下正上負(fù)的；反之，當(dāng)和同時導(dǎo)通時，和截止，變壓器原邊電壓為下正上負(fù)的。在4只開關(guān)管都截止的死區(qū)時間內(nèi)，開關(guān)管端電壓和電壓尖峰和半橋電路類似。開關(guān)管剛剛導(dǎo)通時的電流尖峰也同半橋電路類似。2.5 基本DC/DC變換器主電路拓?fù)?逆變電源的一個重要組成部分是DC/DC變換器，因?yàn)樗请娔苻D(zhuǎn)換的核心，涉及頻率變換。把直流電壓變換成另一種直流電壓最簡單的方法就是串聯(lián)分壓，這樣不涉及變頻的問題，但是效率是非常低的。用一個半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，使帶有濾波器（電感或者是電容）的負(fù)載與直流電壓間隔性

50、通斷，則負(fù)載上也得到另一個直流電壓。這就是逆變電源DC/DC變換的原理。逆變電源的DC/DC變換電路主要有兩類，即基本型的（不帶變壓隔離器的）和帶變壓器型的?；咀儞Q器只完成變壓；帶隔離的變換器具有變壓功能外，還能完成輸入輸出電壓隔離及實(shí)現(xiàn)多路輸出等功能。變壓器隔離的作用是提供輸入與輸出之間的隔離。帶變壓隔離器的變換器是從基本變換器派生、組合、演變而來。它們從哪種基本變換器演化而來，就帶有哪個基本變換器的本質(zhì)特征（如電壓增益）。所謂派生，是指變壓器插入到各基本變換器中的各不同點(diǎn)上而形成的電路。將變壓隔離器組合可形成很多有特點(diǎn)的電路。本節(jié)來介紹單端正激變換、半橋變換和全橋變換。2.5.1 隔離型

51、單端正激變換器 圖2-9所示為單端正激型變換器的主電路，T為高頻變壓器。當(dāng)開關(guān)晶體管導(dǎo)通時，整流二極管也同時導(dǎo)通，輸入電能通過高頻變壓器T和二極管傳遞給負(fù)載，同時將部分能量儲存在輸出回路中的儲能電感L中。當(dāng)開關(guān)晶體管截止時，高頻變壓器原邊電壓、副邊電壓均反相，整流二極管因電壓反偏而截止。儲能電感中的自感電勢使續(xù)流二極管正偏而導(dǎo)通，繼續(xù)給負(fù)載供電，此時變壓器無能量傳遞，因而稱此電路為正激型變換電路。圖2-9 單端正激型變換電路單端正激型變換器中的高頻變壓器T的主要作用是電壓交換、功率傳遞和實(shí)現(xiàn)輸出與輸入之間的隔離，其功能與普通電力變壓器的功能相仿。圖2-9所示的單端正激型變換電路，在實(shí)用中還存在

52、去磁問題。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，高頻變壓器T中有一定的勵磁電流，存儲有一部分能量，這一部分能量在開關(guān)管截止時無泄放回路，因而會在變壓器中激起很高的電壓，損壞開關(guān)管，因而，實(shí)用的單端正激型變換器還必須加上泄放勵磁電流所產(chǎn)生的能量的回路。圖2-10是實(shí)用的單端正激型變換電路，是在圖2-9中的高頻變壓器中增加一組去磁繞組，再串聯(lián)接入一個鉗位二極管構(gòu)成的。這樣當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通期間高頻變壓器勵磁電流所存儲的能量，在開關(guān)管截止時，由于導(dǎo)通，便可以通過回送給輸入電源，同時將線圈異名端產(chǎn)生的尖峰電壓限制在允許的范圍內(nèi)。圖2-10 實(shí)用的單端正激型變換電路單端正激型變換器和Buck變換器一樣，具有電壓調(diào)整好、帶負(fù)載能力強(qiáng)

53、、輸出電壓中紋波小等優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：可方便地實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)和直流輸出端之間的隔離；能方便地實(shí)現(xiàn)多路輸出。主要缺點(diǎn)是高頻變壓器僅工作在B-H曲線的一側(cè)，因而利用率較低。2.5.2 隔離型半橋逆變器隔離型半橋逆變器的電路如圖2-11所示，兩只容量、耐壓都相同的電容器C1、C2和兩只特性相同的開關(guān)晶體管，組成一個電橋，輸入電源電壓加于電橋一對角線的兩端點(diǎn)上，而高頻變壓器的原邊繞組則接在電橋另一對對角線的兩端點(diǎn)上。由于電容，電容器上的電壓相等，都等于輸入電源電壓的一半，即。當(dāng)開關(guān)管被驅(qū)動時，電容C1、兩端電壓相等，都等于輸出電源電壓的一半，其極性為上負(fù)下正。當(dāng)開關(guān)管截止、被驅(qū)動導(dǎo)通時，電容C2兩

