逆變器設(shè)計(jì)整流逆變

1、1現(xiàn)代電力電子技術(shù)設(shè)計(jì)作業(yè)組員：王亞萍 鞏方超 鄭俊觀 胡源2主要內(nèi)容：n設(shè)計(jì)要求n設(shè)計(jì)方案n主電路設(shè)計(jì)n驅(qū)動電路設(shè)計(jì)n器件選型3設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求 1.輸入：DC 12V 輸出：AC 220V 6A 逆變器 2.完成電路的設(shè)計(jì)及相應(yīng)原件的選型4設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案（1）（2）（3）（4）5一一.逆變電路逆變電路 1.逆變電路原理及相關(guān)概念：逆變電路原理及相關(guān)概念： 把直流電變?yōu)榻涣麟姷倪^程稱為逆變。 （1）根據(jù)交流側(cè)是否與交流電網(wǎng)相連可將逆變電路分為有源逆變有源逆變和無源無源逆變逆變。 （2）根據(jù)直流側(cè)是恒流源還是恒壓源又將逆變電路分為電壓型逆變電路電壓型逆變電路和電流型逆變電路電流型逆變電路 （

2、3）根據(jù)輸出電壓電流的相數(shù)又將逆變電路分為單相逆變電路單相逆變電路和三相逆三相逆變電路變電路，6單相半橋逆變電路單相半橋逆變電路 特點(diǎn)是有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂有一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個(gè)電容的連接點(diǎn)為直流電源的中點(diǎn)。反并聯(lián)二極管為反饋電感中儲存的無功能量提供通路，直流側(cè)電容起著緩沖無功能量緩沖無功能量的作用。 其優(yōu)點(diǎn)為簡單，使用器件少，缺點(diǎn)為輸出交流電壓的幅值僅為直流電源電壓的一半，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡，因此它只適用于幾千瓦以下的小功率逆變電路。7全橋逆變電路全橋逆變電路 其特點(diǎn)是有四個(gè)橋臂，相當(dāng)于兩

3、個(gè)半橋電路的組合，其中橋臂1和4作為一對，橋臂2和3作為一對，成對的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通180，其輸出矩形波的幅值是半橋電路的兩倍兩倍。全橋電路在全橋電路在帶阻感負(fù)載時(shí)還可以采用帶阻感負(fù)載時(shí)還可以采用移相調(diào)壓的方式輸出脈沖移相調(diào)壓的方式輸出脈沖寬度可調(diào)的矩形波。寬度可調(diào)的矩形波。8帶中心抽頭變壓器帶中心抽頭變壓器 主要特點(diǎn)是交替驅(qū)動兩個(gè)IGBT，通過變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波電壓。兩個(gè)二極管的作用也是給負(fù)載電感中儲存的無功能量提供反饋通道，該電路比全橋電路少了一半開關(guān)器件，并且由變壓器進(jìn)行前后隔離，增加了電能變換可靠性。9全橋逆變電路仿真全橋逆變電路仿真10帶抽頭變壓器逆變電路仿真

4、帶抽頭變壓器逆變電路仿真1112two ploes SPWM tiaozhi output13UoIo14缺點(diǎn) 當(dāng)電路工作時(shí)，如果上下兩個(gè)全控型器件的開通時(shí)間與加在功率器件上的通態(tài)壓降不相同時(shí)，流過變壓器原邊的電流會產(chǎn)生一個(gè)數(shù)值較小的直流電壓，即是直流偏磁 。這個(gè)很小的直流偏磁隨著變換器的長時(shí)間工作，不斷的積累變大，引起大的磁化電流，大的磁化電流流過變壓器使其磁芯單方向飽和，這樣既損壞電路中的元件又增大了功率的損耗。15二.Boost電路EtTUoffo放大倍數(shù)放大倍數(shù)AFAF占空比占空比D D4 40.750.755 50.80.820200.950.9516Boost電路仿真17Uo (L

5、=1mh C=470uF)Uo(L=1mH C=470uF) dreamboostDVUi;75. 0;1218Boost-boost19Boost-boostUo（first boost）Uo（second boost）20缺點(diǎn) 圖中電路結(jié)構(gòu)主要由大電感、MOS 管、二極管以及電容組成，其中大電感不僅有蓄能的作用而且使電路中的電流一直工作在連續(xù)的狀態(tài)下，MOS 管的開通需要驅(qū)動信號，結(jié)構(gòu)中只有一個(gè)管子，相對來說驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)很簡單。但是為了達(dá)到升壓變換器輸出的電壓比較高，則要求輸入的能量比較高，那么要求電感比較大；大的電感會造成結(jié)構(gòu)笨重，成本高，系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，并且電路中沒有實(shí)現(xiàn)前后高低壓的

