（电机与电器专业论文）宽电压逆变器的设计与研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t y w i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g t h ed e s i gna n dr e s e a r c ho faw i d ev o l t a g e 1 霸 ：j i n v e r t ：e r c a n d i d a t e ： y a nl u o s t u d e n tn u m b e r ：0 7 2 0 0 8 0 0 0 4 s c h o o l d e p a r t m e n t ： s c h o o lo fe l e c t r o n i ca n d i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ： m a j o r ： s u p e r v i s o r ： e n g i n e e r i n g e l e c t r i c a lm o t o r sa n d a p p a r a t u s v i c e p r o f y u z h u os h e n m a r c h ，2 0 1 0 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名： 警颜 沙d 年；其侈日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：雩殿 p l 口年；b 侈b 同济大学硕士学位论文摘要 摘要 逆变器，作为燃料电池等新能源发电系统中一个重要的组成部分，在能源 转换与能量传递过程中起着举足轻重的作用。目前，逆变器正朝着高效率、高 稳定度、高功率密度、低污染和模块化的方向发展，各种新颖的调制技术不断 涌现。控制上，各种适用于不同要求的控制方案不断被提出，而实现方式上， 数字信号处理技术( d s p ) 的普及和成熟加速了逆变器数字化的进程。 本论文主要对应用于燃料电池发电系统的宽电压逆变器的主电路拓扑结 构、元件设计及控制方案进行了研究。 本论文针对燃料电池的输出电压特性，分析了适用于燃料电池系统的拓扑 结构。着重对该系统中的d c a c 变换器部分进行了深入讨论，对其主电路拓扑 结构、元件参数和运行参数进行了分析和研究，介绍了基于d s p 数字控制 d c a c 变换器的不同调制方式的实现，对其进行了分析与比较，探讨了电压电 流双环控制设计方法，并在此基础上通过d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 实现了数 字控制算法，给出了软件流程图以及实验结果。 关键词：燃料电池，逆变器，数字控制技术，p w m t o n g j iu n i v e r s i t ym a s t e ro fe n g i n e e r i n ga b s t r a c t a b s t r a c t i n v e r t e r , a sa ni m p o r t a n tp a r to fn e we n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e ms u c ha sf u e lc e l l e t c ，p l a y sak e yr o l ei nt h ec o u r s eo fe n e r g yc o n v e r s i o na n dt r a n s m i s s i o n n o w a d a y s t h ed e v e l o p m e n to fi n v e r t e ri sd i r e c tt o w a r d sh i g he f f i c i e n c y ，h i 曲s t a b i l i t y , h i 曲 p o w e rd e n s i t y ，l o wp o l l u t i o na n dm o d u l a r i z a t i o n a l o to fn o v e lm o d u l a t i o n t e c h n i q u ea n d v a r i o u sc o n t r o ls c h e m e ss u i t a b l ef o rd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t sa r e b r o u g h tf o r w a r d i nt h ea s p e c to fa p p l i c a