电力电子课程设计：正弦波逆变器设计

1、逆变器的概述逆变器（inverter）是将交流电能变换成直流电能的过程称为整流，把完成整流功能的电路称为整流电路，把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。与之相对应，把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。主要用于把直流电力转换成交流电力。一般由升压回路和逆变桥式回路构成。升压回路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压；逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。逆变器主要由晶体管等开关元件构成，通过有规则地让开关元件重复开-关（ON-OFF）

2、，使直流输入变成交流输出。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等。引言电力系统变电站和调度所的继电保护和综合自动化管理设备有的是单相交流供电的，其中有一部分是不能长时间停电的。普通UPS设备因受内置蓄电池容量的限制，供电时间比较有限，而直流操作电源所带的蓄电池容量一般都比较大，所以需要一套逆变电源将直流电逆变成单相交流电。电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，

3、与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。 IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外,绝缘材料的缺陷也是一个问题。 随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也

4、提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。 在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大1。本文针对正弦波输出变压变频电源SPWM调制方式及数字化控制策略进行了研究，以TMS320F240数字信号处理器为主控芯片，以期得到一种较理想的调制方法，实现逆变电源变压、变频输出。1 正弦波逆变器的设计要

5、求和主电路形式电力系统变电站和调度所的继电保护和综合自动化管理设备有的是单相交流供电的，其中有一部分是不能长时间停电的。普通UPS设备因受内置蓄电池容量的限制，供电时间比较有限，而直流操作电源所带的蓄电池容量一般都比较大，所以需要一套逆变电源将直流电逆变成单相交流电。逆变电源的工作原理与UPS有以下两点区别：1）逆变电源不需要与交流电网锁相同步，因为其负载可以瞬间停电（几秒以内）。2）逆变电源的输入直流电压为180285V，而UPS内置电池电压为12V或24V。11.1逆变电源的设计要求和目标1）输出电压：输出为单相220VAC（有效值），频率为50Hz1Hz。2）输出功率：以1KW为例，允许

6、过载20%，既Pomax=1200W。3）输出电流：允许失真度为3倍，既在电压峰值时的电流峰值允许最大为有效值的3倍。最大有效值为Pomax/Voe=1200W/220V5.5A。4）整机效率：设计目标82%。1.2主电路形式选择这种正弦波输出逆变器的输入电压变化范围较宽，为180285V，而其输出则要求是稳压的。因此，该逆变电源的逆变电路必须有一个升压的过程。这种逆变电源的主回路形式有下述两种。1.2.1有工频变压器的逆变电源桥式逆变电路以SPWM方式工作，将185285VDC电压逆变成有效值基本不变的SPWM波形，由工频变压器升压得到220V交流电压。这种电路方式效率比较高（可达90%以上

7、）、可靠性较高、抗输出短路的能力较强。但是，它响应速度较慢，波形畸变较重，带非线性负载的能力较差，而且噪声大。1.2.2无工频变压器的逆变电源逆变电路以PWM方式首先将185285VDC电压逆变成高频方波，经高频升压变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的直流电压，比如350VDC。这部分电路实际上是一套直流/直流变换器，既DC/DC或DC-DC。然后，在由另一套逆变器以SPWM方式工作，将稳定的直流电压逆变成有效值稍大于220V的SPWM电压波形，经LC滤波后，就可以得到有效值为220V的50Hz交流电压。2有工频变压器的逆变电源主电路设计2.1电路形式有工频变压器的逆变电源主回路基本工作过程可

8、以理解，可以把它设计成以IGBT为 开关管的桥式逆变电路形式，如图（2-1）所示。图（2-1）有工频变压器的逆变电源主回路电源为180V285VDC，四个开关管分别为Tr1,Tr3,Tr2,Tr4.图中，Tr1Tr4为IGBT开关管，C1为串联耦合（去耦）电容，防止变压器因单相偏磁而饱和，T为隔离升压变压器，C2为输出滤波电容，L为输出滤波电感。2.2 参数设计2.2.1逆变变压器变压器输出220VAC的峰值为311V，考虑到变压器副边绕组电压峰值设为315V，原边在考虑去耦电容C1的压降后，最低电压时为170V，所以变压器的匝比n为n=N2/N1=315V/170V1.85 （2-1）电源输