6、隔離。21三、SWPM PWM 控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。當(dāng)采用正弦波作為調(diào)制信采用正弦波作為調(diào)制信號號來控制輸出PWM脈沖的寬度，使其按照正弦波的規(guī)按照正弦波的規(guī)律變化律變化，這種脈沖寬度調(diào)制控制策略就稱為SPWM。 產(chǎn)生SPWM脈沖，采用最多的載波是等腰三角波；因?yàn)榈妊遣ㄉ先我稽c(diǎn)的水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號波相交時(shí)，如果在交點(diǎn)時(shí)刻對電路中開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖。在調(diào)制信號波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。22三、 SW

7、PM23紅色三角波為載波，黃色正弦波為調(diào)制波紅色三角波為載波，黃色正弦波為調(diào)制波三、SWPM24四、濾波25總結(jié)26主電路原理圖 從上圖中可以看出主電路圖可以認(rèn)為是由3部分組成 ，即DC-AC-AC-DC、DC-AC和LC濾波器，從LC濾波器的電容上輸出電壓。27五、主電路設(shè)計(jì)28主電路設(shè)計(jì)PWM OUTPUT29主電路設(shè)計(jì)30主電路設(shè)計(jì)Uo31器件的選擇 直流升壓環(huán)節(jié)（1）輸出濾波電容C1計(jì)算與選型 考慮到輸入的直流可能含有高頻成分，故需要用電容把高頻成分濾掉。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)C1選擇470uF /100V的鋁電解電容。32（2）IGBT的計(jì)算與選型 變壓器一次側(cè)電壓 U1=0.9E=0.912=1

8、0.8V 考慮到IGBT上的壓降和其他損耗的影響，故U1=8V。 輸入的功率為P=2206=1320W。 變壓器一次側(cè)電流I1=P/U1=1320/8=165A 由于電路中最大的直流輸入電壓E=12V，考慮到一定的安全裕量，這里取為1.5倍，即所選的IGBT的電壓必須大于1.512=18V，選擇IGBT的額定電壓值為600V. 電流的安全裕量取1.5倍，IGBT的電流必須大于 1.5I1=1.5165=247.5A 根據(jù)上面確定的最大電壓和最大電流來選擇IGBT。選擇的型號為1MBI400L-060（參數(shù)400A/600V）33（3）變壓器的計(jì)算與選型 通過上面計(jì)算可到變壓器U1=8V,I1=

9、165A 變壓器的容量為2206=1320VA 計(jì)算變壓器的U2:經(jīng)過變壓器以后在經(jīng)過橋式整流電容濾波電路之后的電壓為1.2U2，最后經(jīng)過橋式逆變輸出的電壓為0.91.2U2=1.08U2=220V 可以求得U2=204V 再考慮到二極管和IGBT的壓降損耗等因素，U2取210V，I2=6.3A,變壓器選用單相芯式結(jié)構(gòu).34鐵芯截面選擇 定驗(yàn)證： 在1到2之間都是合理的。25 .2513207 . 07 . 0cmPabS228,7,4cmabScmbcma75. 14/7/ ab74/5 .251 . 1/1 . 1aSb35一次、二次繞組匝數(shù)計(jì)算 其中為變壓器二次側(cè)的電壓，f為工頻50Hz

10、，B為磁通密度與硅鋼片型號及變壓器的容量有關(guān)，本設(shè)計(jì)中選用硅鋼片D310，B=1.2T,S為變壓器鐵芯截面， 為一種系數(shù)，一般取0.9。dfBSKUN44. 410422dK3449 . 05 .252 . 15044. 41021024N1434421082211NUUN36一次、二次導(dǎo)線截面選擇 其中 為一次、二次繞組的電流密度，與絕緣等級及變壓器的容量有關(guān)，本設(shè)計(jì)中選擇絕緣為A級絕緣自冷 考慮趨膚效應(yīng)穿透公式為 經(jīng)過計(jì)算上面計(jì)算得到導(dǎo)線的截面的半徑都小于這個(gè)穿透深度，故按照這種計(jì)算方法不用考慮趨膚效應(yīng)影響。111jIq 222jIq 21jj2A/mm321jj2111553165jIm

11、mq22221 . 233 . 6mmjIqmmf34. 9501 .661 .6637鐵芯窗口大小的確定鐵芯窗口面積其中 為窗口的填充系數(shù)窗高：窗寬： 通過上述的計(jì)算可得變壓器選擇為型鐵芯變壓器，其二次側(cè)功率為1952W，鐵芯截面29.5，窗口寬度64mm,滿足上述計(jì)算要求。22111601025. 01 . 234455141022cmkqNqNSQQQKcmahc1045 . 25 . 2cmhSccQ610/60/38整流二極管及濾波電容的計(jì)算與選型通過每只二極管的平均電流通過每只二極管的平均電流：每只二極管承受的最大反向電壓：考慮到有2倍的安全裕量，故選用二極管型號為2CZ14F（1

