1、分類號UDC級密武多凄理歹大署論學位文基王I望丘扭奎裁S里迎叢遵變電源遮讓題目英文The Design of SPWM Inverter題目旦塑墨皇魚Q墮叢型Ii盟塹塞成研究生姓名指導教師姓名-址職稱韭趁匿一學位睦L單位名稱自動化堂院學科專業(yè)名稱郵編壘三QQ2Q電扭皇電墨申請學位級別亟±論文提交日期2Q12生壘旦論文答辯日期2Q12生5月學位授予單位武這理王太堂學位授予日期2Q12生魚旦全盤漁掛住答辯委員會主席全盤連評閱人2012年5月獨創(chuàng)性聲明本人聲明，所挈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已

2、經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同上作的同忐對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。研究生(簽名)：學位論文使用授權書本人完全了解武漢理工大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱j本人授權武漢理工 大學可以將本學位論文的全部內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存或匯編本學位論文。同時授權經(jīng)武漢理工大學認可的國家有關機構或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學位論文，并向社會公眾提供信息服務。(保密的論文在解密后應遵守

3、此規(guī)定)量絲：l翅l越波研究生(簽名)：導師(簽名)：摘要隨著人們對車載電器依賴性的逐步提高，設計一款效率高、穩(wěn)定性好、安全性好的車載供電源顯得極為重要。車載逆變電源主要實現(xiàn)車載蓄電池12V直流電到220V50HZ工頻交流電的轉換，以便滿足車載電器設備的用電需求。目前市場上大部分車載逆變電源為修正方波電源，能夠滿足阻性負載的需求，但是卻不適用于感性負載。極大限制了其使用范圍。純正弦逆變電源能實現(xiàn)阻性負載以及感性負載的供電需求，拓寬了車載電器的使用范圍。因此，設計一款純正弦逆變電源的設計顯得極為迫切。首先，本文在了解車載電源的國內、外現(xiàn)狀的基礎上。提出了300W功率的1 2VDC一220VAC5

4、0HZ的SPWM車載逆變電源的設計目標。其次，通過對車載正弦波逆變電源的實際應用環(huán)境和技術設計指標進行分 析，設計出車載電源變換器的主電路拓撲結構，即由前級推挽升壓電路和后級全橋逆變兩級電路結構組成，前后級之間采用電磁隔離方式。采用這種電路結構的優(yōu)勢是在很大程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。再次，本文對各子系統(tǒng)進行了器件的選型，并具體設計了硬件電路，硬件電路主要包括DC-DC高頻鏈主回路、DCAC工頻逆變主回路、前級PWM控制電路、 后級SPwM控制電路、電壓反饋回路和欠壓過壓保護、溫度保護、短路過載保護和等五種保護電路。文中還對系統(tǒng)的各軟件部分進行了流程化設計，并對系統(tǒng)初始化程序和中斷服務子

5、程序進行了具體的程序編寫。從而完成了系統(tǒng)的數(shù)字化控制，以便實現(xiàn)系統(tǒng)的調試，同時也提高了系統(tǒng)的適應性。最后，通過對提出的實現(xiàn)方案進行仿真及實驗電路搭建，并對其中幾項系統(tǒng)功能進行調試和測試，證明了該系統(tǒng)具有可行性和可實施性。本文設計的一款車載逆變電源滿足了當前市場車載逆變器的設計需求，對數(shù)字化車載逆變電源的實現(xiàn)提供了一定的參考價值。關鍵詞：車載逆變電源；高頻鏈；正弦脈寬調制；PI算法AbstractWiththeof the vehicle electricaltoincreasingappliance dependentpeoplegradually,the design of a hi曲eff

6、iciency,good stability,good safety power supply is very importantIn order to meet the electricity needs ofvehicle electrical equipment，Vehicle-borne power supply realizes the conversion of 1 2V DC vehicular battery to220V50HZ ACfrequency,CurrentlyVehicle-borne powerkind of Vehicle-borneon themarket,

7、mostare the correctionof square wave power supplyThissuppliesCan satisfy the demand of resistive load，but it is not applicable to thepower suppliesload，greatly restrictingscope of applicationPuresine wave inverterinductiveitsnot only Can realize demand of the resistive load，but alsothesatisfypower s

8、upplydemand of the inductiveof the vehicletheload，effectivelywideningusingrangeelectrical appliancesTherefore，the design of a pure sinedesign appears extremely urgentwave inverter power supplyFirst ofmakeof the status and the researchall，this paperinvestigationof Vehicle-bomeforwardthesignificancede

9、signof apowergoalsupply,puttingdigital SPWM Vehicleborne power supplyanenvironment andSecondly,through undertakingofanalysisapplicationtechnology design index to the vehicle of sinewave inverter,this paper designs maincircuit topology of a Vehicle·-borne power supply of 300W 1 2VDC·-220VAC

10、50HZandlevel converter circuit structurethe level of fullconverter，ieformerpowerfront and rear stageinverter two circuitstructure，andadopt electromagneticbridgeisolation modeThe advantage of thsis circuit structure largely improves the systemSstability and securityandand makesselects eachAgain，this

