高效率DCAC逆变器设计

http://www.paper.edu.cn - 1 -高效率 DC/AC 逆变器设计杨磊武汉理工大学信息学院，武汉 (430074) E-mail: l.yang2007@163.com摘 要： 近年来逆变器技术得到了广泛的应用， 本文旨在完成一款高效率， 高品质的 12VDC蓄电池转 220VAC/50Hz 交流电的逆变电源设计。文中根据逆变原理，在分析对比了目前不同 DC/AC 逆变器拓扑结构特点的基础上，对逆变器进行了设计和实验研究，以期实现高效率 ,高品质的输出。在电路设计方面，采用了一种受 PWM 信号控制的新型 DC/DC 推挽正激升压电路； DC/AC 系统采用了以 SPWM 信号为控制信号， IGBT 为开关器件的全桥逆变结构；并采用了 PID 控制设计。通过实验结果证明，该设计具有优良的特性，能实现高品质的输出波形，且具有较高的逆变效率。关键词： 逆变器；调制技术； PID 控制器1. 引言近十年来，逆变电源因其性能优越而日益受到人们的关注，并广泛地应用于功率因数补偿、电能回馈、有源滤波等电力电子领域，特别在电力配网和车载系统中倍受青睐。逆变器是应用电力电子器件， 将直流电能变换为交流电能的一种静止变流装置， 完成此功能的电路则称为逆变电路，实现此过程的装置叫做逆变设备或逆变器。工频逆变器技术成熟，性能稳定，过载能力强，但体积庞大、笨重；高频逆变器是近五六年在市场上的新星，它技术指标优越、效率很高、尤其是体积小、重量轻、高功率密度，都是现代电力电子所倡导的， 现在业已抢占了中小功率逆变器一半以上的市场。 从技术发展和生产成本来看， 高频逆变器取代工频逆变器将是大势所趋。 本课题旨在研究一款满足工程应用的逆变电源。2. 逆变电源主电路研究2.1 DC/DC 拓扑图分析推挽正激式 DC/DC 变压器 [1]是在传统的推挽 Buck 型变换器中引入了箝位电容 cC 。设变压器初级匝数为 1 2n n= ， 变压器次级匝数为 3n ， 则变压器匝比为 3 1N n : n= ， 开关周期为sT ，每个开关管的导通时间为 ont ，功率开关占空比为 on sD t T= 。图 1 示出推挽正激式 DC/DC 变换器的拓扑结构。在一个 sT 内，推挽正激式 DC/DC 变换器可分为 8 个工作状态， 后 4 个工作状态与前 4 个相似， 故只分析电路上半工作周期分为4 个工作状态。图 1 推挽正激 DC/DC 变换器电路拓扑图 图 2 一个周期内的波形http://www.paper.edu.cn - 2 -（ 1）工作状态 1 [ 0t ～ 1t ]： 0t 时刻以前，初级电流在由 inU + ?? → 2N ?? → cC ?? →1N inU -?? → 构成的回路中环流， 负载电流流过整流二极管续流， 次级绕组短路。 在 0t 时刻，开关管 1VS 导通，输入电压 inU 、箝位电容 cC 上的电压cCu 分别加到初级绕组 1N 和 2N 上，其电流1Ni 和2Ni 迅速增加。（ 2）工作状态 2 [ 1t ～ 2t ]：在 1t 时刻， inU 和cCu 加在 1N 和 2N 上， 1Ni 和 2Ni 继续升高，输入电源向负载提供能量。 该状态下， 相当于两个正激电路并联工作。 到 2t 时刻， 1VS 断开，该状态结束。（ 3）工作状态 3 [ 2t ～ 3t ]：在 2t 时刻， 1VS 断开，由于1Ni > 2Ni ，使 2VS 的反向并联二极管导通， in 2U N+ ?? → ?? → 2VS 体二极管 inU -?? → 构成回路， cC ?? → 2VS 体二极管1N?? → 构成回路， 1Ni 和 2Ni 迅速下降。 1Ni ＝ 2Ni 时，由 2VS 的反向并联二极管构成的环流为零，反向并联二极管变为截止，该状态结束。（ 4）工作状态 4 [ 3t ～ 4t ]：在 3t 时刻， 1VS ， 2VS 均关断，初级次级绕组电压均为零，inU 向箝位电容充电，输入电流等于环流电流。负载电流由次级整流二极管续流。2.2 DC/AC 变换器稳态分析DC/AC 逆变技术 [2]的基本原理是通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能， 因此是一种电能变换装置。 由子是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高。图 3 为 DC/AC 全桥逆变拓扑结构。逆变桥稳态工作时，一个输出电压周期内共有 8 种高频开关工作状态。当 ABU 0> 、输出正向电压时的 4 种工作状态如图所示， ABU 0 ， Lfi 0> ，3gsVSU 1= 时： 4VS 和 7VS 开通， 5VS 和 6VS 截止，AB oU U= ， 直流母线电压为高， 电流流过 4 7VS VS?? → ?? → ?? →滤波电感 负载 ?? → 回到直流母线。此时， 4 只功率开关器件无需改变开关状态，均工作在低频状态。