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电力电子课设con
摘要
逆变电源是一种采用电力电子技术、控制技术进行电能转换的电力装置，它可将输入的12V直流电转换成220V功率为220W的交流电。
它输出的交流电可用于各类设备，最大限度的满足移动供电场所。
总的来说，逆变电源就是通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能转换成交流电能。
直流电能通过升压变压器、逆变电路、滤波电路变成我们所需要的交流电能。
当然一个完整的逆变电源还需要一些保护电路，比如过载保护，温度保护等。
关键词：
升压变压器；逆变电路；滤波电路；保护电路
目录
第1章绪论1
1.1电力电子技术概况1
1.2本文设计内容2
第2章逆变电源电路设计3
2.1逆变电源总体设计方案3
2.2具体电路设计4
2.2.1升压斩波电路4
2.2.2单相全桥逆变电路6
2.2.3PWM的控制方法8
2.2.4保护电路设计10
2.3调试或仿真、数据分析12
第3章课程设计总结14
参考文献15
第1章绪论
电力电子技术概况
电源设备广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施及人民生活等各个方面，是电子设备和机电设备的基础，它与国民经济各个部门相关，在工农业生产中应用得最为广泛。
可以说，凡是涉及电子和电工技术的一切领域都要用到电源设备，它不仅提供优质电能，还对科学技术的发展产生巨大的影响，例如由于超小型、高效率的高频开关电源的出现，促进了航空航天和舰船技术的发展；不间断电源（UPS）的研制成功大大提高了计算机、通信、导航、医疗等设备的可靠性;脉冲电源广泛应用于电焊、电镀等行业，节省了大量的电能和原材料。
本文所介绍的逆变电源电路主要采用集成化芯片,使得电路结构简单、性能稳定、成本较低。
因此,这种电路是一种控制简单、可靠性较高、性能较好的电路。
整个逆变电源也因此具有较高的性价比和市场竞争力。
逆变电源技术的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。
最初的逆变电源采用晶闸管（SCR）作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电源.由于SCR是一种没有自关断能力的器件，因此必须通过增加换流电路来强迫关断SCR,SCR的换流电路限制了逆变电源的进一步发展。
随着半导体制造技术和交流技术的发展，自关断的电力电子器件脱颖而出，相继出现了电力晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效应晶体管（MOSFET）。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）等等。
自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能。
由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而逆变桥输出的电压中谐波的频率比较高，使输出滤波器的尺寸得以减小，而且对非线性负载的适应性得以提高。
总之，逆变技术的发展是随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展而发展的，进入21世纪，逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展。
而逆变电源是光伏发电系统中的重要组成部分，逆变电源的性质决定了光伏发电系统输出电能的质量。
随着逆变电源的类型的增多和控制技术的不断发展，使得光伏发电系统可以应用到与国民生产和日常生活相关的各个领域。
本文设计内容
本课题主要研究逆变技术，通过给定的12V直流电压转化成50HZ/220V能带动额定负载的交流电输出，解决没有交流电源的情况下交流电气设备的用电问题。
并且利用电路图进行仿真，做出相应的参数辨别曲线。
主要涉及到的问题包括以下几个：
1、确定系统的总体结构；
2、升压斩波电路的设计；
3、逆变电路的设计；
4、元器件的选择；
5、参数的计算；
6、对系统进行仿真；
第2章逆变电源电路设计
逆变电源总体设计方案
通过把12V的蓄电池电源转换为工频使用电源，用于各种电子器件中，是一种简单，廉价的方式。
主电路设计中采用了简单的升压斩波电路，逆变电路，以及几款简单的芯片，经济性能良好，使用方便。
就本系统的性能稳定性而言，由于没有设计复杂的电路进行干扰，所以输出稳定，是一款性价比很高的系统。
如图2.1是逆变电源的原理框图，
图2.1总体原理框图
如图所示，将直流电压经过非隔离变化后得到高压直流电压，再通过工频逆变；得到交流电压。
由于不采用变压器进行输入和输出隔离，所以体积小、重量轻、效率高、成本低而且系统也不复杂。
但是由于没有进行隔离，所以存在许多不安全因素，为了进行保护和防止干扰，必须采取许多防护措施。
其中升压变压器采用的是简单的直流升压斩波电路，其作用是将12V直流电压变成220V交流电压。
该电路结构简单，控制方式简单，用直流斩波器代替变阻器可节约电能30%左右。
不仅起到调压作用，同时起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声作用。
由于本设计的对象是单向逆变电源，所以逆变电路采用的是单相桥式PWM逆变电路，其作用是将220V直流电压变成220V交流电压，达到我们所需要的电压。