t i o n ，t h ew h o l ed i g i t a lp r o c e s s o fi n v e r t e ri s a c c e l e r a t e db yt h em a t u r i t ya n dp o p u l a r i z a t i o no fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h er e s e a r c ho faw i d ev o l t a g ei n v e r t e rf o rf u e l c e l lp o w e rs y s t e m t h ec o n t e n t si n c l u d et h ep o w e rc i r c u i tt o p o l o g y ，s e l e c t i o no f c o m p o n e n tp a r a m e t e r sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et o p o l o g yo faf u e lc e l lp o w e rs y s t e mi si n t r o d u c e db a s e d o nt h ea n a l y s i so ft h eo u t p u tv o l t a g eo ft h ef u e lc e l ls t a c k b yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ， t h ee f f e c to fc o m p o n e n tp a r a m e t e r so ft h ed c a cc o n v e r t e ri se x p l o r e da n dt h e r e a l i z a t i o na n dt h ec o m p a r eo fd i f f e r e n tm o d u l a t i o nm e t h o d so fd i g i t a l c o n t r o li s p r e s e n t e d i no r d e rt oc o n t r o lt h eo u t p u tv o l t a g et h ed u a l - l o o pc o n t r o ls t r a t e g yi sa l s o p r e s e n t e d t h ed i g i t a lc o n t r o li s a c h i e v e dt h r o u g hd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h e d e t a i lf l o wc h a r to fs o f t w a r ei si n t r o d u t e da n dt h er e s u l to fe x p e r i m e n ti sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：f u e lc e l l ，i n v e r t e r ，d i g i t a lc o n t r o l ，p w m i i 同济大学硕士学位论文目录 目录 第1 章绪论一1 1 1 。引言一1 1 2 逆变器的数字控制技术2 1 3 本课题研究的意义和主要研究内容3 第2 章宽电压逆变器的主电路研究5 2 1 引言5 2 2 宽电压逆变器主电路拓扑6 2 3d c d c 变换器的稳态等效作用及其输入滤波8 2 3 1d c d c 变换器稳态等效作用8 2 3 2d c d c 变换器输入滤波1 0 2 3 3d c d c 变换器输出滤波1 2 2 4d c a c 变换器主电路元件参数及运行参数1 2 2 4 1d c a c 变换器的开关器件1 。 翻 2 4 2 死区时间的设定及死区效应分析1 4 。 