12、0A/600V）選擇濾波電容，這里濾波電容的主要作用是去除紋波，輸出理想的直流。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取1000F/500V的電解電容一只。A15. 33 . 621212IIBDV297210414. 122UURM39直流逆變環(huán)節(jié) 經(jīng)過橋式整流電容濾波電路輸出的電壓為250V 由于直流輸入電壓為250V，考慮到一定的安全裕量，這里取為1.5倍，即所選的IGBT的電壓必須大于1.5250=375V，選擇IGBT的額定電壓值為600V。 電流的安全裕量取1.5倍，IGBT的電流必須大于1.56=1.56=9A 根據(jù)上面確定的最大電壓和最大電流來選擇IGBT。選擇的型號為1MBI400L-060（參數(shù)400

13、A/600V）。40LC濾波器計(jì)算與選型 在逆變電源的輸出端加入低通濾波器可以濾掉其中的高頻分量，LC型濾波器具有低通濾波特性，而且濾波器的元件又少，是最簡單的一種形式，應(yīng)用也最廣泛。本電源輸出濾波器也采用此結(jié)構(gòu)。輸出濾波器中L和C參數(shù)與SPWM的頻率緊相關(guān)。頻率越高，就可以減小濾波器的體積，但同時(shí)也會增加開關(guān)損耗，從而影響逆變器的輸出效率。所以應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的截至頻率fc以及負(fù)載RL來設(shè)計(jì)濾波器。 逆變電源輸出參數(shù)為:輸出功率P=1320W，輸出電壓U =220V，頻率為5OHz。逆變器輸出的脈沖群中主要是50Hz的正弦波，另外還含有奇此諧波分量，以及兩倍開關(guān)頻率的高頻分量。 因?yàn)殡娫吹妮敵鲱l率

14、為50Hz，所以系統(tǒng)的截止頻率滿足fc50Hz。 系統(tǒng)特性阻抗一般取0.5一0.8倍的額定負(fù)載電阻，即1320220)8.05.0()8.05.0(22PUCL41LC濾波器計(jì)算與選型 當(dāng)取系數(shù)為0.8時(shí)，p=29，當(dāng)輸出電壓的基波頻率為50Hz時(shí)，濾波器的截止頻率通常選在100Hz左右。取為100Hz時(shí)，我們可以得到輸出濾波電感和電容值應(yīng)為: 故選擇L=47mH,C=60FmHfLc2 .461002292FfCc88.5429100212142器件清單名稱數(shù)量型號變壓器1CD255065整流二極管4ZP3-2電解電容2470uF /100V1000F/500V普通電容160f/300V普通

15、電感147mH IGBT81MBI400L-06043SPWM電路電路組成： 電路主要由正弦波正弦波和三角波三角波發(fā)生電路，控制電路組成。電路中所用到的元器件主要有ICL8038，運(yùn)算放大器LF353，比較器LM311，電阻電容及齊納二極管組成。44電路分析 當(dāng)電路開始工作，首先由ICL8038產(chǎn)生的正弦波和三角波，正弦波和三角波的幅值由可調(diào)電阻來控制，得到的波可以通過LF353運(yùn)算放大器構(gòu)成的反相電路進(jìn)行反向，得到方向相反的正弦波，正弦波與三角波信號通過LM311比較芯片產(chǎn)生SPWM脈沖。電路如下圖所示。 45驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，起功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動和

16、隔離驅(qū)動兩種方式.美國IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選。該芯片具有驅(qū)動電流大，速度快，外圍電路簡單，可驅(qū)動母線電壓高達(dá)500V的全橋，對輸入信號要求低等優(yōu)良性能。 IR2110內(nèi)部功能由三部分組成：邏輯輸入；電平平移及輸出保護(hù)。如上所述IR2110的特點(diǎn)，可以為裝置的設(shè)計(jì)帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的設(shè)計(jì)，可以大大減少驅(qū)動電源的數(shù)目，即一組電源即可實(shí)現(xiàn)對上下端的控制。 本次設(shè)計(jì)我們采用倍頻式SPWM技術(shù)，在開關(guān)頻率不變的情況下，達(dá)到輸出頻率倍增的效果。IR2110用于驅(qū)動全橋逆變器用以控制IGBT的通斷，在IR2110的外圍電路使用二極管和齊納二極管防止IGBT的同時(shí)導(dǎo)通而擊穿。如下圖所示，IGBT采用IRF150，4個(gè)IRF150兩兩串聯(lián)后并聯(lián)成橋式逆變主電路，U輸入為出入電壓，VDC輸出電壓，電容C1、C3為VCC的濾波電容，電容C2、C4為自舉電容，二極管為自