直流逆变器设计

武汉理工大学能力拓展训练说明书3KVA三相逆变器设计1 概述 现代工业、交通运输、军事装备、尖端科学的进步以及人类生活质量和生存环境的改善，都依赖于高品质的电能，据统计70%的电能都是经过变换后才使用，而随着科技的发展，需要变换的比例将会进一步提高。电力电子技术为电力工业的发展和电力应用的改善提供了先进技术，它的核心是电能形式的变换和控制，并通过电力电子装置实现其应用。电力电子装置是以满足用电要求为目标，以电力半导体器件为核心，通过合理的电路拓扑和控制方式，采用相关的应用技术对电能实现变换和控制的装置。逆变器和直流斩波电路是应用很广的一种电力电子装置或技术。 直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter）直流斩波电路（DC Chopper）一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况；直流斩波电路的种类很多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。 逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳能、风力发电中的一个重要部件。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变技术也从通过直流电动机交流发电机的旋转方式，发展到晶闸管逆变技术，而今的逆变技术多采用了MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT 等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模 拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器（DSP）控制。各种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用领域也达到了前所未有的广阔，从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站；从日常生活的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备，都少不了逆变电源。毋庸置疑，随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。 PWM控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）；面积等效原理是 PWM技术的重要基础理论。一种典型的PWM控制波形SPWM脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形称为SPWM波。SPWM法是一种比较成熟的也是目前使用较广泛的PWM法。在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM 法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电 路输出电压的频率和幅值。 本文通过详细讲述每个部分的工作原理、元件选择、电路构造和参数选择，设计出三相逆变器所需的升压电路、主电路、反馈与控制电路、PWM生成电路、触发电路和滤波电路，完整的阐述了一个三相逆变器的设计方法和过程。2 方案论证2.1 设计任务与要求条件：输入直流电压：110V。要求完成的主要任务: 设计容量为3KVA的三相逆变器，要求达到：1）输出380V，频率50Hz三相交流电2）完成总电路设计3）完成电路中各元件的参数计算2.2 设计任务分析 由于输入直流电压只有110V，而输出交流电压要求有效值为380V，所以必须通过升压电路将直流电压升到到一定值才能作为逆变器的输入电压。逆变器的核心是半导体开关器件，不同拓扑的逆变电路有不同的优缺点和应用领域。半导体开关器件需要触发信号才能导通，要使逆变器输出正弦波形，则需要特殊的触发电路对开关器件进行调制。逆变器输出带有高次谐波，需要滤波电路对谐波进行。在进行仿真前，需对上述电路模块进行比较论证和选择。2.3各模块方案选择2.3.1 升压电路选择 1）方案1：采用变压器直接对直流电压进行升压。 