11、paper analysissubsystemspecifichardware circuit design，including DCDChi曲frequency link main loop，frequencyof DCAC inverter mainof PWM controlcircuit，back stage ofcircuit，former stagefeedback circuit andSPWM controlcircuit，voltageundervoltageover-voltageandtemperature protectionfivecircuitoverloadpro

12、tection，Shortprotectionprotection circuitaddition，this paper makes the process design based on the software portion ofInsystem，andthemakes theandofspecific programmingsinitializationsystemservice routineThuscompleting digitalcontrol oftheas tointerruptsystem，SOIIrealize the syst鋤debugging，but also i

13、mprove the adaptability of syst鼬·structures of the proposedcircuitandon simulationexperimentalFinallv，basedof the few functions of the s：stem，it is sh0、m ulatsch鋤eandand debug舀ngtestingfeasibility and impl鋤鋤tationthe system hasof a car inverter power supply me：ets也c requlr鋤e幽oth mis papthe desi

14、gnthe咄nt madketit provides a certain refcrence Valueto thecar iIerter design，anddi出al inverter powerKeyw。rds：Vehiclebome P。wer supply,high frequency link,SPWM,PI a190rimm-III目錄第l章緒論111課題研究背景112逆變技術國內外發(fā)展狀況及趨勢2121逆變技術國內外研究狀況。2122逆變技術發(fā)展趨勢213車載逆變技術研究現(xiàn)狀。314課題研究意義及內容5141本課題研究意義5142本課題主要內容5 第2章系統(tǒng)的總體設計7 21車

15、載逆變電源總體設計標準7211車載逆變電源設計要求7212車載逆變系統(tǒng)主拓撲結構選型722系統(tǒng)總體結構設計8221車載逆變系統(tǒng)總體結構8222高頻鏈方波逆變變換電路選型一9223工頻逆變變換電路選型10224整流濾波電路選型11225 SPWM逆變電路控制思想13 23本章小結16第3章系統(tǒng)硬件電路設計1731車載逆變器DCDC電路設計17311推挽變換電路開關管選取17312 PWM控制電路設計18 313高頻變壓器設計20 314帶電容濾波的不控整流電路設計：25 315前級保護電路27 316直流母線反饋29 32車載逆變器DCAC電路設計29 321橋式逆變電路開關管選取29IV322

16、控制電路設計30323基于PIC的PWM波實現(xiàn)33324本系統(tǒng)SPWM波的具體實現(xiàn)：36325驅動電路設計36326緩沖電路設計38327濾波電路設計40328后級保護電路設計j4333本章小結44 第4章系統(tǒng)軟件設計45 41數(shù)字PI算法46411增量型控制算法的實現(xiàn)：47412 PI控制參數(shù)的整定49 42軟件具體實現(xiàn)49 421初始化程序設計49ADC采樣程序設計50422423中斷程序設計504-3本章小結一51第5章系統(tǒng)仿真52MATLABSIMULINK仿真平臺介紹525152系統(tǒng)仿真52521前級DCDC模型仿真52522后級DCDC模型仿真5453本章小結56 第6章總結與展望

17、57 61本文主要工作5762今后工作展望58致謝59參考文獻60錄63附V武漢理工大學碩十學位論文第1章緒論11課題研究背景隨著時代的發(fā)展進步，人們對汽車電子的需求顯得極其迫切，汽車電子行業(yè)呈現(xiàn)飛躍式的發(fā)展趨勢。作為車載電子設備的動力源，車載電源系統(tǒng)以其適應能力強和安全可靠性等優(yōu)點成為車載系統(tǒng)安全可靠供電必不可少的裝備。目前，很多用戶的車上裝備有車載冰箱、游戲機、電動工具、車載電腦、音響系統(tǒng)等日常家用電子產(chǎn)品，它們主要采用220V50HZ的交流市電供電。而一般在私家小車上只能由車載蓄電池提供12V直流電，因此，設計一款電源轉換設備顯得及其需要。車載逆變系統(tǒng)可以實現(xiàn)12V低壓直流電到220W5

18、0HZ交流電轉化，從 而實現(xiàn)給一般的電器設備供電。車載逆變系統(tǒng)【111的使用方法十分簡單，直接將車 載逆變器的輸入端與汽車的蓄電池或點煙器電壓輸出端連接起來，就可以供給一般的日常家用電子產(chǎn)品使用，給人們的生活帶來了極大的便利。也就是說，車載逆變器的實質就是一款電源轉換設備。由于是一款車載便攜式設備，因此對這款設備提出了很高的要求。一方面是從空間角度提出了要求，這款逆變器是在密閉一個容器里安置，而小車由于裝載了其它電器設備，提供的容積是十分有限的。所以，一般車載逆變器被安置在一個很小的密閉容器中。一方面是從安全性角度提出了要求，由于是一款車主直接使用的電源設備，因此要求這款設備能夠保證系統(tǒng)的安全

