正弦波逆变器逆变主电路介绍

正弦波逆变器逆变主电路介绍主电路及其仿真波形图1主电路的仿真原理图图1.1是输出电压的波形和输出电感电流的波形。 上部分为输出电压波形，下面 为电感电流波形。0.080m10dm 12d*m14.Dm l.Dm1付图1.1输出电压和输出电感电流的波形图1.2为通过三角载波与正弦基波比较输出的驱动信号，从上到下分别为S1、S3、S2 S4的驱动信号，从图中可以看出和理论分析的 HPW调制方式的开关管 的工作波形向一致。图1.2开关管波形从图1.3的放大的图形可以看出，四个开关管工作在正半周期， S1和S3工 作在互补的调制状态，S4工作在常导通状态，S2截止；在负半周期，S2和S4 工作在互补的调制状态，S3工作在常导通状态，S1截止。图1.3放大的开关管波形图1.4为主电路工作模态的仿真波形，图中从上到下分别为C3的电压波形、 C1的电压波形、S3开关管的驱动波形，S1的驱动波形。从图中可以看出在 S1 关断的瞬间，辅助电容的电压开始上升，完成充电过程，同时 S3上的辅助电容 完成放电过程，S3开通。图1.4工作模态仿真波形图1.5为开关管的驱动电压波形和电感电流波形图，图中从上到下分别为电感电流波形、S3驱动波形、S1驱动波形。从图中可以看出当 S1关断瞬间到S3 开通的瞬间，电感电流为一包值，S3开通后，电感电流不断下降到 S3关断时的 最小值，然后到S1开通之前仍然为一包值，直到 S1开通，重复以上过程。根据 以上结论可以看出仿真分析状态和前面的理论分析完全符合。图1.5开关管的驱动电压波形和电感电流波形2滤波环节参数设计与仿真分析2.1 输出滤波电感和电容的选取对逆变电源而言，由于逆变电路输出电压波形谐波含量较高， 为获得良好的 正弦波形，必须设计良好的LC滤波器来消除开关频率附近的高次谐波。滤波电容C是滤除高次谐波，保证输出电压的THD两足要求。G越大，则THD 小，但是G不断的增大，意味着无功电流也随之增加，从而增加了逆变电源的 电容容量，同时会导致逆变电源系统体积重量增加， 同时电容太大，充放电时间 也延长，对输出波形也会产生一定的影响。逆变桥输出调制波形中的高次谐波主要降在滤波电感的两端，所以L的大小关系到输出波形的质量。要保证输出的谐波含量较低，滤波电感的感值不能太小。 增加滤波器电感量可以更好地抑制低次谐波， 但是电感量的增加带来体积重量的 加大。不仅如此，滤波电感的大小还影响逆变器的动态特性。 滤波电感越大，电 感电流变化越慢，动态时间越长，波形畸变越严重。而减小滤波电感，可以改善 电路的动态性能，则使得输出电流的开关纹波加大，必然增大磁滞损耗，波形也 会变差。综合以上的分析，在 LC滤波器的参数设计时应综合考虑。本文设计的LC滤波器如图3.12 中所示，电感的电抗 XL =6L = 2兀fL , XL随频率的升高而增大。电容的电抗为一 11 一.1XC =, XC随频率的升高而减小。8 L=所对应C 2二 fCC的频率为谐振频率fc,即fc c c-j- 0设逆变器输出电压的基波频率2 LC为f0,开关频率为fs，则有f01fc Ifs。由于f01 fc，故0L1,电感对基波信号的阻抗小，电容对基波分流信号很小，即基0C波器允许基波信号通过。由于 ffc，故 qLc s s1-，电感对开关频 sC率分量阻抗很大，电容对开关频率分量分流很大，即滤波器不允许开关频率分 量通过，更不允许它的高次谐波分量通过。则该滤波器可以满足滤波要求。由于采用了高频开关技术，输出正弦波的谐波分量主要集中在开关电源附1近，因此谐振频率可以选得较图。