具体电路设计
升压斩波电路
本设计主要采用直流升压斩波电路作为升压环节的主电路，如图2-3所示。
该电路结构非常简单，控制方式也很简单，而且直流斩波器代替变阻器可节约电能30%左右，所以斩波电路不仅能起到调压作用，同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声作用。
图2.3直流升压斩波电路
如图所示，升压斩波电路中的开关器件可以根据具体的应用要求来选择，其中二极管VD可以防止电容C通过电源放电。
该电路的工作过程可以分为2两种模式，其等效电路如图所示。
图2.4模式1图2.5模式2
当电流连续时，升压斩波电路的主要工作波形如图2.6所示，设t=ton时刻驱动V导通，在ton时间内，电路工作在模式1，开关器件V导通时间为ton，电路等效为两个回路，在直流侧，电感L中的电流按指数上升，由It1上升到It2，此时开关器件V的电压为0V，所以电感电压为电源电压，又因此时的二极管VD截止，即电流为0，直流电源的能量将全部存储在电感L中，负载上的电流由电容C放电来维持恒定。
Io
图2.6升压斩波电路工作波形
在T1时刻驱动V关断，电路工作方式为模式2，此时电源和电感储能释放，同时向电容和负载供电。
有
，其中
成为升压比，升压比的倒数记作β，β和α的关系表示为：
β+α=1，所以上面的公式整理后又可以表示为：
其中，占空比α<1，可见电路的输出平均电压U0大于输入直流电压Ui，即该斩波电路具有升压功能，符合设计要求。
单相全桥逆变电路
电路如图2.7所示，该电路是单相全桥逆变电路，可以看作是由两个半桥逆变电路组成的。
在单向电压型逆变电路中是应用最多的电路，而且主要应用于大容量场合。
在相同的直流输入电压情况下，全桥逆变电路的最大输出电压是半桥逆变电路的两倍，这意味着输出功率相同时，全桥逆变电路的输出电流和通过开关器件的电流均是半桥逆变电路的一半，在大功率场合中，这是一个非常显著地优点，可减少电路所需并联的器件数量。
所以综合分析，最终选取单相全桥逆变作为逆变环节的主电路，下面将简单的介绍单相全桥逆变电路的工作方式以及主要波形。
图2.7单相全桥逆变电路
如图2.7所示，单相全桥逆变电路可以看作是由两个半桥电路组成的，桥臂1、4和桥臂2、3各成一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180°，其输出电压
的波形和半桥电路的
波形形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，
=
。
在直流电压和负载都相同的情况下，输出的电流
的波形也和半桥电路中
的形状相同，而幅值增加一倍。
全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的电路，下面对其电压波形做定量分析。
把幅值为
的矩形波u0展开，形成傅里叶级数：
（2-1）
式中，基波的幅值
和基波的有效值
分别为：
（2-2）
（2-3）
前面分析的
波形都是正负电压各180°的矩形波情况，在这种情况下，要改变输出电压的有效值，只能通过改变直流电压来实现。
在阻感负载时，还可以采用移相方式来调节逆变电路的输出电压，这种方式成为移相调压。
其波形如图2.8所示，这里所说的移相调压其实就是调节输出电压矩形波（脉冲）的宽度，具体做法是，栅极信号
、
互补，
、
互补，而且仍为180°正偏、180°反偏。
但是
与
、
与
的相位不同，错开
角度，即调节
落后
的角度从180°较少为
角（0<
<180°），调节
落后
的角度也从180°较少为
角。
也就是说，输出电压u0的波形不再是正负各180°的矩形波，而是正负各位
的矩形波。
图2.8单相全桥逆变电路的移向调压方式波形
PWM的控制方法
电路如图2.9所示，该电路工作时，v1和v2通断互补，v3和v4也通断互补，如在uo正半周，v1导通，v2关断，v3和v4交替通断，且负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。
在uo的负半周，让v2保持通态，v3保持断态，v3和v4交替通断，负载电压uo可以得到-ud和零两种电平。
图2.9单相桥式PWM逆变电路
单极性控制方式：
如图2.10所示，调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。
a）在ur的正半周时，v1保持通态，v2保持断态，当ur>uc时，使v4导通，v3关断，uo=ud；当urb）在ur的负半周时，v1保持断态，v2保持通态。
当ur当ur>uc时，使v3关断、v4导通，uo=0。
图2.10单极性PWM的控制方式
双极性控制方式：
如图所示，在调制信号ur和载波信号的交点时刻控制开关器件的通断。
a）
在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的PWM波也有正有负，在ur的一个周期内，输出的PWM波只有正负ud两种电平。
图2.11双极性PWM的控制方式
保护电路设计
保护电路用于当电源出现异常情况时保护设备以及电源本身。
当主回路中发生过载，过压等异常状况时，停止电路元件的工作。
保护电路能有效的保护逆变器件和负载不被损坏。
保护电路分为欠过电压保护和过流保护。
过压保护电路如图2.12所示，它监测蓄电池的电压状况，如果蓄电池电压低于预设的10.8V，保护电路开始工作，使控制器SG3524的脚10关断端输出高电平，停止驱动信号输出。