19、可靠性很高。所以在設計逆變器時，需要配備有相應的保護系統(tǒng)及輸入輸出隔離電路。另一方面是從功率角度提出了要求，車載逆變電源的功率提高與使用能力的矛盾。這是因為如果這款逆變器的使用功率提高時，系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的損耗會轉化為熱能，熱能散發(fā)的局限性從而制約了系統(tǒng)的運行時間和能力。車載逆變器的研制不僅可以解決車載電器使用困難的問題，同時也可以給只要能提供12V直流電的用電場合使用。比如，在一些依靠太陽能供電的地區(qū)， 這些地方是通過蓄電池或太陽能電池板來儲存電能的，如果將這些儲能設備的輸出接到車載逆變器的輸入端，就可以產(chǎn)生普通電器設備所需的交流市電。這給用電困難地區(qū)帶來了極大的便利。所以，從用電便利角度，設

20、計一款可靠性高、安全性好的逆變器顯得十分重要。武漢理工大學碩士學位論文12逆變技術國內外發(fā)展狀況及趨勢121逆變技術國內外研究狀況在當今時代，各種電器設備不斷涌現(xiàn)，這些用電設備對供電電壓的要求差異性較大，它們可能需要提供不同電壓不同頻率質量的電能來供電。有許多電器設備需要220V50HZ交流市電供電。比如有家用彩電、家用電風扇等。也有些電器需要380W50HZ交流電供電。比如工廠用電，家用空調等。還有些電器需要特定的電壓和頻率的電能來供電。比如通信系統(tǒng)采用叫8V直流電源電壓，弧焊電源一般40v-80V直流電壓，400HZ特種電源等。因此，一般需要通過電力電子變換電路來實現(xiàn)不同電壓不同頻率的電壓

21、。電力電子變換電路實現(xiàn)電壓大小、波形和頻率的變化。電力電子變換技術可劃分為四中基本變換，即ACDC整流電路、DCAC逆變電路、DCDC電壓變 換電路、ACAC電壓頻率變換電路四種變換【l】。一般為了實現(xiàn)上述各種電壓頻 率的電壓，通常需要采用四種變換電路相互結合來實現(xiàn)。在這些組合電路中，逆 變技術是其中使用最廣泛的變換技術。現(xiàn)代逆變技術是一門綜合性很強的技術，它包含了最基本的模電數(shù)電技術和電力電子器件技術，以及控制變流技術等。如今，逆變技術的應用十分廣泛，滲 透的國民經(jīng)濟發(fā)展的各個領域，對人們的生活產(chǎn)生了息息相關的影響，極大便利 了人們的生活。目前，基于逆變技術的實用性很高，應用逆變技術的場合越

22、來越多。主要包括有不間斷電源UPS系統(tǒng)、通信電源、新能源發(fā)電(主要有風力發(fā) 電和太陽能發(fā)電)、治理污染、工業(yè)自動化及實用醫(yī)用電源等各個領域。自二十世紀八十年代以來，隨著開關器件的高速發(fā)展以及高頻逆變技術的不斷進步，逆變技術得到了前所未有的發(fā)展階段。122逆變技術發(fā)展趨勢在現(xiàn)代電力電子各種變換電路中，通常由幾種基本變換電路組合而成，而逆變技術通常處于整個系統(tǒng)的核心地位。二十世紀八十年代以來，現(xiàn)代逆變電源技術發(fā)展迅速，逐漸朝著成熟的方向發(fā)展。它的發(fā)展趨勢【2】主要提現(xiàn)在以下方面： (1)模塊化。模塊化主要體現(xiàn)在兩個方面：其一是各種功率器件的模塊化，其二是電源單元的模塊化。功率器件模塊化指的是將多個

23、功率開關器件集合在一個小模塊中，有的模塊內部還包含了功率開關器件的驅動電路及保護電路，從而能縮小元器件所占用的體積，更容易實現(xiàn)產(chǎn)品的開發(fā)。而且，元器件之間的引線連接少，減少了電路的寄生電感和寄生電容，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電源模塊化指的是將一些電源電路進行標準模塊化，可以直接選用電源模塊后進行組裝和調2武漢理工大學碩士學位論文試，這樣十分有利于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。(2)高頻化。早期由于受到電力電子器 件的低速特性制約，電路結構般占用很大的體積和重要。但是隨著電力電子器件的發(fā)展成熟，MOSFET和IGBT功率開關器件具有很高的工作頻率。我們知道， 磁性元件的體積和重量與開關器件的工作頻率的平方根成反

24、比。因此，為了增強系統(tǒng)的便攜性和嵌入式，現(xiàn)代逆變技術逐漸向高頻率的方向發(fā)展，這樣減小了系統(tǒng)的體積和重量，同時也節(jié)約了制造材料。(3)數(shù)字化。過去的模擬控制技術已不能適應對逆變技術的控制要求，隨著數(shù)字控制芯片的不斷提高以及數(shù)字信號處理技術的不斷完善，越來越多的電路采用數(shù)字控制作為系統(tǒng)的控制電路。數(shù)字控制技術較模擬控制技術而言，它可以避免較大的波形畸變失真，同時提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，更利于系統(tǒng)的外圍電路擴展。(4)綠色化。綠色化包含了兩層意義：其一，最大限度提高系統(tǒng)的效率，節(jié)省電能從而實現(xiàn)發(fā)電造成的環(huán)境污染。其二，最大限度減少諧波分量，以達到降低電網(wǎng)污染的目的。13車載逆變技術研究現(xiàn)狀隨著車載電

