外文翻译译文-准正弦波DC AC逆变电路设计

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 英 文 文 献 翻 译第 1 页 共 8 页准正弦波 DC/AC 逆变电路设计Wagdy R. Anis and Sadek Z. Girgis本文详细介绍了准正弦波 DC/AC 逆变电路的设计及实验结果。逆变器的设计标准是低成本、易维修、可靠性高，且具有很高效率。在该逆变器设计中所用的电子元器件，均为价廉易购器件，没有特殊组件的变压器或高成本的开关设备。由于设计方案中元器件的通用性，使得逆变器具有便于维护和维修周期短的特点，从而增加了逆变器的可靠性。该逆变电源具有过载保护、过热保护电路和欠电压保护电路。本文以功率为 500W 的逆变器建立模型，并进行设计，通过给逆变电源接线性电阻和感性负载，从两方面进行测试，其结果与理论值在误差范围内相一致，并测得其转换效率达到的 90%。1 变压器设计变压器设计取决于的准正弦波波形的阶梯数。由文献注释 1可知波形的正弦程度随着阶梯数的增加趋于规范。另一方面，阶梯数量的增加，会使使逆变器电路变得复杂，制作成本增加同时可能会降低其可靠性，因此必须从效率、成本和可靠性等方面综合考虑。如表 1 所示为不同的波形效率波形参数的值，包括（1）方波数量， ， （2）零电压的持续时间 f1；（3）最大电压的持续时间参数。表 1 还显示逆变器在不同情况下的开关器件的数量要求。很显然，他们的开关的数量是方波的两倍。由于逆变器的成本主要是电子开关和变压器，所以要尽量减少电力电子的开关，同时达到尽可能高的波形效率。从表 1 中可以看出，含有两个阶梯的阶梯正弦波效率可以超过 97。波形效率超过 97.28波形的参数为 m = 2、=4 和 fl= 1中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 英 文 文 献 翻 译第 2 页 共 8 页表 1 阶梯正弦波效率的波形参数（Nw 是逆变电路中开关管的数量）现在开始考虑变压器的设计。如图 1 所示，变压器的匝数比为N2：N1=1：1/2。 （1）这只是意味着变压器的这四个段匝数是相等的。变压器通常是指定电压的变压器，假设电池电压为 24 V，输出电压的有效值为 220V图 1 逆变电路框图根据上述要求来确定变压器的变比。当输出 220V 的正弦电压时，其峰值电压为的基波分量的峰值是 311V。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 英 文 文 献 翻 译第 3 页 共 8 页由于 V T1= 311 V，联立以上方程。 （2）和（3） ，解得，V1= 145.4 V。假设电池电压为 24 V，在原型中，所用的匝数比变压器是 Vs/Vb = 145.4/24 = 6.06 并且 2Vs/Vb= 2145.4/24 = 12.12。由于输出 220V 的有效值，抽头变压器可以被指定为 220 V/36-18-0-18-36V变压器的电流是由负载功率决定的。所设计原型负载功率为 500 W。因此，二次电流为 500/220 = 2.27当负载时线性电阻性负载的情况下。很明显，如果次级电流上升负载功率因数降低。为变压器的次级绕组的设计 4.5 A 的电流。将初级绕组是设计为 55 A。在该逆变器中使用的变压器，是一个标准的电源变压器，有相对较低的成本。变压器的成本是逆变电源重要的一部分，因此，降低变压器的成本就降低了逆变器的成本。许多逆变器采用环形变压器2。这些变压器是专门设计，因此，其成本也比较高。环形变压器一个特殊的 B-H 曲线压制在开关瞬间产生的尖峰。但是，可以看出，实验的标准电源变压器产生相当在开关瞬间尖峰相对较小的可以接受的结果。2 逻辑电路设计如图 2 所示的逆变器的输出电压波形，它的周期时间的波形 T0 是 14T。对于输出电压频率为 50Hz，可得到 T0=0.02ms 并且 T=1.43ms。由于该波形是由控制开关的开关顺序实现该波形，其控制顺序将如表 2 中。控制信号是获得的计数器从 0 计数到 13，如表 2 所示。