逆变器设计整流逆变

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,现代电力电子技术设计作业,组员：王亚萍 巩方超 郑俊观 胡源,1,主要内容：,设计要求,设计方案,主电路设计,驱动电路设计,器件选型,2,设计要求,1.输入：DC 12V 输出：AC 220V 6A 逆变器,2.完成电路的设计及相应原件的选型,3,设计方案,（1）,（2）,（3）,（4）,4,一,.逆变电路,1.逆变电路原理及相关概念：,把直流电变为交流电的过程称为逆变。,（1）根据交流侧是否与交流电网相连可将逆变电路分为,有源逆变,和,无源逆变,。,（2）根据直流侧是恒流源还是恒压源又将逆变电路分为,电压型逆变电路,和,电流型逆变电路,（3）根据输出电压电流的相数又将逆变电路分为,单相逆变电路,和,三相逆变电路,，,5,单相半桥逆变电路,特点是有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点为直流电源的中点。反并联二极管为反馈电感中储存的无功能量提供通路，直流侧电容起着,缓冲无功能量,的作用。,其优点为简单，使用器件少，缺点为输出交流电压的幅值仅为直流电源电压的一半，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡，因此它只适用于几千瓦以下的小功率逆变电路。,6,全桥逆变电路,其特点是有四个桥臂，相当于两个半桥电路的组合，其中桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180，其输出矩形波的幅值是半桥电路的,两倍,。,全桥电路在带阻感负载时还可以采用移相调压的方式输出脉冲宽度可调的矩形波。,7,带中心抽头变压器,主要特点是交替驱动两个IGBT，通过变压器耦合给负载加上矩形波电压。两个二极管的作用也是给负载电感中储存的无功能量提供反馈通道，该电路比全桥电路少了一半开关器件，并且由变压器进行前后隔离，增加了电能变换可靠性。,8,全桥逆变电路仿真,9,带抽头变压器逆变电路仿真,10,11,12,13,缺点,当电路工作时，如果上下两个全控型器件的开通时间与加在功率器件上的通态压降不相同时，流过变压器原边的电流会产生一个数值较小的直流电压，即是直流偏磁。这个很小的直流偏磁随着变换器的长时间工作，不断的积累变大，引起大的磁化电流，大的磁化电流流过变压器使其磁芯单方向饱和，这样既损坏电路中的元件又增大了功率的损耗。,14,二.Boost电路,放大倍数AF,占空比D,4,0.75,5,0.8,20,0.95,15,Boost电路仿真,16,17,Boost-boost,18,Boost-boost,19,缺点,图中电路结构主要由大电感、MOS 管、二极管以及电容组成，其中大电感不仅有蓄能的作用而且使电路中的电流一直工作在连续的状态下，MOS 管的开通需要驱动信号，结构中只有一个管子，相对来说驱动电路的设计很简单。但是为了达到升压变换器输出的电压比较高，则要求输入的能量比较高，那么要求电感比较大；大的电感会造成结构笨重，成本高，系统工作不稳定，并且电路中没有实现前后高低压的隔离。,20,三、SWPM,PWM 控制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，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。当,采用正弦波作为调制信号,来控制输出PWM脉冲的宽度，使其,按照正弦波的规律变化,，这种脉冲宽度调制控制策略就称为SPWM。,产生SPWM脉冲，采用最多的载波是等腰三角波；因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。,21,三、SWPM,22,红色三角波为载波，黄色正弦波为调制波,三、SWPM,23,四、滤波,24,总结,25,主电路原理图,从上图中可以看出主电路图可以认为是由3部分组成，即DC-AC-AC-DC、DC-AC和LC滤波器，从LC滤波器的电容上输出电压。,26,五、主电路设计,27,主电路设计,28,主电路设计,29,主电路设计,30,器件的选择,直流升压环节,（1）输出滤波电容C1计算与选型,考虑到输入的直流可能含有高频成分，故需要用电容把高频成分滤掉。根据经验C1选择470uF/100V的铝电解电容。,31,（2）IGBT的计算与选型,变压器一次侧电压,U1=0.9E=0.912=10.8V,考虑到IGBT上的压降和其他损耗的影响，故U1=8V。,输入的功率为,P=2206=1320W。,变压器一次侧电流,I1=P/U1=1320/8=165A,由于电路中最大的直流输入电压E=12V，考虑到一定的安全裕量，这里取为1.5倍，即所选的IGBT的电压必须大于1.512=18V，选择IGBT的额定电压值为600V.,电流的安全裕量取1.5倍，IGBT的电流必须大于,1.5I1=1.5165=247.5A,根据上面确定的最大电压和最大电流来选择IGBT。选择的型号为1MBI400L-060（参数400A/600V）,32,（3）变压器的计算与选型,通过上面计算可到变压器,U1=8V,I1=165A,变压器的容量为,2206=1320VA,计算变压器的U2:经过变压器以后在经过桥式整流电容滤波电路之后的电压为1.2U2，最后经过桥式逆变输出的电压为,0.91.2U2=1.08U2=220V,可以求得,U2=204V,再考虑到二极管和IGBT的压降损耗等因素，U2取210V，I2=6.3A,变压器选用单相芯式结构.,33,铁芯截面选择,定,验证：,在1到2之间都是合理的。