25、器在汽車上的廣泛應用，市場上對車載電源的需求十分廣大。根據(jù)車載電器的用電功率不同，車載電源的功率等級也劃分的比較明細。目前市場上車載電源的功率等級一般還比較低，主要包括有150W、300W、500W和1000W 等規(guī)格。一般對于低功率的車載電源t71，它的輸入供電源可以直接從車載點煙器取電，對于高功率的車載電源則需要從車載蓄電池取電。這是因為點煙器是汽車里很多小功率電器設備的供電源，若將大功率的車載逆變電源也從點煙器取電， 則會直接導致點煙器因供電功率過大而燒壞。當前，由于人們對車載電器的依賴性還不是很高，所以國內市場上一般以150W的低功率車載逆變器為主。但是隨著汽車電器的迅猛發(fā)展，大功率的

26、車載逆變器逐漸成為了一種發(fā)展趨勢。目前，市場上低功率的車載逆變器按照輸出波形來劃分，可以劃分為修正正弦波逆變器和正弦波逆變器兩類。修正正弦波逆變器包括方波逆變器和準正弦波逆變器兩類。修正正弦波逆變器指的是輸出為220V50HZ的非正弦交流電，它 的優(yōu)點是電路結構較為簡單，效率可以達到很高級別。缺點也十分明顯，其一， 它輸出電壓中含有大量的諧波分量；其二，它的帶負載能力也比較差，不能給感性負載供電，因此具有很大的局限性；其三，這類逆變器對汽車電器的壽命有較大影響。綜合這些考慮，這類逆變器不具有很好的發(fā)展前景。正弦波逆變器指的是輸出為220V50HZ的正弦波交流電，它的優(yōu)點是帶負載能力強，可滿足任

27、意 負載的供電要求；另外，輸出電壓波形質量好，對電器設備的使用壽命影響很小。但是它也存在一些缺陷，它的電路結構和控制技術較之復雜，效率也沒有修正逆3武漢理工大學碩士學位論文變器高。所以，研制一款高質量的正弦波顯得十分迫切。目前，車載逆變器正朝著高頻璉逆變技術【9】的方向發(fā)展，這類逆變器的主要技術包括DCDC高頻升壓技術和DCAC逆變技術。(1)DCDC高頻升壓技術， DCDC高頻升壓處于整個逆變系統(tǒng)的前級部分，它主要實現(xiàn)的是將12V直流電壓通過電路變換轉化為365V左右的直流高壓。其中電路變換結構的最基本電路拓撲結構可以分為Buck電路、Boost電路及BuckBoost電路三種類型。正激變換

28、電路、推挽型變換電路、半橋型變換電路及全橋型變換電路均是BUCK 型變換電路的改進型電路。單管正激變換電路中變壓器在設計中需要加入復位繞 組來完成磁復位，而且變壓器利用率低，只有單向的磁利用，不適用于高增益場 合；半橋變換電路適用于高壓輸入的場合，但在電路中需要使用兩個大容量的電 容；全橋變換電路使用的功率開關器件較多，開關損耗相對而言也大，不適用于 低壓大電流的電路結構中；推挽變換電路升壓時，使用的功率開關器件少損耗也小，而且變壓器利用率高。目前，推挽電路廣泛用作中低功率的DCDC高頻 升壓電路中。(2)DCAC逆變技術逆變電路按照其電路結構主要包括橋式電路和非橋式電路。非橋式電路主要包括推

29、挽式逆變結構和多電平逆變結構等。橋式電路應用十分廣泛，它可以劃分為半橋電路結構和全橋電路結構兩種。半橋電路結構的一個橋臂由兩個開關管組成，另個橋臂則由兩個無源元件電容組成，并在開關管體內反向并聯(lián)二極管來為感性負載提供續(xù)流回路。兩個作為母線電壓的支撐電容用來吸收無功能量。在半橋電路結構中，采用的功率開關器件要少，且控制起來相對較簡單，但是其輸出電壓僅為直流母線電壓的一半。全橋電路結構通過四個開關元件組成兩個橋 臂，只需要一個大電容作為支撐電容來吸收無功功率。全橋電路的控制技術較之半橋電路要復雜，但其輸出電壓幅值為半橋電路的兩倍，即與直流母線電壓相等。(3)逆變器調制方式在搭建好硬件主電路結構后，

30、采用合理的SPWM調制技術【12】貝lJ可以達到減 少輸出電壓中的諧波分量的目的，以利于濾波而得到THD比較小的正弦波。在SPWM調制過程中，一般根據(jù)載頻比的值和調速情況將調制方式劃分為同步調制、異步調制及分段同步調制。同步調制：指的是在進行SPWM調制時，載波比恒定為常數(shù)，三角載波的 頻率變化與正弦調制波的頻率變化保持同步。也就是說，逆變電路輸出電壓中每個周期內的脈沖數(shù)一定，且脈沖相位也是固定的。同步調制適用于輸出頻率較高的場合，在頻率較低時般很少采用。因為當逆變器的輸出頻率很低時，SPWM4武漢理工大學碩士學位論文矩形波之間的間距較大，諧波比較嚴重，對供電質量較高的負載不宜適用。異步調制：