嘲 2 4 3d c a c 变换器输出滤波器1 7 ，蠲 2 4 4d c a c 变换器输入滤波2 1 2 5 小结2 5 一瑰 扣菌 第3 章d c a c4 变换器的s p w m 调制技术2 6 “ 曩 3 1 引言一2 俨 署 3 2 单相逆变开关电压矢量分析2 6 3 3 单相s v p 硼与s p w m 的统一“2 8 3 4 三种调制方式的特点比较3 l 3 5 开关模式的优化策略3 1 3 6s p w m 调制的m a t l a b 建模与开环仿真3 2 3 7 小结3 7 第4 章d c a c 变换器控制技术研究3 8 4 1 引言3 8 4 2 单相d c a c 变换器的数学模型3 8 4 2 1 逆变桥模型3 8 4 2 2 变换器数学模型3 9 4 3d c a c 变换器控制策略分析4 0 4 4d c a c 变换器双闭环控制4 3 4 4 1 控制策略分析4 3 4 4 2 参数整定及多次相交分析4 3 i i i 同济大学硕士学位论文目录 4 5d c a c 变换器外特性分析4 5 4 5 1 单电压控制逆变器的外特性4 5 4 5 2 双环控制逆变器的外特性4 6 4 5 3 两种控制方式下逆变器外特性的比较4 8 4 5 4 提高逆变器外特性的方法电压有效值平均值调节4 9 4 6 仿真研究5 0 4 7 小结5 1 第5 章基于d s p 的数字控制系统设计5 3 5 1 引言5 3 5 2 数字控制信号产生机制5 3 5 2 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 介绍5 3 5 2 2 对称p w m 的发生原理5 4 5 2 3s p w m 脉冲的生成5 4 5 3 基于d s p 的数字控制系统硬件设计5 5 5 3 1 复位电路5 5 5 3 2 时钟电路5 6 5 3 3 存储器接口电路5 6 5 3 4 仿真器接口电路一5 7 5 3 5 采样调理电路5 7 5 4 基于d s p 的数字控制系统软件设计5 8 5 5 实验结果5 8 第6 章结论与展望6 2 6 1 结论6 2 6 2 今后进一步工作展望6 2 致谢6 3 参考文献6 4 个人简历、在读期间发表的学术论文及研究成果6 7 i v 第1 章绪论 1 i 引言 第1 章绪论 d c a c 变换器又称逆变器，是应用电力电子( p o w e re l e c t r o n i c s ) 器件，将直流 电能变换为恒压、恒频交流电能，供交流负载用电或与交流电网并网发电的一 种静止变流装置。 尽管d c a c 变换是- - f q 发展比较成熟的技术，早已在生产实践中得到广泛 应用。但是，随着新的电力电子器件出现、新的电路拓扑的发展、新的调制方 法的研究应用j 控制计算机性能的提高和应用领域的扩展，d c a c 变换技术也 呈现出高频化：数字化、智能化、高电压大电流化等新的发展趋势。 通常d c a c 变换技术应用于将直流发电机、蓄电池或电网交流电整流成的 直流电能变换为交流电能。随着光伏发电、风能发电、燃料电池发电等新的发 电技术的快速发展，d c a c 变换器的应用领域也得到进一步的拓展。配合新的、 发电装置使用并不能把原有的逆变技术做简单的移植，新的发电装置有各自独 特的工作特性，为适合这些特性，建立d c a c 变换器与新的供电装置的兼容性， 需要在原有的d c a c 变换技术基础上做出新的研究。 在新的发电技术中，燃料电池发电技术被认为是有希望继水力、火力、核一 能之后成为第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。特别是近年来，随着人一 们对能源的需求日益提高、传统化石能源日益枯竭、环境恶化等世界性问题日 益突出，作为一种清洁、高效的替代能源装置，燃料电池发电技术日益成为研 究的热点1 1 。 燃料电池能够直接把燃料的化学能转化为电能，与传统的火力发电相比， 燃料电池具有：能量转换效率高、环境兼容性好、设备可靠性高等显著的优点。 燃料电池是一种电化学装置。与传统的电池如铅酸电池、锌镍电池一样， 燃料电池输出的是直流电能并且输出电压特性较软，因此，燃料电池直接连接 负载的使用场合很少。因为生产、生活中的大多数用电设备使用的是交流电能， 公共电网的电能传输也大多采用交流电的形式，所以燃料电池往往是通过 d c a c 变换器把燃料电池输出的直流电能变换为符合负载使用电压等级要求 的交流叫2 1 。 同济大学硕士学位论文宽电压逆变器的设计与研究 1 2 逆变器的数字控制技术 随着数字信号处理( d s p ) 技术的成熟和普遍，新一代的数字信号处理器 ( d s p ) 采用哈佛结构、流水线操作，即程序、数据存储器彼此相互独立，在每一 时钟周期中能完成取址、译码、读数据以及执行指令等多个操作，从而大大减 少指令执行周期。另外，由于其特有的寄存器结构，功能强大的寻址方式，灵 活的指令系统及其强大的浮点运算能力，使得d s p 不仅运算能力较单片机有了 较大地提高，而且在该处理器上更容易实现高级语言。正是由于其特殊的结构 设计和超强的数据运算能力，使得d s p 能用软件实现以前需用硬件才能实现的 功能【3 】，也同样使数字信号处理中的一些理论和算法可以实时实现。 数字控制由于其控制理论与实施手段的不断完善，且因为其具有高度集成 化控制电路、精确的控制精度、以及稳定的工作性能，如今己成为功率电子学 的一个重要研究方向，而且数字控制也是最终实现电源模块化、集成化、数字 化、绿色化的有效手段。