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1、目录目 录1 绪论 . 11.1 研究背景及意义 11.2 国内外研究进展及发展趋势 11.3 本文主要研究内容 32 系统主电路拓扑和控制方案的选取 52.1 常用 DC/DC 变换器拓扑分析 52.2 系统主电路拓扑方案的选取 82.3 系统控制方案的选取 92.3.1 电压模式控制. 92.3.2 电流模式控制 102.3.3 控制方案的选取 113 系统效率分析及主电路参数的设计. 133.1 系统整体结构及工作原理 . 133.2 电源系统的效率分析 . 143.2.1 影响电源效率的主要因素 143.2.2 电源效率的优化的分析 153.3 推挽主电路的设计 . 173.3.1 开
2、关管的选取 173.3.2 整流二极管的选取 . 173.3.3 高频变压器的设计 . 183.3.4 直流输出 LC 滤波器的设计 213.4 全桥逆变主电路的设计 . 243.4.1 开关管的选取 . 243.4.2 交流输出 LC 滤波器的设计 254 系统控制电路的设计. 274.1 推挽 DC/DC 变换器控制电路设计 . 274.1.1 高频 PWM 波的产生 274.1.2 双环控制系统的设计 . 284.1.3 缓冲电路设计 . 364.2 全桥逆变 DC/AC 变换器控制电路设计 . 374.2.1 驱动电路设计 . 37i4.2.2 吸收电路设计. 384.3 保护电路设计
3、. 405 实验样机制作与实验结果分析 415.1 推挽 DC/DC 变换器实验结果及分析. 425.2 全桥逆变电路实验结果及分析. 485.3 系统硬件调试问题. 496 总结与展望 516.1 总结. 516.2 展望. 52致谢 53参考文献 54ii。绪论1 绪论1.1 研究背景及意义随着社会的不断发展，人们生活水平的日益提高，汽车已由最开始的代步工具转变为人们生活的必需品，现今又从生活必需品向享受生活的层面过渡。更重要的是有车一族在日常出行的生活中应用的电子产品越来越多，比如车载音响、车载 DVD、车载冰箱、笔记本电脑、手机充电器、以及各种电源适配器等等。以上这些电子产品一般都需要
4、 220V的市电来供电，而汽车上所具有的电源是蓄电池，一般为 12V 的直流电。因此要在汽车上应用这些电子设备就必须在汽车上装配一种电源转换器，即车载电源转换器。车载电源转换器给有车族出行的生活带来了很大方便，解决了有车族出门旅行因为手机或电脑没电给办公或旅行带来的诸多不便。尤其是在户外遇到不可预测的突发事件，车载逆变电源更是保证人身、财产安全的有力工具。在发达国家，车载逆变电源是每辆汽车必须具备的，在我们国家车载逆变电源的使用率还比较低，加之每年汽车销量居高不下，因此，车载逆变电源在国内有很大的市场前景。所以，不论从实际生活需要、经济利益还是市场前景方面来看，对车载逆变电源的研究都有着十分重
5、大的意义【1】 【3】1.2 国内外研究进展及发展趋势车载逆变电源也属于逆变电源，而逆变电源的发展与电力电子技术和电力电子器件的发展密不可分，其发展正是跟着现代电力电子技术一步步发展起来的。功率开关元件是组成逆变电源的重要部分，它历经从不可控到可半控，再到可全控的发展历程，而现今己迈入了频率高、容量大、模块化驱动容易和智能化的新时代。自 20 世纪 50 年代，晶闸管 SCR 开始进入工业实用化阶段。到70 年代末，电力场效应晶体管（Power MOSFET） ，双极结型晶体管（BJT） 、达林顿晶体管(DT)、巨型晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管(GTO)、高频晶闸管以及双向晶闸管等先后进