31、異步調制是通過改變正弦調制波的頻率、保持三角載波頻率不變， 從而實現(xiàn)載頻比改變。具體操作是：保持三角載波頻率不變，增大或減小調制波的信號頻率，使輸出電壓中每個周期內的SPWM脈沖波數(shù)量發(fā)生改變，以達到 減小諧波分量的目的，改善電路的低頻工作特性。這種調制方式中輸出脈沖個數(shù)和脈沖相位不固定，正負半周期中脈沖數(shù)也不能對稱。當減小調制信號頻率時， 載頻比變大，單周期內的脈沖數(shù)增多，輸出波形更加接近于正弦波；當增大調制波頻率時，載頻比減小，單周期內的脈沖數(shù)減小，電路輸出特性變差。因此，異步調制適用于載波頻率較高的場合，這樣保證了調制信號頻率變化時仍能保持較大的載頻比，從而保證輸出電壓波形的質量。分段同

32、步調N-分段同步調制是一種混合了同步調制和異步調制各自優(yōu)點的調制方式。其具體調制步驟為，在逆變器有較寬的變頻范圍時，將其變頻范圍分為多個頻率段，在頻率高的頻段范圍采用同步調制，發(fā)揮同步調制輸出波形對稱的優(yōu)點；在頻率低的頻段范圍采用異步調制，發(fā)揮異步調制的優(yōu)點。14課題研究意義及內容14課題研究意義及內容141本課題研究意義在國外，車載逆變器已經(jīng)受到了熱烈的歡迎和使用，車載逆變器的產(chǎn)生也給人們帶來了極大的便利。但是在我國，由于汽車的占有率很小，車載逆變系統(tǒng)的使用率十分低。但是隨著人們對汽車電器的依賴性逐漸增強，汽車的使用也即將步入普及階段，研制一款高性能的車載逆變器在國內具有很大的市場發(fā)展前景和

33、研究價值。142本課題主要內容第一章，介紹了逆變技術的發(fā)展歷程和車載逆變技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。說明了車載逆變器的研究價值和前景。第二章，闡述了車載逆變系統(tǒng)的總體設計標準和設計要求，并對系統(tǒng)的主拓撲結構作出了選型。另外，通過對各種變換電路的分析和比較，對主電路作出了具體的電路結構選型和分析。第三章，詳細分析了本系統(tǒng)各模塊電路的具體參數(shù)設計，并給出了相應的計算公式。并對系統(tǒng)的保護電路進行了具體沒計。另外，通過分析對本系統(tǒng)的主控制電路進行了設計，給出了相應的控制方案。氣武漢理工大學碩士學位論文第四章，完成了系統(tǒng)軟件部分的流程化設計。另外，選用PI算法的作為本文的控制算法，并作出了PI增量型控制算

34、法流程設計。第五章，通過電路仿真對本文設計方案的合理性作出了具體分析。第六章，對本系統(tǒng)進行總結，并提出展望。6武漢理工大學碩士學位論文第2章系統(tǒng)的總體設計21車載逆變電源總體設計標準211車載逆變電源設計要求車載逆變電源作為一款便攜式車載電源，對其整體性能及其安全性有比較高的要求，主要包括如下幾點：(1)要求整個系統(tǒng)的轉換效率比較高。一方面，轉換效率的提高有利于電 能的充分合理運用，使直流電能盡量多的轉換給電器使用；另一方面，轉換效率越高，系統(tǒng)損耗的能量就相對變少，那么整個逆變系統(tǒng)的發(fā)熱現(xiàn)象就會變得緩和， 系統(tǒng)的轉換持續(xù)時間就可以增加。(2)要求系統(tǒng)的輸出電壓有比較低的THD。因為THD的提高

35、有助于增強 系統(tǒng)的帶載能力。有些車載電器對供電質量要求比較高，因此，需要采用合理的控制方案保證輸出電壓的波形失真度在一定的范圍之內。(3)要求從安全用電的角度出發(fā)，系統(tǒng)擁有合理的保護系統(tǒng)和隔離設置， 保證安全供電。因此，在保護系統(tǒng)中設置有輸入過壓欠壓保護、過載過流保護、溫度保護等保護系統(tǒng)；系統(tǒng)的隔離采用供電端和用電端電磁隔離的方式。本系統(tǒng)是一款直接基于實際車載環(huán)境設計的一款逆變系統(tǒng)，系統(tǒng)輸入輸出性能指標：1)系統(tǒng)輸入：1116VDC，最大輸入功率為300W；2)系統(tǒng)輸出：220(+_5)VAC50HZ，最大輸出功率為300W；3)轉換效率：90及以上；4)波形失真率THD-5以內；5)合理的安