图2.12中运算放大器的正向输入端的电压由R1和R3分压得到，而反向输入端的电压由稳压管箝位在＋7.5V，正常工作的时候，由三极管V导通，IR2110输出驱动信号，驱动晶闸管正常工作，实现逆变电源的设计。
当蓄电池的电压下降超过预定值后，运算放大器开始工作，输出跳转为负，LED灯亮，同时三级管V截止，向SG3524的SD端输出高电平，封锁IR2110的输出驱动信号。
此时没有逆变电压的输出。
图2.12过电压保护
过流保护不仅直接关系到IGBT器件本身的工作特性和运行安全，而且影响到整个系统的性能和安全。
它包括短路和过流保护两种。
+15V
+15V
通常采取的保护措施有软关断和降栅压两种。
软关断是指在过流和短路时，直接关断IGBT。
但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生错误动作。
为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。
所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。
降栅压是指在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。
降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。
若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。
上述的降栅压方法只考虑了栅压与短路电流大小的关系，而在实际过程中，降栅压的速度也是一个重要因素，它直接决定了故障电流下降的di/dt。
慢降栅压技术就是通过限制降栅压的速度来控制故障电流的下降速率，从而抑制器件的dv/dt和uce的峰值。
图2.13给出了实现慢降栅压的具体电路。
图2.13慢降栅压电路图
调试或仿真、数据分析
直流升压斩波电路可将输入的直流电压12V变成交流电压220V输出。
完成升压过程。
仿真图和波形图如下图所示。
图2.14升压斩波电路图仿真图
图2.15升压斩波电路输出电压波形
（一）升压斩波端的计算：
（1）熔断器参数的计算：
额定电流：
I
=（1.2~1.5）I1=（1.2~1.5）*16.7=20~25（A）
选择熔断器时，应当选用通过电流在20A~25A之间的熔断器，当电路中的电流超过25A时，熔断器会自动烧断，对电路起到了过流保护的作用。
（2）IGBT参数的计算：
额定电压：
Umax=U1=350（V）
选取器件时选择（2~3）Umax=700v~1050v
额定电流：
Imax=I1=0.57（A）
选取器件时选择（2~3）Imax=1.14A~1.17A
（3）二极管参数的计算
额定电流：
Ivt=I1=0.57（A）
I
=（1.5~2）*I
/1.57=（1.5~2）*0.57/1.57=0.55~0.73（A）
额定电压：
U
=U1=350（V）
U
=（2~3）*U
=（2~3）*350=700~1050（V）
二、单相桥式逆变端参数计算：
（1）IGBT参数的计算：
VT1,VT2,VT3,VT4的参数相同，取VT1为例
额定电压：
Umax=U1=350（V）
选取器件时选择（2~3）Umax=700v~1050v
额定电流：
Imax=I1=0.57（A）
选取器件时选择（2~3）Imax=1.14A~1.17A
（2）二极管参数的计算：
VD1,VD2,VD3,VD4的参数相同，取VD1为例
额定电流：
Ivt=I1=0.57（A）
I
=（1.5~2）*I
/1.57=（1.5~2）*0.57/1.57=0.55~0.73（A）
额定电压：
U
=U1=350（V）
U
=（2~3）*U
=（2~3）*350=700~1050（V）
第3章课程设计总结
本次设计基本完成，通过直流升压斩波电路、单相全桥逆变电路、滤波电路实现将12V直流电压转变成220V功率为200W的交流电。
最大限度地满足移动供电场所或无电地区用户对交流电源的需要。
本次设计遇到很多问题，比如，升压电路的选择，升压电路有正激式、反激式、半桥式、全桥式、直流升压斩波等。
虽然正激式结构简单，但是该电路变压器铁心单向磁化，利用率低，只能适用低压输入电路。
而全桥式虽然铁心利用率高，但功率器件相对比较多，适合用于大功率场所。
所以最终选择直流升压斩波电路，它不仅结构简单，控制方式简单，而且还节约电能，有效地抑制电网侧谐波电流的作用。
逆变电路是本次设计的核心，所以逆变电路的选择尤其重要，单相半桥电路虽然简单，器件少，但直流侧需要两个电容串联，工作时还要控制两个电容电压的均衡。
因此半桥电路适用小功率逆变电源。
所以选择了单相全桥逆变电路，
本次设计基本成功。
参考文献
[1]赵家瑞逆.变焊接与切割电源【M】.北京机械工程出版社，1996
[2]陈国呈.PWM变频调速及软开关电力变换技术【M】.北京：
机械工业出版社，2001.
[3]殷树言.晶闸管中频感应逆变电源的附加振荡启动方法,2003.6
[4]吕宏主编.电力电子技术.感应加热电源的PWM-PFM控制方法,2003.1
[5]吴雷主编.电力电子技术.基于DSP大功率中频感应焊机的研究,2001.4
[6]屈稳态..大功率TGBT高频逆变电焊机的研究【J】,电力电子技术2001.
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