高速数字信号处理器( d s p ) 的发展，正弦波逆变器的 控制技术方案也由传统的模拟控制向现代数字化控制的方向发展【4 】。采用数字 化控制，不仅可以大大降低控制电路的复杂程度，提高电源设计和制造的灵活 性，而且可以采用更先进的控制方法，从而提高逆变电源系统输出波形的质量 和可靠性。 1 数字控制可以简化硬件电路，解决模拟控制元器件老化和温漂带来的问 题，具有很强的抗干扰能力。模拟控制器的稳定性能依赖于所选用元件的稳定 性。但是模拟元件的参数容易随环境和温度的变化而变化，如电阻、电容等都 有一定的温度系数，所以模拟控制的稳定性很差。数字控制用数字来表示控制 量，这样就可以很大程度上提高系统的稳定性和可靠性。 2 易实现复杂的非线性控制策略，提高控制系统的性能。由于开关器件的 存在，电力电子中的各种变换器一般是非线性系统。传统的模拟控制只是在变 换器的近似线性模型的基础上利用频域分析法设计补偿网络。这种设计方法虽 然具有设计简单、实现容易等优点，但一般很难提高系统的控制性能。数字控 制可以根据非线性模型来实现各种非线性控制策略，如自适应控制、模糊控制 等。这样就可以大大提高控制系统的性能。 3 通用性强，可以在几乎不改变硬件的情况下，通过修改软件来实现不同 的控制算法或提高系统的性能，易于实现大规模产品生产。 4 采用数字控制可以更好地与信息化接轨，使电源系统的操作使用界面更 加人性化，可以给用户提供更完整的操作和历史数据，还能实现输出电压调节、 电压保护、电流保护、功率保护、故障监测等功能使得电源具有“智能化 。 5 最终实现电源模块化、集成化、绿色化。由于受a d 转换和芯片运算速 2 第1 章绪论 度的限制，尽管目前d s p 微处理器的速度已提高了1 0 倍以上，但是数字控制技 术的直接应用仍然多数局限于电动机控制，这是因为电动机负载的变化通常与 机械运动时间常数在同一数量级上，而逆变器对响应速度的要求则通常要快得 多 5 1 。鉴于目前数字控制芯片的运算速度，逆变器若完全采用数字控制，因此 而造成的延迟时间在高频开关下将变得不可忽略，可能导致畸变。数字控制技 术虽然在逆变器的瞬时控制上，目前还不能完全替代模拟控制技术，但将数字 控制与模拟控制有效地结合在一起，能在很大程度上简化控制，提高可靠性， 将使控制日臻完美。 1 3 本课题研究的意义和主要研究内容 目前，燃料电池发电及其应用技术还处于发展阶段。但是，据国际能源界 预测，燃料电池是2 l 世纪最有吸引力的发电方法之一。我国是人均能源资源相 对贫乏的发展中国家，石油储量是世界的2 ，消费量是世界第二，进口依赖度 近4 0 ，二氧化硫和二氧化碳的排放量则分居世界第一和第二位。因此，我国 发展能源的多元化、可持续性、环境兼容性，降低能源的进口依赖度，发展更托 可靠的备用发电装置具有现实的和深远的战略意义。燃料电池发电及其应用技k 术是重要的解决方法之一。 小型固定式燃料电池电源系统( 又称为家用燃料电池电源系统) 的研究是 燃料电池应用技术的一个重要方面。小型固定式燃料电池电源系统可广泛应用一 于住居建筑、医院、宾馆、户外独立的电信设施。 ” 我国在小型燃料电池电源系统研究的落后局面固然有燃料电池价格昂贵和 我国经济、技术条件落后等制约因素的影响。但是，随着燃料电池发电技术的 研究的深入和发展，燃料电池的成本正逐步向商业化价格逼近，将在未来的十 数年内成为新的产业化和经济增长点。所以，从长远的角度看，我国必须大力 发展包括小型燃料电池电源系统在内的燃料电池应用技术研究，缩小与发达国 家的差距；掌握未来能源利用的核心技术，促进我国的可持续发展战略。燃料 电池应用技术的产业化、商品化研究对技术创新、形成高新技术产业、实现跨 越式发展、提高国际竞争能力都具有非常重要的意义。 本课题主要研究基于d s p 控制的宽电压逆变器在燃料电池系统中的应用。 分析了逆变器的工作原理、研究了d c a c 逆变器的主电路拓扑结构和控制方 法，同时在深入探讨宽电压逆变器主电路与控制系统的设计方法后，完成了基 于d s p 的宽电压逆变器控制系统的软硬件设计。 本课题的主要研究内容是： 3 鞠 霸 憾 叠 囊 4 第2 章宽电压逆变器的主电路研究 2 1 引言 第2 章宽电压逆变器的主电路研究 d c a c 变换器又称逆变器，是应用电力电子器件，将直流电变换为恒压、 恒频的交流电能，供交流负载用电或交流并网发电的一种静止变流装置。 d c a c 变换器按输出交流电压的波形可分为正弦波逆变和非正弦波逆 变。能够实现正弦输出电压的d c a c 变换器的基本拓扑结构有两种：半桥式 逆变( 图2 1 a ) 、全桥式逆变( 图2 1 b ) 。半桥式逆变对直流电压的利用率 只有全桥式的一半，所以，在直流输入为低电压的情况下宜采用全桥式逆变。 