逆变器设计

《逆变器设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《逆变器设计（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、石家庄铁道大学 研究生课程研究生课程设计设计 课程名称 现代电力电子技术 设计名称 逆变器设计 培养单位电气与电子工程学院 学科专业电力系统及其自动化 任课教师马月辉 学生姓名郑俊观 学号120153406 研 究 生 学 院 1 逆变器设计逆变器设计 1 1 设计要求设计要求 设计一个直流 12V 逆变成交流 220V、6A 的电路。完成电路的设计及相应元 件的选型。 2 2 主电路设计主电路设计 2.1 电路设计思路 逆变器主电路方案为 DC(低压)/DC(高压)/AC(工频 SPWM 脉冲)。该主电路主 要包括两个环节，即直流升压和直流逆变环节。 （1）DC-DC 升压环节是低压直流电变

2、换为高压直流电的系统，升压变换器 的拓扑是根据电路系统中是否有变压器，可分为两大拓扑:非隔离型的升压变换 器和隔离型的升压变换器。 在隔离变换拓扑中， 升压变换器也实现了电气的隔离， 同时在功率比较宽的范围内高效率的工作。在本设计中选用隔离型的升压变换 器，即先把直流逆变成高频交流（20kHz），再把高频交流整成直流。 （2）DC-AC 直流逆变环节是采用全桥逆变电路，输出电压、电流的幅值为 半桥逆变电路输出幅值的两倍。 克服了半桥逆变电路直流侧串联电容的电压均衡 问题。所以后置 DC-AC 电路选择全桥逆变电路。 2.2 主电路原理图 从图 1 中可以看出主电路图可以认为是由 3 部分组成

3、，即 DC-DC、DC-AC 和 LC 滤波器，从 LC 滤波器的电容上输出电压。其中 DC-DC 环节，直流先经过逆 变成交流，在经过变压器升压，最后经过桥式整流输出高压直流。 2.3 器件计算与选择 2.3.1 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。 （2）全控器件的计算与选型 变压器一次侧电压 U1=0.9E=0.912=10.8v，考虑到管子上的压降和其他损 耗的影响，故 U1=8V。 输入的功率为 P=2206=1320W。 图 1：主电路原理图

4、2 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， 即所选的管子的电压必须大于 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，管子的电流必须大于 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）。 （3）高频变压器的计算与选型 铁氧体价格低廉，材质和磁芯规格齐全，高频性能好。但材质脆，不耐冲 击，温度性能差、适合于 10KW 以上、1MHz

5、 以下的功率变换器。因此，铁氧体材 料成为了开关电源中应用最为广泛的材料。铁氧体磁芯有环型、E 型 PM 型和罐 型结构，以及 EFD、LP 型等新近发展的平面磁芯结构。其中 EE 形磁芯相对于外 形尺寸而言有较大的窗口面积，开放式的窗口没有出线问题， 线圈与外界面积接 触面积较大，有利于空气流通，同时散热也比较方便。显然，这种结构形式优点 甚多，本文高频变压器的设计选择的就是 EE 型磁芯。 高频变压器的设计步骤如下： 1 确定高频变压器铁心的尺寸规格 开关电源输出功率与磁性材料的性质、几何形状和尺寸之间的关系可表示 为： 14 1 10 () T x we ofswj P A A K K

6、f B K (2-1) 式中， w A为磁芯窗口面积（ 2 cm）； e A为磁芯有效截面积（ 2 cm）； T P为 变压器视在功率（W）； s f为开关工作频率（Hz）； w B为工作磁感应强度（T）； f K为波形系数，有效值与平均值之比；方波时为 4； j K为电流密度比例系数， 考虑温升近似取 534； o K为窗口使用系数，一般典型值取， o K=0.4。 确定工作磁感应强度 w B变压器的工作磁感应强度 w B是开关电源变压器设 计中的一个重要性能参数，它与磁芯的材料、结构形式、功率大小、工作频率等 因素都有关系。在确定工作的磁感应强度时，应满足温升等因素对耗损的限制， 使磁芯不