36、全保護系統(tǒng)；212車載逆變系統(tǒng)主拓撲結構選型將12V直流電壓轉變?yōu)?20V50HZ工頻市電的方式有如下兩種：方案一：直接逆變系統(tǒng)。直接采用50HZ逆變，后續(xù)直接采用工頻變壓器實現(xiàn)電氣隔離以及升壓功能。這種電路的優(yōu)點是拓撲結構較為簡單，比較容易控制； 這種電路的缺點是選用的工頻變壓器的重量和體積都很大，不利用便攜。如圖2-1所示為直接逆變電路設計方案圖。7武漢理工大學碩士學位論文TL頻逆變i彘仂b波電路圖21直接逆變電路方案方案-高頻逆變系統(tǒng)。這種拓撲電路結構較之復雜，采用元器件也較多， 控制方式也比較復雜，但由于這種電路引用了高頻變壓器來代替工頻變壓器，這 樣就極大的縮小了系統(tǒng)所占用的體積和重

37、量。如圖22所示為高頻逆變電路方案。二口玎口濾波電路丁同頻逆變L頻逆蠻，、圖2-2高頻逆變電路方案由于本系統(tǒng)是為設計一款車載逆變電源系統(tǒng)，這就要求這款裝置需具有很好的便攜式以及可移動性。第二種方案由于引用了高頻變壓器，這種方式比較容易滿足便攜性要求高的場合。因此，本系統(tǒng)采用了高頻鏈逆變系統(tǒng)。22系統(tǒng)總體結構設計221車載逆變系統(tǒng)總體結構根據(jù)車載逆變電源設計要求和對主電路拓撲結構的分析，本文設計的車載逆變系統(tǒng)分為兩個組成部分：1)前級升壓部分：輸入穩(wěn)壓電路、DCDC升壓電路、PWM控制電路和 前級保護電路四個部分。2)后級逆變部分：輸出濾波電路、DCAC逆變電路、SPWM控制電路和 后級保護電路

38、四個部分。本文設計的車載逆變系統(tǒng)功能框圖23所示：8武漢理工大學碩士學位論文圖2-3車載逆變電源功能框圖本文設計的車載逆變系統(tǒng)結構框圖2-4所示：DCDC升壓電路DC-AC逆變電路一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一lT一一一一一一一一一一一一一一一圖24車載逆變電源系統(tǒng)結構框圖222高頻鏈方波逆變變換電路選型目前，DCDC變換電路可以分為隔離式變換電路和非隔離式變換電路。非隔離式變換電路主要指的是四種基本變換電路13J，即包括Buck型降壓電路、Boost 型升壓電路、BuckBoost型升降壓電路以及Cuk型電路。五種隔離式變換電路指的是單端正激變換電路、單端反激變換電路、推

39、挽變換電路、半橋變換電路以及全橋變換電路。以上總共九種變換電路都有各自的優(yōu)點和缺點，因此在實際電路設計要根據(jù)其具體情況選擇最合適電路性能的拓撲。9武漢理工大學碩士學位論文推挽變換電路可以看作為由兩個單管正激變換電路的組合而成的電路。兩個正激變換電路輪流互補工作。高頻變壓器的一次側設置為帶有中心抽頭的兩個繞組，兩個繞組隨各自相連的功率開關管的導通而輪流工作。即為推挽變換電路(nlsh-Pull Converters)。如圖25所示為推挽變換拓撲結構。圖25推挽變換拓撲結構推挽變換電路的優(yōu)點有：(1)由于兩開關管發(fā)射極相連，開關管的驅動電路 比較簡單，驅動電路負端可相連于公共端接地。(2)每一個周

40、期內，只有一只開 關管有壓降，損耗比較小。(3)開關管的利用率高。由此可知，推挽變換電路特別適合于低輸入電壓場合，比如12V、24V、48V DCDC變換電路。使用功率可高達1000W。本系統(tǒng)的輸入電壓從車載的蓄電池直接取電，該電壓為12V直流低壓。在低壓端的電流比較大，可達25A，因此需采用較少的開關管來減小開關管在電路 中引起的損失。故不能選用全橋變換電路。另外，該系統(tǒng)屬于一款車載產(chǎn)品，要求所占用的空間比較小，因此不能采用半橋變換器這種需要兩個大電容的電路結構。綜上所述，本文選定推挽變換電路作為高頻鏈DCDC電路結構。高頻鏈方波逆變電路采用高頻推挽逆變和高頻變壓器組合的電路結構，首先，它將

41、輸入的直流電壓逆變?yōu)楦哳lPWM方波，再通過高頻變壓器將低壓PWM波升壓為高壓 PWM波。這種電路對變壓器的磁芯利用率比較高；使用的開關管數(shù)量少，對整個系統(tǒng)減小損耗起到十分重要的重要；另外，這種電路在低電壓輸入的場合使用優(yōu)點十分顯著。223工頻逆變變換電路選型本系統(tǒng)工頻逆變電路的輸入電壓值大約為350400V，電流值大約為136A 左右，屬于高電流低電流類型電路。全橋變換電路可以看作是由兩個雙管正激變換電路組合而成的電路。該電路共有兩個橋臂，每個橋臂由兩只開關管組合而成。電路中共有兩組PWM脈沖驅動信號，且兩組驅動信號相互互補。從兩個橋臂的中點引出作為逆變輸出接到后10武漢理工大學碩士學位論文續(xù)