口b 图2 1 正弦d c a c 变换器基本拓扑电路 正弦d c a c 变换器的输出电压含有大量的高次谐波，为消除这些高次谐 波需要在d c a c 变换器与负载之间加入l c 滤波器。l c 滤波器是一个低通 滤波器，对高次谐波具有很强的衰减作用。 对于燃料电池发电系统，根据其功率变换级数可以分为两大类：一类是 单级系统，该类系统只通过一级功率变换产生交流电；一类是多级系统，该 类系统通过两级或多级功率变换产生交流电。 单级系统仅采用一级功率变换，电路结构简洁，使用功率器件少，效率 相对较高，但也存在以下一些问题： 1 要求燃料电池串联以提高输出电压，增加了成本。 2 燃料电池的电压输出范围变化较大，在选取功率器件时，需按照空载 电压选择，提高了对功率器件的要求，变化的直流电压也给逆变器的控制带 来难度。 3 对于单相燃料电池发电系统，燃料电池输出电流以两倍的系统输出电 流频率波动，使燃料电池使用寿命降低，使燃料电池不能被充分利用。 5 同济大学硕士学位论文宽电压逆变器的设计与研究 4 为了实现电气隔离，需在逆变器后增j h - v 频变压器，这就会给逆变器 带来体积、重量大及笨重和音频噪声大等缺点。 多级系统拥有两级以上的功率变换，通常采用前置d c d c 变换后接 d c a c 变换器，由于d c d c 的拓扑结构种类较多，所以多级结构的发电系 统的拓扑也较多，如需隔离，可以在d c d c 变换器这一级使用高频变压器， 这样避免了工频变压器，减小了系统的体积和重量。但是多级系统相对于单 级系统而言，变换次数多，所以元器件较多，降低了效率，增加了电路的复 杂性，这些都是使用多级系统时需要考虑的问题。 本课题研究的宽电压逆变器是应用于小型固定式燃料电池电源系统的。 小型固定式燃料电池电源系统是指功率在1 0 k w 以下单相交流电源系统。它 可作为居住建筑、医院、宾馆等场所的独立或备用供电装置。因此，要求变 换器的输出电压是单相2 2 0 v 标准正弦交流电压。 2 2 宽电压逆变器主电路拓扑 图2 2 是一个完整的宽电压逆变器系统的功能框图 1 0 , 1 2 】。燃料电池的输出 电压较低，而且由于极化作用，其输出电压稳定性差，电压变化范围较宽， 不能满足d c a c 变换器直流环节的电压要求，往往需要在燃料电池与d c a c 变换器之间设置d c d c 变换器。d c d c 变换器起到提升电压、稳定电压的 作用【7 】o d c d c 变换器 扔 厶， 燃料 + 一 全桥高频整流 千 d c f a c u x u a 滤波 电池 一 逆变变压器滤波 一 变换器 图2 2 燃料电池电源系统功能框图 本课题研究的目标是设计出一台配合燃料电池使用的宽电压逆变器，其 要求是：输出为工频5 0 h z 的2 2 0 v 正弦交流电压，输出功率为1 1 0 0 w 。根据 理论计算，d c a c 变换器直流侧的最低电压要求为2 2 0 2v ，即31 1 v 。事实 上，由于开关管压降、滤波器压降等因素的影响，并考虑为d c a c 变换器预 留一定的调节裕量，设定直流侧的电压为3 7 5 v 。考察生产厂商11 0 0 w 及相 近规格燃料电池的资料，燃料电池的输出电压均不大于5 0 v 。本文选取b a l l a r d 公司出产的n e x a 燃料电池作为本课题研究的对象。表2 1 是有关这款燃料电 6 第2 章宽电压逆变器的主电路研究 池的技术参数。 表2 1b a l l a r d n e x a 燃料电池的电气参数 燃料电池型号空载电压满载电压满载电流最大功率电池个数 ( v )( v )( a )( w ) n e x a4 2 22 6 24 51 2 0 04 8 满载时，n e x a 燃料电池的输出电压为2 6 2 v ；空载时，其输出电压也仅 为4 2 2 v 。显然有必要在燃料电池与d c a c 变换器之间设置具有升压功能的 d c d c 变换器。 根据以上分析，可以绘出宽电压逆变器系统的拓扑图( 图2 3 ) 。图中的 3 、4 、5 部分组成全桥d c d c 变换器，其作用是将燃料电池输出的4 2 2 v 2 6 2 v 电压变换为稳定的3 7 5 v 电压。根据计算，选择高频变压器的变比为1 ：1 8 。满 载时，d c d c 变换器的开关占空比约为d = 0 8 。 系统工作时，第7 部分正弦d c a c 变换器的输入电流含有大量的1 0 0 h z 的交流成分【2 2 j 。纹波电流对前置电路以及燃料电池的工作会造成影响。有研 究表明，频率低于1 2 0 h z 幅值超过平均电流4 的波动电流会对燃料电池造 成使用寿命缩短、输出功率降低等损害。因此，电源系统的设计必须考虑对 1 0 0 h z 纹波电流的抑制。 