9、出功率也就是变压器的输出功率Po=1200W。设变压器的效率r=95%，则原边效率P1=Po/r1260W。因为变压器是变换SPWM电压波形，其基波（50Hz）的成分相当大，所以我们可以选择400Hz的硅钢C型铁芯，其Ke=0.9,Bm=1.2T,Kc可选为0.3，j=3A/mm=3*10(*)A/m，所以铁芯面积乘积为AeAc= 1200(1+0.95) 0.95*4.44*50*0.9*0.3*3*10(*)*1.2 1.14*10(+)(m+)=1140cm(+) （2-2）可以选取CD型400Hz硅钢铁芯。查出截面积Ae，求出有效面积Se=Ae*Ke，然后就可以由下面的两个公式先求出原

10、边匝数，再求出副边匝数。 N1=V1max/(KfSeBm) （2-3） N2=N1/n （2-4） 导线截面：副边S2=I2/j=5.5/31.8(mm),选1.2mm漆包线两股并绕； 原边S1=I1/j=Ni2/J=1.87*5.5/33.43(mm),1.2mm漆包线三股并绕。2.2.2开关管最高电压为285V，所以开关管的耐压可选为600V。开关管的峰值电流：Im=3I1m=3*5.5*1.8731(A) （2-5）选IGBT的电流定额为40A。所以，我们可以选用三星公司的SGH80N60VFD、IR公司的IRGPC50VD2、HARRIS公司的HGTIY40N60B3D、IXYS公司

11、的IXGH50N60AVI等，封装形式都是TO-247。3无工频变压器的逆变器主电路设计3.1电路形式我们知道，无工频变压器的逆变电源实际上包含两部分：一套DC/DC和一套SPWM逆变器。DC/DC的设计这里我们不讨论。所以，这里只讨论SJPWM逆变主电路，其电路形式如图（3-1）所示。图（3-1）单相SPWM逆变主电路 电源350V，各个管子分别为Tr1,Tr3,Tr2,Tr4.3.2 参数设计3.2.1 开关管逆变器允许输出峰值电流为 Im=3Iom=3*5.5A=16.5A （3-1）所以开关管的电流定额可以选为600V。我们可以选30A，600V，TO-247封装的IGBT管，如三星公

12、司的SGH30N60VFD、IR公司的IRGPC50KD2、HARRIS公司的HGTG27N60C3DR、IXYS公司的IXSH30N60AVI等。3.2.2 LC滤波 L为工频电感，电感量可选为12mH。为减小噪声，选闭合铁芯，如OD型硅钢铁芯（400Hz）或铁粉芯铁芯。C为工频电容，可以选CBB61-10F-250VAC。4逆变控制电路的设计逆变电源控制电路的核心是SPWM发生器。SPWM的实现包括分立电路、集成芯片和单片机实现。它们的电气性能和成本有所不同，各有自己的优势和不足之处。逆变电源SPWM电路的调制频率固定为50Hz不变，为了降低成本，我们这里用分立电路组成，如图（4-1）所示

13、。正弦波发生器三角波发生器放大放大图（4-1）单相SPWM逆变电源控制电路放大第一路Tr1,Tr4输出，第二路Tr2,Tr3输出 IC3输出正值比较 IC4输出负值比较图中，正弦波发生器和三角波发生器分别见下两图（4-2）、（4-3）。 图（4-2）正弦波发生器IC1，IC2 ，C1=0.08，R1=10k,C2=0.08,R2=1.8k,R3=1.8k,R6=180k,R4=1.6k,R5=1.6kUot 图（4-3）三角波发生器C1=0.2,C2=1,R1=100k,R2=22k,R3=10k,Rf=1M,R4=10k.以标准的正弦波信号为参考，将输出电压的反馈信号与之相比较，经由IC1及