图 2 电压输出波形（m=2，a=4）一个简单的技术来实现的开关顺序是使用二进制编码的十进制（BCD）计数器。 BCD 计数器计数从 0 到 9。因此，为了从 0 到 13 的两个级联的 BCD 计数器计算是必需的。第一计数器的输出被用作第二计数器的时钟信号。复位两个计中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 英 文 文 献 翻 译第 4 页 共 8 页数器的计数为 14，施加一个复位信号，通过以下方式获得。图 3 显示使用 CMOS柜台 CD 4017 计数器电路实施。该复位信号是通过运算数 4 的第一计数器和计数 1 第二个计数器，它对应于一个 14 时钟周期。需要注意的是计数 1 第二计数器对应于 10 个时钟周期。得到的时钟信号由方波发生器。方波的周期时间是1.43 毫秒对应的频率为 700 赫兹。有人可能会使用熟悉的 555 定时器电路产生的方波。然而，这种简单的电路具有稳定性差对温度。表 2 逆变器开关的开关顺序使用一个晶体振荡器来产生稳定的平方的波是一种替代的，更复杂的技术，其频率与温度无关的变化。晶体振荡器的频率通常是在兆赫兹的范围内。甚至可得更高的频率 700 赫兹，使用分频电路它由计数器电路。如果晶体振荡器为1.4 MHz，那么获得 700 赫兹划分晶体振荡器频率由 2000 年。由于该晶体振荡器产生正弦波，采用两个级联逆变器正弦波转换为方波，如在图表 4。该分频电路由 4 位 BCD 级联计数器 CD 4017。前三柜台划分的频率 10，而第四次反由2 分频。简单地通过 C 2，C3，C4、C5 来给 S1 施加的控制信号。即 S1=C2+C3+C4+C5 （4）化解得 S2=C1+C6 (5)中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 英 文 文 献 翻 译第 5 页 共 8 页图 3 器电路和相关联的波形3 电子电源开关电源开关设备可分为（1）晶闸管， （2）栅极可关断晶闸管（GTO） ， （3）功率 MOSFET（4）功率晶体管。晶闸管是逆变器中常用的开关器件，特别是在变频器有高功率转换的要求时。如文献 3,4。传统晶闸管可以很容易地烧毁，但他们的特性要求可以用于换向电路的使用3,4。该换向电路使逆变器电路更复杂的，因此逆变器的可靠性降低，当 GTO 晶闸管在其栅极施加一个负脉冲GTO 可以关断，解决了其电路转换问题的栅极，有必要提供一个负脉冲发生器电路。GTO 主要缺点是他们的成本相对较高。功率 MOSFET 电源开关几乎是理想的开关器件，因为它们的脉冲触发电路可以很容易在其栅极上切换，从实现对其通断的控制。该功率 MOSFET 的主要优势是，使得控制电路简单化，可以很容易地通过逻辑门驱动，而且减少能量的损耗。它相对于其他的电源开关，该功率 MOSFET 的主要缺点是其成本高。功率晶体管可以用作电源开关，他的导通是其基极有进入基极的电流，从而使三极管导通。基极电流为零时，晶体管处于关闭状态。该基极电流与负载电流成比例，因此，在高负载电流需要一相对高的基极电流，起到放大作用。由于逻辑电路供电能力有限，因此，不能通过逻辑电路驱动功率晶体管，功率晶体管总是要求驱动器电路，这是主要的缺点。另一方面来说，功率晶体管是相对低的成本和商业可用。通过上述讨论的结果，我们可以根据要求来确定使用 GTO 晶闸管或功率MOSFET。由于其相对成本高，尽管他们有明显的优势，也要权衡利弊。现在我们可以选择传统的可控硅或电源晶体管作为电源开关。对于大型逆变器由于其中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 英 文 文 献 翻 译第 6 页 共 8 页大电流能力建议使用功率晶体管。对于中小规模的电源电路既可以使用晶闸管或功率晶体管。决定取决于在市场上可用的和整体的电路简单，当需要晶闸管换向驱动电路的电源，并且具有需要触发电路时选择功率晶体管。图 4 功率管的驱动电路相同等级的晶闸管和功率晶体管的价格是具有可比性的，因此，经济因素不是主要选择依据。对于电路简单，用功率晶体管的驱动电路组成传统的晶体管，比晶闸管换流电路简单。这是之所以选择功率晶体管作为原型的电源开关的原因。