电池2 滤波3 搿壤逆变4 h f 变舷器5 虢j i l c6 滤波r 刊暖逆变8 滤波码负载 r限! l l 毒车 g 庐拳r j - xzi _ 鞘 i ：k 燃 辩一_ 一 啦 c 蚤2nr e 江= 浊- u i ijk2l i i ii i l i 图2 3 燃料电池电源系统拓扑图 本章研究的重点是图2 3 中的2 、6 、7 、8 部分。第2 部分是d c d c 变 换器的输入滤波器，其作用是为d c d c 变换器提供稳定的直流电压。第6 部 分l c 低通滤波器，其作用是双重的：一是作为d c d c 变换器的输出滤波器， 滤除输出电压中的高频谐波，二是作为d c a c 变换器输入滤波器为d c a c 变换器提供稳定的直流电压，降低d c a c 变换器产生的纹波电流对前端电路 的影响。第7 部分是全桥d c a c 变换器，其作用是将直流电压变换为基波频 率为5 0 h z 脉宽调制电压。第8 部分是输出滤波器，其作用是滤除d c a c 变 7 灞 强 ：强 固 i d 6 = 0 ，输出电压甜训= k u 弦。当d c d c 变换器的t 2 和t 3 开关管导通时， 变压器一次侧的电压“硎= - u 丘，电流为k ，= 一f 。埘k ，二次侧整流管d 6 、 d 7 导通，d 5 、d 8 关断，d 5 、d 6 的电流分别为如5 = 0 ，如6 = i 。，输出 电压“。= k u 舡。当d c d c 变换器的四个开关管均关断时，变压器一次侧的 电压、电流均为零，二次侧整流管均导通，电流为如，= 如。= i 。2 。电压“硎、 8 第2 章宽电压逆变器的主电路研究 “训以及电流i d 5 、i d 6 、i r r l 的波形分别如图2 5 d 、e 、j 、k 、l 所示。d c d c 变换器的输入电流为i 如= i i r r 。i ，波形如图2 5 m 所示。滤除高频载波谐波后的 输入电流乇= d k o ，其波形如图2 5 n 所示；滤除高频载波谐波后的输出 电压“二= d k u 加，其波形如图2 5 f 所示。 比较d c d c 变换器滤除高频载波谐波后的输入电压、电流与输出电压、 电流的关系，工作在稳态时的d c d c 变换器对直流分量和低频交流分量的等 效作用，可用一个如图2 6 所示的具用变压器性质的二端口网络来表示。二端 口网络的特性用t 参数描述为： f u t ：_ 1 d 后 o u ： ( 2 1 ) 【，ljl 0 一d 后- jl z 2 j d j j d 酥 d 艇珏 o d 舣压 d l ”等 l1 1 1 1 1 1 1 1 1 111 1 1 11 1 1 1 1i 0 1 1111 1111 1 0 i i i h i i 10 一 d 材 图2 5d c d c 变换器电压、i 电流波形图 9 为保证d c d c 变换器良好的工作性能，设计要求低频l o o h z 交流分量产 1 0 第2 章宽电压逆变器的主电路研究 生的电压纹波系数不超过0 9 。计算l o o h z 交流分量产生的电压波动，可以 采用如图2 t o 的等效电路，电路中的r ，1 0 0 及c ，0 0 表示燃料电池的1 0 0 h z 交 流等效电路。1 0 0 h z 电流产生的电压纹波系数为： y 2 瓦a u u 砌21 2 k d _ i l a c 1 0 0 ：q ：q 兰兰笪| 竺：! 竺二竺竺生竺垒! i 1 0 喘w o o 9 。y o ， =一l1-一il u usu y 2 6 2 | 【0 _ 1 3 3 4 一j o 0 3 4 3 3 ) + 弘c 。i 解算上面的不等式，得： x c 。- 2 5 ( q ) 则： l2 一l 缈2 彳。6 4 0 z f 设计选取c 尼，= l o o o # f 的电解电容。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) b ) c ) 图2 7 滤波电容计算等效电路 d c d c 变换器的输入电流中的高频谐波是和d c d c 变换器的开关频率 有关的。其波形是如图2 5 m 所示的脉冲电流。普通的电解电容对滤除如此高 频的电流谐波不起作用，需要采用高频无感电容器来抑制脉冲电流造成的电 压波动，因此对高频谐波的滤波电容需要单独计算。对于高频谐波，燃料电 池和电解电容均呈高阻性，可认为是断路的。计算高频谐波电流作用的电路 可简化为如图2 7 c 的等效电路。为达到良好的工作性能，要求高频谐波造成 的电压波动小于1 0 。设高频滤波电容为c 弗j ，滤波电容的电压变化与电流 具有以下关系： a u = i c 2 a t c 扣2 ( 2 7 ) 其中i c 2 = l i n a v g i 矿为滤波电容的电流，数值上等于d c d c 变换器输入 电流瞬时值i 胁与平均电流值嘈的差值，那么高频电压波动应满足： 硼 巍 羹 懿 _ 警 餐 镧 同济大学硕士学位论文宽电压逆变器的设计与研究 丝：! ! ：竺1 0 一= 一 甜弦c 弦2 。