,34,一次、二次绕组匝数计算,其中为变压器二次侧的电压，f为工频50Hz，B为磁通密度与硅钢片型号及变压器的容量有关，本设计中选用硅钢片D310，B=1.2T,S为变压器铁芯截面，为一种系数，一般取0.9。,35,一次、二次导线截面选择,其中 为一次、二次绕组的电流密度，与绝缘等级及变压器的容量有关，本设计中选择绝缘为A级绝缘自冷,考虑趋肤效应穿透公式为,经过计算上面计算得到导线的截面的半径都小于这个穿透深度，故按照这种计算方法不用考虑趋肤效应影响。,36,铁芯窗口大小的确定,铁芯窗口面积,其中 为窗口的填充系数,窗高：,窗宽：,通过上述的计算可得变压器选择为型铁芯变压器，其二次侧功率为1952W，铁芯截面29.5，窗口宽度64mm,满足上述计算要求。,37,整流二极管及滤波电容的计算与选型,通过每只二极管的平均电流通过每只二极管的平均电流：,每只二极管承受的最大反向电压：,考虑到有2倍的安全裕量，故选用二极管型号为2CZ14F（10A/600V）,选择滤波电容，这里滤波电容的主要作用是去除纹波，输出理想的直流。,根据经验，取1000F/500V的电解电容一只。,38,直流逆变环节,经过桥式整流电容滤波电路输出的电压为250V,由于直流输入电压为250V，考虑到一定的安全裕量，这里取为1.5倍，即所选的IGBT的电压必须大于1.5250=375V，选择IGBT的额定电压值为600V。,电流的安全裕量取1.5倍，IGBT的电流必须大于1.56=1.56=9A,根据上面确定的最大电压和最大电流来选择IGBT。选择的型号为1MBI400L-060（参数400A/600V）。,39,LC滤波器计算与选型,在逆变电源的输出端加入低通滤波器可以滤掉其中的高频分量，LC型滤波器具有低通滤波特性，而且滤波器的元件又少，是最简单的一种形式，应用也最广泛。本电源输出滤波器也采用此结构。输出滤波器中L和C参数与SPWM的频率紧相关。频率越高，就可以减小滤波器的体积，但同时也会增加开关损耗，从而影响逆变器的输出效率。所以应根据系统的截至频率fc以及负载RL来设计滤波器。逆变电源输出参数为:输出功率P=1320W，输出电压U=220V，频率为5OHz。逆变器输出的脉冲群中主要是50Hz的正弦波，另外还含有奇此谐波分量，以及两倍开关频率的高频分量。,因为电源的输出频率为50Hz，所以系统的截止频率满足fc50Hz。,系统特性阻抗一般取0.5一0.8倍的额定负载电阻，即,40,LC滤波器计算与选型,当取系数为0.8时，p=29，当输出电压的基波频率为50Hz时，滤波器的截止频率通常选在100Hz左右。取为100Hz时，我们可以得到输出滤波电感和电容值应为:,故选择L=47mH,C=60F,41,器件清单,名称,数量,型号,变压器,1,CD255065,整流二极管,4,ZP3-2,电解电容,2,470uF/100V1000F/500V,普通电容,1,60f/300V,普通电感,1,47mH,IGBT,8,1MBI400L-060,42,SPWM电路,电路组成：,电路主要由,正弦波,和,三角波,发生电路，控制电路组成。电路中所用到的元器件主要有ICL8038，运算放大器LF353，比较器LM311，电阻电容及齐纳二极管组成。,43,电路分析,当电路开始工作，首先由ICL8038产生的正弦波和三角波，正弦波和三角波的幅值由可调电阻来控制，得到的波可以通过LF353运算放大器构成的反相电路进行反向，得到方向相反的正弦波，正弦波与三角波信号通过LM311比较芯片产生SPWM脉冲。电路如下图所示。,44,驱动电路设计,在功率变换装置中，根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式.美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。该芯片具有驱动电流大，速度快，外围电路简单，可驱动母线电压高达500V的全桥，对输入信号要求低等优良性能。,IR2110内部功能由三部分组成：逻辑输入；电平平移及输出保护。如上所述IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的设计，可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。,本次设计我们采用倍频式SPWM技术，在开关频率不变的情况下，达到输出频率倍增的效果。IR2110用于驱动全桥逆变器用以控制IGBT的通断，在IR2110的外围电路使用二极管和齐纳二极管防止IGBT的同时导通而击穿。如下图所示，IGBT采用IRF150，4个IRF150两两串联后并联成桥式逆变主电路，U输入为出入电压，VDC输出电压，电容C1、C3为VCC的滤波电容，电容C2、C4为自举电容，二极管为自举二极管。IGBT的驱动采用芯片IR2110驱动，2个IR2110芯片分别驱动桥式逆变电路的2个桥臂。工作时，两个IR2110（1）和IR2110（2）的输入SPWM脉冲是相反的，两个IR2110分别驱动不同桥臂的IGBT管，IR2110（1）的HO驱动Q1、IR2110（1）的LO驱动Q2，IR2110（2）的HO驱动Q3、IR2110（2）的LO驱动Q4，由于输入的两个SPWM脉冲是相反的，2个桥臂上的IGBT管会交叉导通，即Q1、Q3同时导通或者Q2、Q4同时导通，两种情况依次循环导通，从而完成逆变。,45,46,