42、電路，在圖2-6中，輸出接到變壓器的一次輸入端。該電路即稱為全橋變換電 路(Full-Bridge Converters)。全橋變換電路的變壓器磁芯工作于雙向磁化狀態(tài)。因此，也存在偏磁到時變壓器磁飽和現(xiàn)象發(fā)生的可能。故需要對該電路精心設計驅動電路及抗干擾電路。圖2-6全橋變換拓撲結構全橋變換電路的優(yōu)點有：(1)開關管在截至狀態(tài)下承受的電壓應力為電源電 壓Vin。(2)在選用與半橋電路同規(guī)格開關功率器件時，可以獲得2倍半橋電路的輸出功率。全橋變換電路的缺點有：(1)全橋變換電路每次導通期間形成兩個管壓降， 其損耗較推挽變換電路大。(2)全橋變換電路相對半橋和推挽電路而言，在電路 結構上要復雜。(

43、3)驅動電路也復雜，四組均需隔離。由此可知，全橋電路最適合于高輸入電壓低電流的應用場合。綜上所述，本文選定全橋變換拓撲結構作為DC_AC工頻逆變的電路形式。224整流濾波電路選型在經(jīng)過高頻變壓器升壓后的電壓為36KHZ高頻高壓的方波信號，因此需要通過整流電路將其變換為脈動的直流電，再經(jīng)過濾波電路將其變換為恒定的高壓直流電壓。本文選取橋式整流電路作為本系統(tǒng)的整流電路形式，選取電容濾波電路作為本系統(tǒng)的濾波電路形式。(1)橋式整流電路橋式整流電路由四只二極管組成，它利用的是D1、D3和D2、D4兩對二極 管交替導通，致使負載在整個周期內都有方向不變電流通過。如圖27所示為橋式整流電路拓撲結構。橋式整

44、流電路的工作原理：當處于正半周時，電流從變壓器二次側上饒組出發(fā)，經(jīng)二極管Dl、負載、D3回至U- 次側下繞組。因而負載上的電壓就是變壓器副邊二次繞組的電壓。當處于負半周時，電流從變壓器二次側下繞組出發(fā)，經(jīng)二極管D4、負載、D2回到二次側上饒組。因而負載上的電壓是二次側繞組的反向電壓。因此，在整個周期內，負載得到兩個正半周的電壓達到全波整流的目的。武漢理工大學碩士學位論文一 。I。，么 吆一'<負< 載<一交流電壓一 一 、<一、<、一_一哩D2圖27橋式整流電路拓撲結構經(jīng)過整流電路后得到的輸出電壓雖然方向是相同的，但是仍然含有大量的交流成分。一般在電路設計

45、要求需要得到比較純凈的直流成分，而含有十分微小的交流成分。因此，在經(jīng)過整流電路后一般仍需要通過濾波電路將脈動的直流電壓轉變?yōu)槠骄彽闹绷麟妷骸?2)電容濾波電路在逆變電源設計中，輸入或輸出濾波電容不僅需要小容量薄膜高頻電容來濾除高頻雜波，也采用大容量電容器來濾除低頻雜波。大容量的濾波電容一般采用 鋁電解電容。鋁電解電容是逆變電源濾波設計中不可或缺的元件之一。電容濾波 的原理是利用電容充電和放電來使脈動的直流電轉變成平穩(wěn)的直流電。電容器的 濾波結構如圖28所示。D1·L 孓D47 、jj一<<<C負載L 孓D37 么一圖28電容濾波拓撲結構電容濾波過程：當輸入端電壓Ui

46、工作于正半周，且其數(shù)值大于電容端電壓Uc時，二極管D1和D3由于受到正向電壓開始導通，二極管D2和D4由于受 到反向電壓而截止，其中一路供電電流經(jīng)負載電阻回路給負載供電，另外一路電流經(jīng)過電容C回路給電容充電。當電容兩端電壓Uc大于供電電壓Ui時，此時二極管D1和D3受反向電壓而處于截止狀態(tài)，電容C通過負載回路給負載供電， 此時Uc按指數(shù)規(guī)律減小。當輸入端電壓Ui工作于負半周，且其數(shù)值恰好大于電容端電壓Uc時，D2 和D4由于受到加正向電壓開始導通，輸入電壓Ui再次一路供電于負載回路， 另一路開始對電容C充電，直到Uc上升到Ui的峰值后，Ui再開始下降；當Ui下降到某一數(shù)值時，電容兩端電壓Uc大

47、于供電電壓Ui，二極管D2和D4受反12武漢理工大學碩士學位論文向電壓開始變?yōu)榻刂範顟B(tài)，電容C通過負載回路給負載供電，此時uc按指數(shù)規(guī)律減小；直到Uc放電到一定數(shù)值時，供電電壓Ui大于電容端電壓Uc，二極管Dl和D3又變?yōu)閷顟B(tài)，重復上述過程。電容濾波電壓輸出波形如圖2-9所示。疆e；二：=一一一縣一lU。廠。iLl 7Vr V7： ，譬i_；量霄0零靜ll圖2-9電容濾波電壓波形濾波電容使用應注意o在電容濾波時，一般采用大容量的鋁電解電容，電解電容是具有正負極的電容器，因此在畫圖及焊接過程中要認真區(qū)分電解電容的正負極，否則會出現(xiàn)安全事故甚至爆炸。一般由不控整流電路輸出的諧波電壓頻率不高，在