“声 ( 2 8 ) 即c 珐，1 0 量坐 ( 2 9 ) 。 甜启 当系统工作在满功率输出的时候，t ：的最大值为忿玎础= 4 5 a ， a t = o 5 0 一d 皿= 2 p s ( 设d c d c 的载波频率为5 0 k h z ) ，“缸= 2 6 2 v 。将 上述数值代入公式( 2 9 ) ，即得到滤波电容的最小值c 尼：= 3 4 4 胪。设计选 取c 尼2 = 4 0 p f 。 根据以上的分析及计算，最终设计的d c d c 变换器输入滤波器由两种电 容器组成：1 0 0 0 i - t f 的电解电容和4 0 心的无感电容。如图2 8 所示。 图2 8d c d c 变换器输入滤波器 2 3 3d c d c 变换器输出滤波器 d c d c 变换器输出滤波器兼有d c a c 变换器输入滤波器的功能。滤波 器电感的选取按输出功率为2 0 0 w 的情况下，电感不断流的要求选取。滤波 电容配合d c a c 变换器直流电压波动的要求选取。 输出功率为2 0 0 w 时，燃料电池的输出电压为3 9 4 v ，输出电流为5 0 8 a 负载下，占空比为d = 0 5 2 9 ，d c d c 变换器输出电流平均值为i 纠f 0 5 3 4 a ， 保持电感电流不断流的电感值最小要求为： 三。：坐：( 1 - d ) u 训：6 6 汹) ( 2 1 0 ) a 。嗜， 、。 2 4d c a c 变换器主电路元件参数及运行参数 d c a c 变换器的工作性能不但和主电路元件参数如开关器件的类型、输 入输出滤波器的参数有着紧密的关系，而且还和变换器的运行参数如正弦波 信号的调制方法、死区时间、开关频率等因素也有密不可分的关系。其实， d c a c 变换器主电路的元件参数选择与运行参数的选择也是彼此关联、相互 1 2 第2 章宽电压逆变器的主电路研究 影响的。不能把它们分割开来做单独的分析。下文将以如图2 9 所示的d c a c 变换器主电路进行分析。 g 图2 9d c a c 变换器主电路拓扑 2 4 1d c a c 变换器的开关器件 开关器件是d c a c 变换器的基础。开关器件有很多种，诸如g t o ( 门 极可关断晶闸管) 、g t r ( 电力晶体管) 、m o s e f t ( 电力场效应晶体管) 、 i g b t ( 绝缘栅极双极晶体管) 等r 7 1 。各种开关器件均有优缺点。相比而言， i g b t 开关频率较高，能承受较大的电压和电流，是较为常用的开关器件。 i g b t 是一种电压控制的复合型全控开关器件。开关控制驱动电路也比较简 单。 根据主电路的额定电压和电流，本文选择的i g b t 的型号规格是 尘 c t a m 6 0 1 8 c 。表2 2 a 及2 2 b 列出了i g b t 的特性参数。 静 表2 2 ac t a m 6 0 1 8 c 特性参数( 1 ) p 翻啊孵蝴舡蟮 s y m b o lr n l i n 氍懈 c o n a i t i o r m 妇鼬嘲谨砖嘲鼬静城罐鸳e1 恼 9 vv 艇= 0 v 翔曲旧棚黻雕碱蛾嘲睁蚰 蝴dv 、，= o v 融鞠敝锈嘲扣饼姗钱瞧明e诋蝴 v v 扭= o 、， c o 鼬执幻ra 糠阳瞰 l c a e 嘲b 蛹断c t m t m l ( p u l s e )| c ：赫 1 细a e 嚣i 踟ra 肺嘲l e4 0a m 锄啦咖p 觥盘蛹昝蜘&瑚 wt c ：2 1 尹c 妇l c l i 雕t 均翱静蛐牟基曰 一4 0 t o 卅5 0o c 嗣掰巡搀搪m 掰稍赧丁藿睡 一柏如+ 1 5 do c 1 3 蠹 嗣 同济大学硕士学位论文宽电压逆变器的设计与研究 表2 2 bg t 6 0 m 3 0 3 特性参数( 2 ) p a m e r m l e r s y m b o l 黼i n t y p 。 m a x u 张过t e s tc o n d i t i o n s v t e e o e 器 1 0 踟哗 v l c ： 嗽。v 篮= 0 v 剃 o 酬商国苷电糯fb r e a k a o w nv o b o e c o l l e c l o r - e m i t t e rl e a k a g ec m r e n tk1m a = 9 0 0 v 镬= 0 v l e a k a g ec 噶删i m p s ：t 0 5 蚺v r = e = 堙o vv c e = o v g 躐争鞠嘲蜘管t h m s t m l dv t m a g e v c , e e e m 2 04 d8 dv i c = 6 m a 。 