电源开关的设计应符合下列条件：（1）电路简洁， （2）成本低，以及（3）在逻辑电路中具有低负荷。图 5 所示为功率晶体管 Q 和它的驱动电路，驱动电路由晶体管 Q1 和 Q2 组成。利用逻辑电路驱动 Q1，如果一个正脉冲被,Q1的基极，Q1 是导通并且其集电极电位降低变，Q2 和 Q 因没有基极偏置电压而截至。另一方面，如果 VB1= 0，Q1 是关闭的，而 Q2 和 Q 都饱和导通。当 Q 导通时，电阻器 R1 是用来吸收差异在电源电压 V 和 Q2 的基极发射极的饱和电压，因此功率开关管是由逻辑电路的信号来控制的。图 2 表示在实际模型中器件的商业规格和电阻器中使用的值。请注意，功率开关是从电源吸收的功率，因此，当 Q 为导通时，逻辑电路没有负载效应发生。这是因为 Q 是导通时，Q1 是关断的。该逻辑电路负载只是在 Q 关断时 Q1 的电流。Q1 的电流增益 hFE 选择足够大，所以对逻辑电路的负载效应最小化。4 保护电路3.1 电池电压低，当其电压下降低于某一规定值，启动保护电路，这样做是为了保护电池免遭重放电，延长电池寿命。在此条件下，在图 1 中的开关 S 被打开。3.2 过载保护，如果负载电流超过一个目标电平，从而使负载断，以这样的方中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 英 文 文 献 翻 译第 7 页 共 8 页式设计的原型，如果发生过载，负载被断开，它可能不会再次重新自动连接，除非手动激活。用这样设计，可以允许目视检查，进行监测以避免在负载上发生短路，给电源开关造成损坏。3.3 过热保护电源开关。在这种条件下的电池断开电路，如图 1 中开关管 S 是打开的。现在让我们详细讨论上述保护的设计电路。电池低电压保护功能是通过比较电池电压与预定值的电压。3.3 过热保护功能是通过一个热继电器实现的。热继电器被安装在散热片上的一个或多个功率晶体管中当温度超过指定值时，在图 9 中开关 S3 打开和 Vo2 变高（状态为“1” ） 。其结果，或门的输出为状态为高电位，状态为“1” 。或门的第二输入端表示的是电池的电压的状态。如果“或”门的输出是高。热继电器具有滞后特点，这意味着，热继电器打开开关 S 3 时，温度达到给定温度下，例如 T 1，并关闭再测，当温度下降到温度 T 2。 T 1 为大于 T2，其差值差 T 1 - T 2 是热继电器的滞后。电源的电压是由一个简单的电压调节器 7815 从数字控制电源获得，并提供 15V 的工作电压。从电池获得的 7815 提供 15 V 的数字控制电路，如图所示。图 3 过热保护电路5 实验结果逆变器电路经过内置内置测试，分别对线性电阻电阻和电感的负载进行调试。该电阻负载是一组常规灯具，功率分别为 25，60，75 和 100 W，电感性负载采用的是 75 W 电源风扇。结合负载使用的灯和风扇调查逆变器的性能。测得无负载条件下的功率损耗， 。这个功率损耗有两个组件的逻辑控制电路的功率损耗，及无负载变压器的损失。无负载功率是不管负载的固定损失，因此逆变器中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 英 文 文 献 翻 译第 8 页 共 8 页效率随着负载的增加而增加。很明显，总功率损耗随着负载的增加，因为电源开关中的功率损耗是与负载电流成正比。另外，变压器的铜损耗正比的负载电流。然而，负载功率（输出功率）之间的比值电池电源（输入功率）随着负载的增加而增加。在满负荷（425W 灯和 75 瓦的风扇）实测效率为 90.2。对于100 瓦负载测量的效率为 80。6 结论 在这项工作中提出详细的设计了 500 W 的 DC/ AC 逆变器。所有用于在逆变器中实现的组件是市售的和相对较低的成本。设计考虑的可靠性，成本，简单和高效率方面。内置的原型表明，所设计的逆变器可靠，便于维修，成本相对较低，高效。谐波含量的输出波形，是相当低的。保护变频器免受过载、过热和低电池电压。参考文献1 W.R. Anis, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 28 (1992