（ 2）状态 2 ABU 0> ， Lfi 0> ，3gsVSU 0= 时： 4VS 和 7VS 开通， 5VS 截止， 6VS 的体二极管导通续流，直流母线电压为零，一路电流流过 4VS ?? → 滤波电感 ?? → 负载 ?? →6VS 体二极管续流 ，一路流过 4VS ?? → 滤波电感 ?? → 7VS?? →负载 ?? → 回到直流母线。此时，功率开关器件开关状态不变，均工作在低频状态。（ 3）状态 3 ABU 0> ， Lfi 0 ， Lfi 0< ，3gsVSU 1= 时： 4VS 和 7VS 开通， 5VS 和 6VS 截止，直流母线电压为高，电流流过 4 7VS VS?? → ?? → ?? →滤波电感 负载 ，回馈能量给直流母线。 功率开关管 4VS 由于死区的存在为软开通， 5VS 为硬关断， 6VS 和 7VS 工作在低频状态。2.3 PID 控制研究无论哪种结构的逆变电源，要得到高质量的正弦波输出，都离不开逆变器的控制技术。在工业过程控制系统中， 广泛使用 PID 控制器 [3]。 因为 PID 控制容易兼顾控制系统的稳态性能和动态性能。而且算法简单、易于实现、鲁棒性好、可靠性高，已经成为迄今为止最通用的控制方法。如图 4 为逆变器的 PID 控制系统框图。图 4 逆变器的 PID 控制系统框图PID 控制器各校正环节的作用如下：（ 1）比例环节：代表了当前的信息，及时成比例地反映控制系统的偏差信号 e(t) ，偏差一旦产生， 控制器立即产生控制作用， 以减少偏差， 起校正偏差的作用， 使过程反应迅速。（ 2）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率） ，代表了将来的信息，具有超前控制作用。在过程开始时强迫过程加速进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。（ 3）积分环节：代表了过去积累的信息，可以提高系统的型别（无差度） ，以消除或减小稳态误差，改善系统的稳态性能。频域分析角度看， PID 控制器就是一个滞后 — 超前控制器的特例，影响高频段的 PD 控制作用不仅增大相位超前角并改善系统稳定性， 而且也增大了系统的带宽 （因而响应速度增快） ， PD 控制器与相位超前补偿器起着类似的作用。 PI 控制作用影响低频段，增大低频增益并改善静态精度， PI 控制器的作用如同相位滞后补偿器。 PID 控制作用是 PI 和 PD 控制作用的结合。3. 逆变电源系统设计3.1 PWM 控制信号发生电路设计一般单片集成 PWM 控制器的电路及其相应的波形如图 5 和图 6 所示。 对被控电压 0U 进行检测所得反馈电压 f 0U KU= 加至运放的同相输入端，一个固定的参考电压 RU 加至运算放大器的反相输入端。放大后输出直流误差电压 eU 加至比较器的反相输入端，由一固定频率振荡器产生锯齿波信号 ssU 加至比较器的同相输入端。比较器输出一方波信号，此方波信号的占空比随着误差电压 eU 变化，如图中虚线所示，这样就实现了脉宽调制 [4]。对于单管http://www.paper.edu.cn - 4 -变换器， 比较器输出的 PWM 信号就可作为控制功率开关管的通断信号。 对于推挽或桥式功率电路，则应将 PWM 信号分为两组信号，也就是分相。分相电路由触发器及两个 “ 与 ” 门组成，触发器的时钟信号对应于锯齿波的下降沿。 A 和 B 端输出两路 PWM 信号。图 5 PWM 信号产生电路 图 6 PWM 信号波形SG3524 系列集成电路除了能应用于单端调宽型开关电流中作控制器外， 还能作为推挽、半桥、全桥开关电源的控制器。图 7 为 SG3524 产生 PWM 信号的发生器电路。图 7 SG3524 外部电路3.2 SPWM 控制信号发生电路设计硬件电路产生 SPWM 波的方法是将等腰三角形与正弦控制波通过比较器进行比较， 比较器输出端形成 SPWM 波形 [5]。 如图 8所示， 用一个 50Hz的正弦波去调制 30kHz 的开关频率， 形成了脉冲宽度变化的开关管驱动波形，控制开关管的导通与关断时间，从而控制流向 fL 电感电流的大小，经过 f fL C 的滤波，最终在 fC 电容上形成大小可控的 50Hz 正弦波输出。3.2.1 正弦波发生器设计如图 8 所示为 50Hz 正弦波发生器，采用了双积分型的正弦波发生器，由两个运放及积分电路形成，其频率由下式决定：2 61R Cω = （当 1 2 3 5 6 7R R R C C C= = = =， ）本设计选取 1 2 3R R R= = Ω=33k ， 5 6 7C C C 0.1 F= = = μ ，所以：1f 49.9(Hz)2 2 33kHz 0.1 Fω= = =π π× × μ此正弦波输出给加法器作为比较的参考电压， 可以通过改变该输出的幅度去调节输出交流电压的大小。