i c e = 1 0 r c o b e c c o r 椭s a t u c a t k 翔v o l t a g ev 翻 2 - o2 7v l c = 6 0a v c e = 牾v i n i p o tc a p a d t a n c e c i s s5 攒彤p f 睡= 2 5 彰锰= 0 鲜 o u l p u t 菇毋甜壤撇 c o s s 气2 5 p f f = 1 m h z r e v m 麴b m m f e rc a p a a i t a n c ec r s s8 5 p f t u r n - o nd e l a yt i m e 乜扫瓣 q 弱 v , sl c = 6 0 丸r e s i s t i v el o a d s r i s e 萎融e t 覆1 2 p s v c c = 3 0 0 v ，v 能= 1 5v i t m n - o e d e 糙yt i m e 乜嘲 a 3 0 泌 r g = 1 0 n r 捕t i m e 缸 o 2 5 | | s t 潮l o s s日翻l0 61 由 m d t p i sb = 6 0 a 可= 1 2 5 。c , 删= 2 0 d v t l j s ， t a i lc u r r e n t耘剐61 2a8 融g i e d e v i c ev o l t a g e r e s o n a n c ec i r c u i t e 隅激蝤和0 嘲陌姗v o y a g e魄c 3v l e = 6 0 av 髓：o v d m d e 糟v 醑s e 饱糟球a m e o - 52 婶l e = 鳓a d i f d t = 2 0 n p s t h e r m a lr e s = i s t a n c et i 刚 r t h ( 1 - c ) 0 6 2 5o ( 2 删j u 眦i 轴稚t oc a 始 1 1 帕m 瞄r e s i s t a r r c e e r 瓠o - c ) 4 m o c 礤撑 j u n c 幅o bt oe a 辩 2 4 2 死区时间的设定及死区效应分析 i g b t 并非理想开关，其开通和关断都需要一个过程。如图2 1 0 所示， 开通过程包括乞沏1 ( 开通延迟时间) 、( 电流上升时间) 、t v 。( m o s f e t 单独工作时的电压下降时间) 、t 舯( m o s f e t 与p n p 两器件同时工作时的 电压下降时间) 4 个时间之和。关断时间也包括乞f 。们 ( 关断延迟时间) 、 ( 电压上升时间) 、t 掰( m o s f e t 电流下降时间) 、t 甜，( p n p 管电流下降 时间) 4 个时间之和【2 1 1 。 上述8 个时间在实际应用中通常只给出4 个时间：t 。( 开通时间) 、t r ( 上 升时间) 、o ( 关断时间) 和t f ( 下降时间) 。其中t o = t a 渤) + 锄，t ，= t l + 0 2 。 为使同一桥臂的上下开关管不致同时导通，由图2 1 0 可看出，死区时间乙 应满足条件： t 出t 够+ f ，一t 吖。j ( 2 11 ) 由于一般i g b t 生产商的资料中并不具体给出t d ( 训参数，而是只给出0 参 数，另外考虑一定的冗余量，设定死区的时间为： t m = t 够+ f ， ( 2 1 2 ) 查表2 2 b ，可以得到。够= 0 3 u s ，t ，= 0 2 5 u s 。由公式( 2 1 2 ) 得到死区 时间为：t 出= 0 5 5 z ，。 1 4 图2 1 0i g b t 开通、关断的动态特性示意图 开关死区的存在会给上，d 。r y ，。 。r 、变换器带来基波电压损失、波形畸变等不利 的影响。这种由死区引起的不利影响称为死区效应。死区效应与调制方式有 关，下面以双极性s p w m 为例分析死区时间对输出电压的影响。 理想的双极性s p w m 同一桥臂上、下开关管开通与关断的指令信号是绝 对互补的( 图2 1 1 b 、c ) 。加入死区后，实际的指令信号与理想的指令信号 就有了宽度等于死区时间的误差。死区时间可设置在脉冲的上升沿也可以设 置在脉冲的下降沿。这里所分析的死区时间是设置在双极性s p w m 波的上升 沿的( 图2 1l d 、e ) 。为便于分析，忽略开关器件在开通和关断的暂态过渡 过程，而把开关器件的开通和关断看作是有延迟的阶跃信号。开关器件的实 际开通延迟于开通指令信号的时间为t 。，开关器件的实际关断延迟于关断指 令信号的时间为f 。矿( 图2 1l f ) 。t 。、t o r t 分别为上文提到的开关器件开通时 间和关断时间。 1 5 蠹 】【- 鼍 ， 薏 薯 同济大学硕士学位论文宽电压逆变器的设计与研究 理想输出电压 s 1 ，s 4 理想指令信号 s 2 ，s 3 理想指令信号