14、其外围电路组成的PI型误差放大器调节后得到一个控制信号，送到IC2去调制三角波，既可得到SPWM波形。IC3和IC4分别为正负值比较器，它们的输出信号分别IC5和IC6，从而将SPWM交替地分成两路，各自放大后驱动相应的开关管对，控制主回路完成SPWM逆变。需要注意的是，驱动电路要将每一路信号分成相互隔离的两路，分别驱动处于对角位置上的两只开关管。以上控制电路的特点是不仅能控制正弦波输出的有效值，还能调节输出电压的瞬时值，优化波形，减小谐波失真，提高带负载能力。25正弦波输出变压变频电源调制方式5.1 正弦脉宽调制技术随着逆变器控制技水的发展电压型逆变器出现了多种的变压、变频控制方法。目前采用

15、较多的是正弦脉宽调制技术即sPwM控制技术。在正弦波逆变电源数字化控制方法中，目前国内外研究得比较多的主要有数字PID控制、无差拍控制、双环反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等。本文所采用的是外环为平均值环、内环为瞬时值环的双环控制策略。内环通过瞬时值控制获得快速的动态性能，保证变压变频电源输出电压畸变率较低，外环使得变压变频电源在各个频率段的输出电压具有较高的精度，并使用DSPTMS320F240全数字的控制实现。单相全桥式电压型SPWM逆变器电路拓扑结构图如图（5-1）所示。图2中S1S4的通断由正弦脉宽调制产生的信号来控制。SPWM正弦脉宽调制可分为双极性调制方

16、式、单极性调制方式和单极性倍频调制方式。图（5-1）主电路拓扑图5网络材料5.1.1单极性调制方式单极性调制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压：另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大程度上减小了开关损耗。但又不是固定其中一个桥臂始终为低频(输出基频)，另一个桥臂始终为高频载波频率)，而是每半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在后半周则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡，对于选用同样的功率管时，使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。5.1.2双极性调制方式 双极性调制方式的特点是4

17、个功率管都工作在较高频率(载波频率)，虽然能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。5.1.3单极性倍频调制方式单极性倍频调制方式的特点足输出SPWM波的脉动频率是单极性的两倍，4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，因此，开关管损耗与双极性相同。5.2 3种调制方式下逆变器输出电压谐波分析用MathcAD可推导出3种不同调制方式下逆变器输出电压各次谐波有效值与频率的关系式。5.2.1单极性调制方式5.2.2对单极性调制方式如上公式（2）5.2.3对单极性倍频调制方式如上公式（3）式中：M为调制比；N为载波比； f0为正弦波输出变频变压电源的输出电压频率。3 5网络材料控制电路采

18、用r TMS320F240数宁信号处理器，主要任务是在定时中断内完成变压变频控制。控制程序由主程序和一个定时中断程序组成，主程序主要完成读取给定电压，过流判断，平均值外环计算等功能。定时中断程序完成采样输出电压，实时计算出下个开关周期输出的脉宽。3种调制方式下逆变器输出电压未经滤波前，单极性调制方式及双极性调制方式下逆变器输出电压谐波分量主要集巾在升关频率及其倍频附近，且单极性调制方式下逆变器输出电压谐波分量比双极性要小。单极性倍频调制方式下输出电压的谐波分量主要在2倍升关频率及4倍开关频率附近。选择WPWM逆变器的输出LC滤波器的转折频率为开关频率的II0，LC滤波器对开关频率及其倍频附近的谐波具有明显的衰减作用。6结论10年前，IGBT出现在世界技术舞台的时候，尽管它凝聚了高电压大电流晶闸管制造技术和大规模集成电路微细加工手段二者的精华，表现出很好的综合性能，许多人仍难以相信这种器件在大功率领域中的生命力。现在，跨世纪的IGBT显示了巨大的进展，形成了一个新的器件应用平台。本文对正弦波输出变频变压电源的不同调制方式进行了分析研究，研究结果表明，在输出电压要求的频率范围内，无论是变压变频电