2）方案2：采用boost直流斩波升压电路通过改变占空比对直流电压进行调节升压。 考虑到实际变压器变比不可调或者调节范围很小，不利于逆变器输出的调节，而boost电路通过调节开关器件的导通占空比可以灵活方便的调节输出电压的大小，从实际出发和从方便性出发，最终选择了boost电路作为升压电路。2.3.2 逆变电路选择 逆变器按照输出的相数分，有单相、三相两种；按电路拓扑分，有半桥式、全桥式和推挽式。鉴于全桥结构的控制方式比较灵活，所以选择三相全桥电路作为逆变器主电路。2.3.3逆变器触发电路选择 目前，逆变器广泛采用PWM脉宽调制技术实现对输出电压的控制。PWM技术主要体现在两个方面，一是控制策略，二是实现的手段。调制方式主要有直流脉宽调制和正弦波脉宽调制两种方式。直流脉宽输出的是方波，波形畸变严重，所以不适合；正弦波脉宽调制输出波形只含高次谐波，可以大大减小滤波器的体积。所以最终选择正弦波脉宽调制，即SPWM技术。2.3.4滤波电路选择 由于设计任务对波形畸变率没有特殊的要求，可以采用最普通的LC滤波电路作为逆变输出的滤波电路。2.3.5总电路的控制方式 为了使输出电压波形稳定且可调，采用闭环控制方式，检查输出电压反馈到输入作为比较控制。3 电路原理及设计3.1 升压斩波电路升压斩波电路如下图3.1所示。假设L值、C值很大，V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为。V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为，则此期间电感L释放能量为，稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等，即 化简得 输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路，也称之为boost变换器。T与的比值为升压比，将升压比的倒数记作，则 故升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因 ：L储能之后具有使电压泵升的作用，并且电容C可将输出电压保持住。图3.1 升压斩波电路原理图3.2 主电路原理图逆变电源采用图3.2所示主电路。首先采用升压斩波电路将110KV直流电压升高到400KV，因为对输出波形的要求不是很高，与负载并联的电容C取很大就可以达到滤波的目的。开关管T1T6是IGBT，构成三相逆变桥。关断缓冲由电阻R、电容C和二极管D并联网络组成；C0折算到变压器TM的原边后与L2一起构成交流输出滤波电路；变压器用作电路隔离和升压。图3.2三相逆变器主电路原理图3.3 SPWM控制系统 图3.3 三相SPWM控制系统框图三相脉冲形成可采用上述介绍的SPWM控制方法，控制系统框图如3.2所示。下面介绍SPWM生成的各电路部分。3.3.1数字分频电路图2-3是数字分频电路，Y是石英晶体振荡器，它有稳定的震荡频率，频率稳定度可以达到万分之一。该电路选用震荡频率1.8432MHz的晶振，它和R1、C1、C2组成频率信号产生的电路，得到1.8432MHz频率信号，再经过数字电路CD4017、CD4040处理，输出两路频率信号。CD4017是十进制计数器，第7脚的Q3计数端引至第15脚的复位端可以实现3分频。CD4040是串行二进制计数器，9脚Q1可以得到2分频，2脚的Q6可以得到2的6次方既64分频。1.8432MHz的频率，分频后三角波频率为9.6kHz，标准正弦的扫描频率为102.3kHz。图3.4 数字分频电路3.3.2 标准正弦波形成电路 标准正弦波的长生是利用数字电路实现的，电路原理如图3.5所示。在EPROM中存放的数据（十六进制）是这样得到的；将一个周期的单位正弦波分成N等份，每一点的数据在计算机上事先离散计算好在存放进去。由于写入的数据只能是正值，单位正弦波是和图中Uref的波形一致，幅值为1的正弦波。本例中将一个周期的正弦波分成N=2048份。 正弦扫描频率引入数字电路CD4040，CD4040的输出是一组地址扫描信号送到EPROM的地址线上，EPROM2732中存放的数据便依次送到D/A转换器DAC0832，DAC0832将这些数据转换成断续的模拟信号，经过一个小电容C1（0.1uf以内）滤波，得到连续模拟信号Uref，峰峰值由IO1端引入的给定电压Uc决定，电路中Uc来自调节器的输出。