设=一, ,而谐振频率fc,则可得L、C的计算公式:l lc2 fc,C = -1（式 1-1）2 fl lc本文的逆变电源功率为输出电压为235V,开关频率为15KHz额定负载为56 Qo 0 一般取额定负载 RL的0.40.8倍，而fc 一般取开关频率的0.040.1倍,本设计取fc=0.08fs, p 0 0.6RL,则由式（1-1）可计算出:CfLf2 二 fc2 f33.6 田2 3.14 12004.46mH （式 1-2）定 3.949卜 F （式 1-3）2 3.14 1200 33.62.2输出滤波电感的设计本文Lf为4.46mH。滤波电容电流的有效值为：Icf= oCfU0 = 2 3.14 100 3.949 106 235 0.583A（式 2-1 ）110%ft载时，负载的电流有效值为1 omaxBmaxU O1000 110%2354.681A （式 2-2）容性负载时电感电流最大，因此电感电流的有效值为：ILf = Icf2 Iomax2 - 2Icf .Iomax COS（900l）5.08A（式 2-3）一 .-1其中，* L = cos 0.75。考虑到滤波电感电流的脉动量，滤波电感的电流峰值为：ILfmax = （1+10%）亚ILf = 1.1父 后父 5.08归 7.90A（式2-4）电感选用Mn - Zn R2KBD型铁氧体材料铁心PM 62M 49, 其磁路截面积SC = 4. 9c吊，）窗口面积Q = 3. 2 6c（吊,）Bm = 3500GS,滤波电感的匝数为:L f I Lf maxN ）BmSC取N=206匝，气隙:一34.46 10 3 7.90”工二定 205.44 （式 2-5）3500 104.9 1060 =0.4nN2SC/Lf =0.58558 cm。按滤波电感电流有效值I Lf = 5.08 A。选取导线，取j = 3Almm2,导线的截面积为I Lf / j = % = 2mm2, 3导线选用 0 .父1cm 2的铜皮。窗口利用系数K =0 .父1父I2/Q = 0 1,2 0= 2 0可除成半刎6u326为了验证滤波环节的参数设计，根据主电路拓扑结构，对电容和电感值进 行了仿真分析。图2.1 (a)的参数为：Lf = 4.46mH ,Cf = 3.949 F , 可以明显看出输出电压的波形优于其他两个输出波形；图2.1 (b)为 Lf = 0.446mH的输出电压波形，从图中可以看出，由于电感的值变小，输出电压的谐波含量变大；图2.1 (c)为Cf = 12卜F ,的输出电压波形, 由于电容的过大，反而使输出电压的纹波加大。(a)标准输出电压波形(b)L=0.446mH,输出电压波形(b)C=10尸,输出电压波形 图2.1滤波环节参数仿真分析3:逆变数字控制系统硬件设计数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP )是针对数字信号处理 的需求而设计的一种可编程的单片机，也称DSP芯片，是现代电子技术、计算机 技术和信号处理技术相结合的产物。DSPft 20世纪70年代有了飞速的发展，到 20世纪80年代，数字信号处理已应用到各个工程技术领域，不管在军用还是在民用系统中都发挥了积极的作用。工作中常见的应用有传真机、调制解调器、磁 盘驱动器和电机控制等。而数码相机、MP*口手机等都是日常生活中 DSP的典型 应用。3.1 HPWM 调制方式下ZVS的实现逆变电源越来越趋向高频化设计，传统的硬开关所固有的缺陷变得不可容忍： 开关元件开通和关断损耗大；容性开通问题；二极管反向恢复问题；感性关断问题； 硬开关电路的EMI问题。因此，有必要寻求较好的解决方案尽量减少或消除硬开 关带来的各种问题。软开关技术是克服以上缺陷的有效办法。 最理想的软开通过 程是：电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，开通损耗近零。因功率管 开通前电压已下降到零，具结电容上的电压即为零，故解决了容性开通问题，同 时也意味着二极管已经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管的反向恢复问题 亦不复存在。