48、進行LC濾波時需要選用LC乘積很大的濾波電感和濾波電容。通常，電容的體積和重量比電感要小得多。 因此，一般選用較大的電容和較小的電感組合濾波電路來實現(xiàn)濾波。考慮到在電 路中總是存在一定數(shù)值的等效電感，因此有時為了簡化電路結構，直接采用單電容濾波。在本系統(tǒng)設計中，采用單電容來實現(xiàn)穩(wěn)定電壓。225 SPWM逆變電路控制思想(1)正弦脈寬調制SPWM原理分析正弦脈沖寬度調錆lJ43】應用了沖量等效模型的原理：當采用大小和波形都不 同的兩個窄脈沖同時作用于一個慣性系統(tǒng)時，只要當兩個窄脈沖變量對時間的積 分相等(即沖量相等)，所產(chǎn)生的作用效果是相等的。針對SPWM脈沖寬度而言， 它指的是不連續(xù)的、寬度按

49、正弦規(guī)律變化的PWM脈沖電壓，這里除了要求每一 個脈沖時間寬度面積相等以外，每一個脈沖時間寬度必須很窄。也就是說：如果 對開關功率器件進行實時的通斷控制，并且使矩形脈沖電壓的寬度按照正弦規(guī)律 變化，由傅立葉原理分析可以知道，輸出電壓中除了含有基波分量外，還含有與 開關頻率成倍數(shù)對應的高次諧波分量，而沒有低次諧波的存在。所以，當采用的 開關頻率越高時，就越能消除更多的低次諧波，再通過濾波電路來濾除高次諧波， 從而使逆變電路的輸出電壓更接近于連續(xù)的正弦波。(2)正弦脈寬調制SPWM產(chǎn)生方法武漢理工大學碩士學位論文1、利用模電電路實現(xiàn)SPWM產(chǎn)生我們知道，正弦波可以等效成等幅不等寬的多脈沖矩形波，且

50、矩形脈沖寬度可以由正弦波和三角波通過自然相交來得到。為此，采用分立原理，一路產(chǎn)生正弦波，另一路產(chǎn)生三角波，再將兩路信號引入為電壓比較器電路的輸入端來得到SPWM波。由模擬電路產(chǎn)生SPWM的方法的優(yōu)點有：輸出波形中紋波很小，動 態(tài)響應速度很快，且諧波分量也很少，輸出電壓通過很簡單的濾波電路即可得到THD很小的正弦波。因此，利用模擬電路產(chǎn)生SPWM的方法十分適合于低端的 恒頻恒壓的正弦波逆變電源。另外，由模擬電路產(chǎn)生SPWM的方法也存在很多 弊端：一方面，由于采用了由很多分立元件組合而成的系統(tǒng)，導致整個系統(tǒng)關聯(lián)性增大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性；一方面，由于未采用微控制芯片，十分不利于系統(tǒng)的智能化，對系統(tǒng)

51、的擴展及其調節(jié)性能有很大的限制；另一方面，當電路需要采用閉環(huán)控制時，由于只能通過模擬電路來實現(xiàn)，導致系統(tǒng)不能隨著負載特性的改變來調節(jié)控制參數(shù)和控制策略，從而就極大的制約了該系統(tǒng)的通用性。2、利用數(shù)字電路實現(xiàn)SPWM產(chǎn)生伴隨著微處理技術的高速發(fā)展，各種專用芯片不斷涌現(xiàn)(如SPWM專用芯 片SA868等)，各種數(shù)字控制芯片更是層出不窮。比如有：最簡單的如C51、PIC 和AVR等單片機；還有具有高速率和高度控制能力的ARM、DSP等高端微處理 數(shù)字芯片。微控制芯片的出現(xiàn)及其發(fā)展對正弦波逆變電源控制性能的提高起到了極大的促進作用。專用芯片產(chǎn)生SPWM波形是通過在片內設置數(shù)字邏輯電路來實現(xiàn)的，它產(chǎn) 生

52、的是固定的SPWM波形。因此它的SPWM波形的各項參數(shù)基本是不可調節(jié)的， 比較好的也只是有幾種SPWM波形生成選項。一般為了增強它的輸出調節(jié)能力， 需要在外圍配置其它微處理芯片才能實現(xiàn)比較強大的功能。因此專用芯片的使用有很大的局限性。例如SPWM專用芯片SLE4520，它輸出的SPWM波形的開關 頻率可高達20KHZ，適用于中頻逆變電源，但是一般在使用該芯片時，需要與8 位或16位微處理器聯(lián)合使用才能產(chǎn)生SPWM信號。很顯然，這種產(chǎn)生的SPWM 波形的方式不僅在硬件電路結構上比較復雜，而且也導致其控制算法和軟件要求麻煩。另外，比如SPWM專用芯片HEF4752，它的最高開關頻率只能達到1KHZ， 因此一般不能用于較高的開關頻率要求。針對普通單片機微處理芯片而言，它產(chǎn)生SPWM波形