经运放LF365处理，可以获得正负对称、幅值为Uc的标准正弦波SINE。图3.5 标准正弦波形成电路 要产生的标准正弦波的频率f1=50Hz，那么扫描频率应该为：，和前面分频电路得到的频率一致。正弦波的频率由稳定度相当高的晶振分频得到，故正弦波的波形畸变率很低；正弦波的幅值受控于给定电压。因此，该电路是一个高精度的正弦发生器。 上述电路具有通用性，对一个已经写好数据的EPROM，若改变正弦扫描频率，可以改变标准正弦波频率；若改变EPROM中的数据，可实现不同的PWM调制策略，如梯形波调制，注入特定次谐波；若再增加两套电路，在3个EPROM中存放相位互差120的数据，就可实现三相SPWM控制。3.3.3三角波形成电路分频电路提供了三角波频率信号，即为9.6kHz的脉冲信号，应用隔直、比例和积分电路即可得到幅值适当，正负对称的三角波，其频率为9.6kHz。3.3.4 SPWM形成电路本装置SPWM形成电路如图3.6所示，正弦波信号SINE和三角载波信号TR来自前级电路；TL084是运算放大器，一TR由它接成的反向器得到。电路中大量使用了芯片LM311，它是DIP8封装的快速电压比较器，不仅可以作为比较器，还可以利用他的特点做脉冲封锁。下面介绍它的应用：8脚、4脚分别接芯片电源的正、负端；2脚、3脚分别是同向、反向输入；1脚是低电平设定（可接电源负或地），它的电压值决定了LM311输出的低电平值；7脚为输出端，逻辑判断为“高电平”时，集电极开路（OC门特性），因此，7脚必须有上拉电阻同正电源连接，否则，没有高电平输出，图中的R1、R2、R3、R4等都是上拉电阻；5、6脚用来调节输入平衡（可不用），6脚还可以用作选通，如果LM311的6脚接低电平。其输出恒为高电平，这个特点往往用来设置脉冲封锁。 该系统设置PWM信号低电平有效，即PWM信号为低电平时，驱动电路产生驱动脉冲，IGBT导通。Lock为保护电路输出的脉冲封锁信号；在电路出现故障时，lock的低电平送到后级各个LM311的6脚，使所有PWM为高电平封锁驱动脉冲。如果不利用LM311封锁驱动，也可以设置PWM高电平有效，取消后级的LM311。图3.6 SPWM波形成电路图3.6中R1R4，C1C4和Rp还组成了死区形成电路，参数大小决定死区时间，Rp可以调节死区大小；IGBT的开关时间为2us左右，死区时间设为4us。 该装置采用了一种数模结合的SPWM控制电路，其框图如图2所示，它由数字分频电路、三角波形成电路、调节器、标准正弦波控制电路及PWM形成电路等组成。系统的电压调节是为了稳定电压，电流调节是为了限制输出电流。电源的正弦输出畸变率小于5%，要求不是太高，逆变器的输出功率1kW也不大。因此，系统仅采用电压平均值闭环控制，稳定输出电压，对输出波形采用开环控制，即直接将幅值受控的标准正弦波和三角波比较。 在3片EPROM内写入3个相差120的正弦波数据，经过数模转换后，形成3个互差120的正弦波。它们同一三角载波比较，便可得到三相SPWM控制脉冲分别驱动3个桥臂。3.4 驱动电路 IGBT的驱动电路型号很多，IR21系列是国际整流器公司退出的高压驱动器，一片IR2013课直接驱动中小容量的6支场控开关管，并且只需要一路控制电源。IR2013是28引脚双列直插式集成电路，应用方法如图3.15.HIN1、HIN2、HIN3为3个高侧输入端，LIN1、LIN2、LIN3为3路低侧输入端，HO1、VS1、HO2、VS2、HO3、VS3为3路高侧输出端，LO1、LO2、LO3为3路低侧输出端，Vss为电源地，VSD为驱动地，VB1、VB2、VB3为3路高侧电源端，FALUT为故障输出端，ITRIP为电流比较器输入端，CAO为电流放大器输出端，CA为电流放大器反向输入端。图3.7 IR2130结构及应用电路采用IR2130作为驱动电路时，外围元件少，性价比明显提高。它的高压侧的3路驱动电源有Ucc采用自举电路得到。3支快速二极管的阴极电位是浮动的，因此，它的反向耐压值必须大于主电路的母线电压 峰值。IR2130最大正向驱动电流 250mA，反向峰值驱动电流 500mA；内部设有过流、过呀、欠压、逻辑识别保护；它的浮动电压做大不超过400V。