最理想的软关断过程为：电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态 值，所以关断损耗近似为零。由于功率管关断前电流已下降到零，即线路电感中 电流亦为零，所以感性关断问题得以解决。基于此，本文采用了全桥逆变桥 HPW胜制方式实现ZVS软开关技术，具设 计思路是在尽量不改变硬开关拓扑结构的前提下即尽量不增加或少增加辅助元 件的前提下，有效利用现有的电路元件及功率管的寄生参数， 为逆变桥主功率管 创造ZVS软开关条件，最大限度的实现ZVS从而达到减少电路损耗，降低EMI, 提高可靠性的目的。HPW软开关方式在整个输出电压的一个周期内共有 12种开关状态，基于正 负半周两个桥臂工作的对称性，以输出电压正半周为例，分析其一个开关周期工 作模态。如图2.2为输出电压正半周的一个开关周期内的电路的主要波形，此时 S4 工作在常通状态，S2处于关断状态，S1和S3处于互补调制状态。由于载波的频 率远大于输出电压基波频率，在一个开关周期Ts内近似认为输出电压 U保持不变，电感电流的相邻开关周期的瞬时极值不变。图2.3模式A电路等效工作模式图S1和S4导通，电路为正电压输出模式，滤波电感电流线性增加，直到 ti 时刻S1关断为止。电感电流：Uge1Uc1Uge311iL-10Uc3i ds1ids3图2.2 ZVS主要工作波形1、模式A,从10和11时刻，对应的电路等效工作模式如图2.3ti t2Ud U0t（式 3-1 ）Lf2、模式B,从ti和t2时刻，对应的电路等效工作模式如图2.4图2.4模式B电路等效工作模式图在ti时刻，S1关断，电感电流从S1中转移到C1和C3支路，给C1充电， 同时给C3放电。由于C1、C3的存在，S1为零电压关断。在此很短的时间内， 可以认为电感电流近似不变，为恒流源，则 C1两端电压线性上升，C3两端电压 线性下降。到t2时刻，C3电压下降到零，S3的体二极管D3自然导通，电路模 式B结束。I1 = iL（t|）（式 3-2）Ud（t）二I12Cefft （式 3-3）UC3（t） = Ud 一t （式 3-4）3、模式C,从12和13时刻，对应的电路等效工作模式如图3.6D3导通后，开通S3,所以S3为零电压开通。电流由D3向S3转移，此时S3工作于同步整流状态，电流基本上由 S3流过，电路处于零态续流状态，电感电流线性减小，直到t3时刻,断和S3开通之间需要死区时间减小到零。此期间要保证 S3实现ZVS则S1关 tdead1 ，并且满足以下要求：tdead12CeffUd （式 3-5）11iL（t）:11匕t （式3-6）Lf4、模式D,从13和14时刻，对应的电路等效工作模式如图3.7。3本s A图3.7模式D电路等效工作模式图在此模式加在滤波电感Lf上的电压为-5,则电感电流开始由零向负向增加， 电路处于零态储能状态，S3中的电流也相应由零正向增加，到t4时刻S3关断, 结束D模式。电感电流： 小 U。，lL（t） = 0t （式 3-7）Lf5、模式E,从t4和t5时刻，对应的电路等效工作模式如图3.8图3.8模式E电路等效工作模式图此模式状态与模式A近似，S3关断，C3充电，C1放电，同上分析同理S3 为零电压关断。t5时刻，C1的电压降到零，二极管D1自然导通，进入下一电路 模式相关电流电压值为：To = iL(t4)(式 3-8)Uc3（t） =Lf （式 3-9） 2CeffUci（t） = Ud1 02Cefft （式 3-10）6、模式F,从15和16时刻，对应的电路等效工作模式如图3.9在D1导通后，开通S1,则S1为零电压开通。电流由D1向S1转移，S1工 作于同步整流状态，电路处于正电压输出状态回馈模式， 电感电流负向减小，直 到减小到零，之后输入电压正向输出给电感储能，回到初始模式 A,开始下一开 关周期。