http://www.paper.edu.cn - 5 -图 8 50Hz 正弦波发生器3.2.2 三角波发生器设计如图 9 所示为 30kHz 三角波发生器， 它是由一个方波发生器通过 1R 给 1C 充放电来实现的，可输出一个负值为 ± 15V、 30kHz 的方波。其输出的三角波频率 f 是由下式决定：51 13 41 1f2RT k R C ln(1 )R // R= =× × +本设计中， k 1.57= ， 1R 13k= Ω ， 1C 1nF= ， 3 4 5R R R 15k= = = Ω ，所以 f 为：1 1f 33.4kHz2 15kT 1.57 13k 1nF ln(1 )15k //15k= = =× Ω× Ω × × + Ω Ω图 9 30kHz 三角波发生器图中 1Q 的作用是为 1R 和 1C 的充电回路提供足够的电流， 3D 是在输出为负电平时，为1Q 的 BE 极提供反向通路，方便 1R 和 1C 放电。3.2.3 SPWM 发生器设计硬件 PID 瞬时反馈电路如下图 10 所示：图 10 PID 瞬时值反馈控制电路3.2.4 SPWM 发生器设计使用 SG3524 调制 SPWM 波形，把 30kHz 三角波加到 SG3524 的 2 脚，即内部运放的http://www.paper.edu.cn - 6 -同相输入端； 50Hz 正弦波通过 PID 控制器后的输出信号加到 1 脚，即内部运放的反相输入端进行调制，完成 SPWM 的生成过程，如图 11 所示：图 11 SPWM 波形发生器3.3 逆变电路设计如图 12 逆变电路所示， SG3524 产生两路相位相差 180 度的 PWM 信号， 通过变压器耦合到推挽正激升压电路控制功率开关管器件的通断，从而把 12VDC 蓄电池电压升压到320VDC 的高压。 DC/DC 输出的高压通过滤波电路加至 DC/AC 全桥逆变电路。 DC/AC 全桥逆变电路的上桥臂由两路 50Hz 互补的方波控制使其交替导通，下桥臂由两路频率为 30kHz的 SPWM 互补信号控制使其交替导通。输出端通过 LC 低通滤波器可以得到 220VAC/50Hz的正弦交流波形。图 12 逆变主电路4. 实验结果分析对整机进行实验分析， 由图 13 可知， 在逆变器的输出端得到一个高质量的 280VAC/50Hz正弦波，波形失真小。图 14 为输出端带 1.5k 的纯阻性负载情况，由图知，当带纯阻性负载时，波形失真度减小，效果更佳。图 15 所示为 SPWM 控制信号的换相角度，由于输出滤波器的滤波电容较大，与 1.5k 纯阻性负载并联时一同显容性，所以 SPWM 信号换相角度出现超前现象。图 16 为两路下桥臂的 SPWM 互补信号波形，图中有死区时间。当逆变器带 1.5k 纯阻性负载时，输出电压有效值为 183.6VAC，则输出功率为 22.61W。输入电压为 12VDC ，输入电流为 2.20A，则输入功率为 26.42W。故效率为 85.54 %。实验证明，该逆变电源达到了预期的效果，能够输出高质量，高效率的 220VAC/50Hz正弦波。并且该设计具有成本低，可靠性高，体积小等优点。http://www.paper.edu.cn - 7 -图 13 空载波形 图 14 加 1.5k 纯阻性负载波形图 15 带 1.5k 阻性负载时换相 图 16 SPWM 开关互补波形5. 结束语本文介绍了完成了一款高性能的 12VDC 蓄电池转换为 220VAC/50Hz 交流电的逆变电源设计。经过对整机的实验分析，证明该系统可以输出符合要求的信号，且效率可达到 85％以上。本设计制作成本低廉，可靠性高，操作方便，可以广泛的应用。参考文献[1] 杨正龙，王惠贞 . 一种新颖推挽正激变换器 [J]. 电力电子技术 , 2002 [2] 陈道炼 . 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In the main circuit, this system uses a new type of push-pull forward step up DC/DC circuit which is controlled by PWM signal; The DC/AC system adopts full bridge inverter, and uses SPWM as the signal to control IGBT which is as switching tube; the design also uses PID controller. The trail shows that the inverter system has some excellent features, and it can achieve good output waveforms and high transform efficiency. Keywords ： Inverter; Modulation; PID controller 作者简介： 杨磊 （ 1983-） ，男，硕士研究生，主要研究方向是通信与信息系统。