6、入工业应用领域。而使用PWM 控制技术的GTR 变频调速设备的成功研制是该时期的典型代表，它达到了对交流电机在大范围内的无级变速控制。到80 年代，大功率的MOSFET、绝缘栅型晶体管（IGBT） 、场控型晶闸管（MCT）等一些高频、全控型的功率器件，还有一些经典拓扑结构经过优化的各种功率变换拓扑的应用，都使得电力电子技术迈入了现代电力电子技术的新时代。而现今，迈入高频化的新技术阶段，这个阶段的开关元件以高速器件为主，逆变器具有较高的开关频率，波形的改善主要以PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)为主。逆变器具有体积小、重量轻、转换效率高等诸多优点。正弦脉宽调制 (简
7、称 SPWM)技术最早是在 1964 年被提出来的，由于当时功率开关元件速度跟不上而直至1975 年才正式的被应用1。西安理工大学硕士学位论文于逆变器技术中，这种应用使得逆变器在性能上有很大的提高。之后，相继出现的许多不同 PWM 控制技术，在高速元件的应用中占据着主导地位。至此，正弦逆变在技术方面的发展已经基本上得到完善。车载电源由于其特殊的应用场合，其本身得有体积小的特点，因此采用高频化方法成为了减小电源体积的有效措施，然而，提高开关频率在达到减小电源体积这个目的的同时也带来了诸多问题，其中增加开关损耗、增大电磁干扰就是最主要的两个问题。因此，又用到了谐振软开关技术来解决以上两个主要问题，
8、而最早的谐振技术不能按照 PWM 方式工作。直到上个世纪 80 年代初，美国弗吉尼亚电力电子中心（VPEC）对谐振技术进行了改进，提出了准谐振变换技术，即把 LC 回路在一个开关周期中的全谐振改变为半谐振或部分谐振，这才使软开关与 PWM 技术的结合成为可能。PWM 软开关技术在现代电力电子技术领域是最热门的研究对象之一，是实现开关电源高频化的最有效方法，也是一种理论性研究很强的对象。这项研究对于进一步提高逆变器的性能和进一步推广逆变器的应用，以及对整个电力电子技术未来的发展，都具有非常重要的意义，是现代逆变电源发展的方向之一。车载电源因其较特殊的使用场合，决定着其必须朝着以下几方面发展：1、
9、体积小、重量轻、频率高。储能元件 (磁性元件和电容)的体积和重量是整个开关电源的体积和重量的重要组成部分，因此要使开关电源实现小型化，实际上就是尽可能的减小所用储能元件的体积。而在一定的范围内，提高开关频率，不仅能对电容、电感及变压器的体型有效地减小，而且还能有效的抑制干扰，优化系统的动态性能。因此，提高频率是开关电源发展的主要方向。2、高可靠性。在一个电源系统中，可靠性的高低与所使用元件的数量成反比关系，而制作一个开关电源，要使用的元器件比制作一个连续工作的电源少几十倍，因此可靠性得到了提高。从使用寿命的角度来看，电源的寿命由电解电容、光耦合器等器件的寿命来决定。因而，要从设计方面着眼，尽可
10、能较少的使用元件，使产品的集成程度得到提高。这样一来不仅降低了电路的复杂性、也提高了系统的可靠性，同时增加相应的保护、监控功能，对电路也进行了简化，减小了平均故障发生的概率。3、低噪声。噪声大是开关电源的主要缺点之一。如果一味地提高频率，那么系统的噪声就会跟着加大。而使用局部谐振变换回路技术，在理论和原理上既可以减小噪声又可以提高频率。所以，最大限度地减小噪声的影响是开关电源的又一发展方向。4、采用仿真软件设计和控制。利用 MATLAB、PSPICE、SABER 等电力电子仿真软件，设计最新变换拓扑和实现参数的最佳匹配，使开关电源不但具有最简洁的结构，而且拥有最佳的工况。在电路中引入微机检测和
11、控制，可构成多功能监测系统，可以实时检测、记录并自动报警等【4】2绪论1.3 本文主要研究内容本 文 以 车 载 逆 变 电 源 为 研 究 背 景 ， 将 汽 车 上 蓄 电 池 输 出 的 12V 直 流 电 压 变 换 为220V/50Hz 输出的交流电压，其中前级采用推挽结构，通过控制两个开关管的开通和关断将输入的直流电压信号变成高频方波，然后经过高频变压器升压，再经过全桥不控整流和滤波电路，最后经过后级全桥逆变电路和输出滤波器得到需要的220V/50Hz 的交流输出电压信号。本文针对前级推挽电路存在的偏磁问题进行了研究与分析，并用硬件电路实现了直流母线输出电压的闭环控制。最后在前级采