此期间电感电流：U, - UnlL（t） = - I0 +-t （式 3-11）Lf同理要保证S1零电压开通，则S3关断和S1开通之间需要死区时间tdead2,12CeffUd.同时满足：tdead2 ,需要注意的是一般有11A I0,因此得出1 0tdead2 tdead1 0HPWMB制方式下ZVS实现的条件及范围：由以上的工作模式分析可知，由于电容 C1和C3的存在，S1和S3开关管容 易实现ZVS关断；要实现功率管的零电压开通，必须保证有足够的能量在其开通 之前抽去等效并联电容上所储存的电荷，即要满足以下条件：1 21212212 Lf iL CeffU d- CeffU d = CeffUd （式 3-12）在上面的分析中，下管总是容易实现ZVS开通，因为其开通时刻总是在电感 电流的瞬时最大值的时刻，即使轻载时电感储存的能量也可以保证其实现零电压 开通；对于上管来说，则必须在零态续流模式中电感电流瞬时值由正变负，达到一定负向值，才能保证在下管关断时该电流可以使上管等效并联的电容放电，从而实现其零电压开通。此种情况实际为输出半个周期中电感电流与输出电压同向，即U) 0,i L0的情况；当二者反向即iL tdead1成立。为充分保证上管软开关的实现， 则 可以考虑在下管驱动附加加速关断措施，如采用电阻二极管网络，以适当增加下管关断到上管开通之间的死区时间。2.由上述可知，由于要保证ZVS的实现，则滤波电感上必然存在较大的电流 脉动，因而电感的磁芯损耗比较大，实际应用须选用电阻率高、高频损耗小的磁 芯材料。3.由上述的分析得知由于ZVS实现的范围与电感磁芯损耗的矛盾，在负载 范围较大的情况下，很难折衷得到很好的效果，因此该方式只适用于较小功率的 应用场合，而应用于较大功率场合时，则可以考虑用相同功率的模块并联来实现。3.2.3仿真分析仿真采用Saber2007软件执行，Saber是美国Analogy公司开发并于1987 年推出的模拟及混合信号仿真软件， 被誉为全球最先进的系统仿真软件， 也是唯 一的多技术、多领域的系统仿真产品。Analogy公司 在机电一体化和电力电子设计、分析方面居世界领先地位，其产品广泛应用于电力、电 子、航空、运输、 家用电器及军事等领域。与传统仿真软件不同，Saber在结构上采用硬 件描述语言(MAST和单内核混合仿真方案，并对仿真算法进行了改进，使 Saber仿真 速度更快、更加有效、应用也越来越广泛。应用工程师在进行系统设计时，建 立最精确、最完善的系统仿真模型是至关重要的。Saber 软件主要包括 Saber Sketch 和 Saber Designer 两部分。Saber Sketch 用于绘制电路图，而Saber Designer用于对电路仿真模拟，模拟结果可在Saber Scope和Design Probe中查看。Saber的特点归纳有以下几条：1、集成度高：从调用画图程序到仿真模拟，可以在一个环境中完成，不用 四处切换工作环境。2、完整的图形查看功能：Saber提供了 Saber Scope ft Design Probe来查 看仿真结果，而Saber Scope功能更加强大。3、能实现各种完整的高级仿真：可进行偏置点分析、DC分析、AC分析、瞬态分析、温度分析、参数分析、傅立叶分析、蒙特卡诺分析、噪声分析、应力分 析、失真分析等。4、模块化和层次化：可将一部分电路块创建成一个符号表示，用于层次设 计，并可对子电路和整体电路仿真模拟。5、模拟行为模型：对电路在实际应用中的可能遇到的情况，如温度变化及 各部件参数漂移等，进行仿真模拟。图3.10是主电路的仿真原理图，仿真的主要参数为：输入电 压：Uin=300V(DC),输出电压：235V(AC),输出频率：fo=100Hz,载波频率：fc 二15kHz,调制比为0.8,负载为阻性负载.(方针主电路图略)