3.5 控制器设计 当采用瞬时值内环反馈双环控制时，内环为瞬时值环，用来控制输出电压波形的正弦波，外环采用平均值控制，以保证电压的平均值与参考值一致。如果波形正弦度好，平均值和有效值一一对应关系。平均值外环的PI调节器输出控制正弦波幅值，幅值乘以单位正弦波后的信号为内环给定，与输出电压瞬时值比较经内环PI调节器输出正弦波调制信号，与三角载波比较后产生的PWM信号经过驱动电路控制逆变器的开关器件。图3.8瞬时值内环反馈双环控制3.6辅助电源在桥式逆变电路中，一个桥臂上下两管驱动电路的电源应各自独立，两个桥臂上的管无共地点下管可以共地。因此，驱动6管时，至少要有3路独立电源。采用单端反激式开关电源作为辅助电源提供3组20V电源和12V电源。3组20V电源分别作为6个IGBT的驱动模块电源，12V电源给控制系统的芯片供电。只要有直流输入，辅助电源就供电，控制系统就具备控制和保护能力。3.7总电路由此得到电路图如3.9。图3.9 总电路图4 系统元件有关参数的计算在电路中输入为110KV DC ，输出为380V AC 50 Hz，输出功率为，功率因数设为。调节升压电路的占空比使输出为400V，调制比为1，求得逆变器输出的基波电压有效值为。初步计算变压器的变压比为。则电路各元件选取如下：4.1 开关管和二极管的选择(1) 开关管的选择最大输出情况下，电流有效值为 开关管额定电流 开关管额定电压(2) 二极管的选择 额定电压 最大允许的均方根正向电流 二极管的额定电流为 4.2 L、C 滤波器的设计输出滤波器的作用是减小输出电压中的谐波，并保证基波电压输出。因滤波电容和负载并联，它可以补偿感性电流，但是，滤波电容过大，反而会增加变压器的负担。因此，在设计滤波电路的时候，首先确定滤波电容的值。设计基本原则就是在额定负载时，使容性电流补偿一半的感性电流。取C=25，选择500Hz、500V的交流电容。开关管的工作频率取7.2kHz逆变桥输出电压除基波外，还含有高次谐波，最低次谐波为次，而，得到 考虑到死区的影响，一般选取输出滤波器的谐振频率为最低谐振频率的1/51/10。取谐振频率为2kHz,算出 折算到原边，4.3 输出变压器选择 电源的输出功率为3KVA，频率。根据变压器选择手册可选择SD40*80*220mm的50Hz铁芯，查得变压器视在功率为3529VA 。本设计采用SD型铁芯，用冷轧取向硅钢薄板 DQ151-35材料，占空系数。求得磁芯截面积，若选取最大磁密. 1)副边绕组 逆变桥输出的SPWM波经过电感滤波后还是有一定的高频分量，一般取。根据变压器电压关系式可求得。取230匝。2） 原边绕组逆变器输出的基波电压理想值为282.84V。两只开关管的压降为4V左右，开关频率，死区设为，则死区引起的最大电压损失为基波电流在滤波电感上的压降为 漏感的阻抗压降一般为3%5%的基波电压，按12V估算，则变压器的原边电压变压器变比为，取300匝。小结 很难想象最终还是把这个拓展训练做下来了，因为中间过程是多么曲折。当我刚拿到设计任务的时候，乍一眼看我还觉得题目比较简单，就是一个DC-AC转换电路，然后我脑海中立马浮现出课本上学的逆变电路图，简单的六只开关管接成桥式电路然后接负载。后来当我真正开始付之行动时才发现实际做起来要比理论分析难很多。 做任何事都要先有计划。首先，我解决的第一个问题是方案问题，根据输入输出电压的差别，我决定先用一个升压电路将直流电压进行升压处理后才输入到逆变器，而逆变器主电路则采用我们学的最多的三相桥式电路。然后，我对各种模块电路进行了理论复习，记下每个电路需要哪些器件，以及各自的作用，在纸上画出了大概的模型图，以便设计时参考。 感觉这次拓展训练最难的地方是选择元件和计算参数，每个元件都有它的额定工作条件或范围，适当选择和使用才可以发挥出该原件最大的效益和作用，否则可能是电路工作不可靠或损坏元件。在计算变压器的型号、尺寸、铁芯材料、变比匝数时，花了很大气力。因为之前从来没学过这么细，很多内容相对比较陌生，只能对着书上的例子，再仔细浏览设计手册，一步一步的计算与选择。 此次三相pwm逆变器的设计中也存在一定的问题，发现了自己的很多不足之处，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还需要提高。专业设计是培养学生综合应用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题锻炼实际能力