12、用电流模式控制方法，外环电压环，内环电流环，内环电流环采用直接的电流峰值控制技术，它可以及时、快速、准确的检测开关管的瞬态电流脉冲，自然形成了逐个电流脉冲检测电路。控制电路控制每个交替脉冲电流的幅值相等，只要电流脉冲达到预定的幅度，电流控制回路就动作，使得脉冲宽度产生变化，使磁芯工作点保持在 B/H 回线的中心点附近，可以有效地解决推挽电路存在的偏磁问题。并且系统的响应速度快、控制精确。后级采用三环控制方案，在电压瞬时值外环，电容电流内环的基础上增加电压有效值外环这样的三环控制方案，保证输出波形的质量，使输出波形稳定，带载效果良好。最后，本文按照车载逆变电源的规格及参数，制作了一台200W的实
13、验样机，并在样机上进行了针对性的实验研究，实验比较成功。最后采集了相关实验波形，实验结果表明，本文所采取的控制方案合理，控制效果良好；驱动电路的设计合理、准确、可靠；缓冲吸收电路设计合理，取得了较好的缓冲吸收效果。最后制作的样机运行可靠、安全。可长时间的安全运行，带载效果良好、可靠。本论文研究工作的主要内容及章节安排如下：第一章，绪论。本章以车载逆变电源的实际应用背景为基础，引出了本文课题来源，并阐述了逆变电源的研究现状及车载逆变电源以后的发展趋势，最后，对本文每章节的研究工作做了简单介绍。第二章，逆变电源系统主电路拓扑和控制方案的选取。本章通过对多种电路拓扑的学习与分析，综合分析每种电路拓扑
14、的优缺点及它们各自不同的应用场合，最终拟定前级采用推挽电路拓扑，后级采用全桥逆变电路拓扑结构这样的两级变换电路作为电源系统的主电路拓扑来进行逆变电源的设计与制作。最后通过对前级电路常采用的控制方案进行比较，本文最终确定在前级推挽 DC/DC 变换器采用电流型控制方案。使用的驱动芯片是电流型驱动芯片 UC3846。第三章，逆变电源系统的工作原理、效率分析及主电路参数的设计。本章首先对整个逆变电源系统的工作原理进行了分析与介绍，然后对电源系统的效率进行了研究，分析了影响电源系统效率的主要因素，最后对电源系统效率的提升提出了解决方案与优化方法。最后对系统主电路参数的设计进行了详细介绍。其中主要包括：
15、前级推挽升压电路的工作原理分析与介绍、后级全桥逆变电路的拓扑结构及原理分析、前级功3西安理工大学硕士学位论文率开关器件的选取、前级整流二极管的选取、高频变压器的设计与制作、直流输出 LC 滤波器电感及电容的参数设计、后级功率开关器件的选取以及交流输出 LC 滤波器的参数设计。第四章，逆变电源控制系统的设计。本章主要介绍电源系统的控制电路设计部分，主要包括前级推挽电路驱动电路的设计、选用的驱动芯片 UC3846 的简单介绍及使用方法、前级吸收电路的设计、后级全桥逆变电路驱动电路的设计、后级吸收电路的设计以及逆变电源整体系统故障保护电路的设计。第五章，逆变电源实验样机的制作与实验结果分析。本章展示
16、了制作的一台 200W 实验样机，并重点对具体的实验内容和实验中采集的波形进行了分析与研究。实验内容与分析分为前级推挽电路的实验结果分析和整个电源系统的实验结果分析。最后对实验平台的搭建和调试过程中 遇到的具体问题进行了陈述与说明。第六章，总结与展望。4系统主电路拓扑和控制方案的选取2 系统主电路拓扑和控制方案的选取结合本课题的研究背景并针对车载逆变电源的特殊使用场合，由于逆变电源要在汽车上直接使用，而汽车又是高档消费品，因此要求无论在任何情况下都对汽车有保护作用，即要求车载逆变电源要实现输入输出上的电气隔离。而要在汽车上实现直流电向交流电的转换，本文采用 DC/DC 变流电路（ DC/DC Converter）和 DC/AC 逆变电路（ DC/AC Inverter）两级变换实现汽车上 12V 直流电向 220V 交流电的变换。前级的 DC/DC 变换器有直接直流变流电路和间接直流变流电路两种电路形式。其中直接直流变流电路也称为直流斩波电路（DC Chopper） ，其原理是直接把一种直流电变换为另一种电压不等的直流电，这种拓扑输入输出之间不带隔离。其主要包括