54、端的電壓通過開關(guān)管加到變壓器原邊繞組N1的兩端，使N1兩端電壓極性反向，即上正下負(fù)，其值也等于其輸入電壓的一半。因此，當(dāng)功率開關(guān)管，輪流導(dǎo)通、截止時，在高頻變壓器原邊繞組N1兩端便產(chǎn)生一幅值為的正負(fù)方波脈沖電壓，此脈沖電壓通過高頻變壓器傳遞到副邊，再經(jīng)整流二極管整流、儲能電感L及電容C濾波后向負(fù)載供電。圖2-11 隔離半橋型變換電路在圖2-11中，和開關(guān)管、并聯(lián)的兩只二極管D1、D2稱為換向二極管，它有兩個作用：(1) 變換器在運(yùn)行過程中，如果負(fù)載突然斷開，則變壓器漏感和分布參數(shù)形式的自激振蕩有可能在開關(guān)管的兩端產(chǎn)生瞬間過壓，使開關(guān)管反向擊穿損壞。加入換向二極管后，兩電極之間的電壓最大為0.7

55、V左右，這樣就防止了開關(guān)管因反向?qū)ǘ鴵p壞；(2) 當(dāng)開關(guān)管剛截止時，換向二極管能將開關(guān)管導(dǎo)通時變壓器漏感所儲存的能量回送到輸入電源，同時還能消除漏感形成的尖峰電壓。圖2-11所示的隔離型半橋變換電路中，當(dāng)開關(guān)管、（或）導(dǎo)通時，加于變壓器原邊繞組上的電壓是電容器C1（或C2）兩端的電壓。在電路中，由于開關(guān)管和的特性不一致，從而引起開關(guān)管的導(dǎo)通時間比開關(guān)管的長，則電容C1兩端的平均電壓就會比電容兩端的低。故導(dǎo)通時，加于變壓器原邊繞組兩端的電壓幅值，就會比導(dǎo)通時的要低，從而就能夠使加到變壓器原邊繞組兩端正負(fù)方波的伏秒積分始終維持相等。因而此電路具有比較強(qiáng)的抗不平衡能力。在實(shí)際應(yīng)用的電路中，通常在高

56、頻變壓器的原邊電路中串入一只大容量的電容C3，用來進(jìn)一步增強(qiáng)電路的抗不平衡能力，防止由于開關(guān)管的特性差異而造成變壓器磁芯飽和。隔離型半橋變換器的主要優(yōu)點(diǎn)：高頻變壓器的利用率高，在整個周期內(nèi)都工作；開關(guān)管截止時承受的電壓低，僅為一倍的輸入電源電壓；抗不平衡能力強(qiáng)。隔離型半橋變換器的主要缺點(diǎn)是輸出功率小，變壓器原邊繞組上施加的方波幅值只是輸入電源電壓的一半。2.5.3 隔離型全橋變換器將隔離半橋型中的電容C1、C2也換成開關(guān)管，從而把加到高頻變壓器原邊繞組的方波電壓幅值提高等于輸入電源電壓，這樣改變后的電路稱為全橋型變換器，如圖2-12。圖2-12 隔離型全橋變換電路在此電路中，橋路相對邊上的一對開關(guān)管、或、是同時導(dǎo)通和同時截止的。此電路既保持有隔離半橋型變換器中開關(guān)管截止時極間所承受的電壓較推挽型電路低的特點(diǎn)，又具有推挽型電路所具有的輸出電壓高、輸出功率大的優(yōu)點(diǎn)。該電路的缺點(diǎn)是需要用四只開關(guān)管，還需要四組彼此隔離的基極驅(qū)動電路，驅(qū)動電路比較復(fù)雜。2.6 驅(qū)動電路驅(qū)動電路的作用就是將控制電路輸出的脈沖放大到足以驅(qū)動功率晶體管，所以單從原理上講，驅(qū)動電路主要起開關(guān)功率放大作用，即脈沖放大器。但其重要性在于功率晶體管的開關(guān)特性與驅(qū)動電路的性能密切相關(guān)。同樣的功率開關(guān)管，采用不同