7、饱和。常用的磁性材料的工作磁感应强度如表 1 所示。 表 1 磁性材料的工作磁感应强度 磁芯材料铁氧体IJ851 合金Co 基非晶态合金 工作感应强度0.150.250.40.50.50.6 3 确定电流密度系数 j K 电流密度系数 j K取决于磁芯的形式、温升及表面积。在开关电源变压器设 计时，若没有确定磁芯形式，要确定电流密度系数就有一定的困难。所以在设计 时， 应先确定磁芯的结构和体积。 不同结构形式磁芯的电流密度系数如表 2 所示。 表 2 磁芯电流密度系数 罐形磁芯E 形磁芯C 形磁芯环形磁芯 25433366322250 50632534468365 确定变压器视在功率 T P

8、1 (1) o Toioo P PPPPP 其中取 0.9(2-2) 由式（2-1）得 4 12. 01 1 3 4 19.10) 53416. 0102044 . 0 10) 9 . 0 1 1 (1320 (cmAAw (2-3) 考虑到散热和绕组的空间，应将理论所计算的值进行适当的扩大， 同时参考 磁性材料厂家的产品规格，最后选用 EE55 型铁氧体磁芯材料。磁芯的有效截面 积 e A=3.515 2 cm，铁芯窗口面积 e A=3.9 2 cm，因此 EE55 磁铁的尺寸规格为 Pwe AA A=13.71 4 cm。而开关电源的设计尺寸规格为 3.96 4 cm，所以所选的尺 寸规格

9、足够大，能够满足设计要求。 2 参数计算 原边匝数 由电磁感应定律 = p d E N dt 得 8 10 in inppe dBd VENN A dtdt (2-4) 磁 芯 形 式 电 流 密 度 系 数 温度（ ） 4 则原边绕组的匝数为 88 min 10104.91 () oninD p eineinT ETV N ABA BBf (2-5) 式中，E 为原边绕组输入电压值，单位为 V；D 是脉冲占空比，取 0.5； e A是 磁芯有效截面积，单位为 2 cm 0.1 F； m B是最大磁感应强度，单位为 G； r B是剩 余磁感应强度，单位为 G。取 p N为 5 匝为了使输出电压

10、满足能够系统的需要， 并留有一定的余量，应尽量使变压器的原、副边的匝数比取的小一些。所以在设 计时就要求电路在输入电压最低时，输出电压仍能达到系统的要求。设计时，开 关管的参数为：工作频率为 20kHz，最大占空比取 0.5，最小输入电压为 8V，输 出电压为 220V， 直流环节输出功率 o P为 1320W。 输出电压 o V与变压器副边电压 o V 的关系为 V D V V440 5 . 0 220 0 0 （2-6） V与 in V的电压比是原、副边的匝数比，考虑到两个 IGBT 管的压降，则 计算式（2-11）应变为 2 o sp inIGBT V NN VV (2-7) 式中， I

11、GBT V为 IGBT 的管压降，取 1V， s N由此求得为 366.7，取 367 匝。 电流密度 212. 0 /8 .421)19.10(534)(cmAAAKJ x wj （2-8） 输出电压有效值 2 2 0 1 ()522 t DT oo m s VV VdtV TDD =3 .622 5 . 0 440 V(2-9) 变压器副边绕组电流有效值 2 2 2.10 o m m P IA V 2.21A(2-10) 变压器副边绕组电流峰值 2 /3.10 om IIDA3A(2-11) 原边绕组电流有效值 5 122 (1 0.05)42.15 ss mHmm pp NN IIIIA

12、 NN 170.3A (2-12) 式中， H I磁化电流有效值约为初级电流有效值的 5%10%，即 2 (5%10%) s Hm p N II N ,取 2 =5% s Hm p N II N 2 验算输出电压 o V min 376350 sin od p NVD VVVV N 220V（2-13） 能够满足设计要求。 3 集肤效应 穿透深度可用下式来表示 mm fur 66. 0 1058104102014. 32 2 2 2 673 （2-14） 由式（2-14）可见，穿透深度与频率平方根成反比，随着频率的增加，穿透 深度减少。所以集肤效应在工频条件下影响较小，而在高频时影响较大。为了

13、减 少集肤效应的影响，一般要求导线线径小于两倍穿透深度。 因此本设计应选用线 径小于 1.32mm 的铜线。 4 线圈股数 原边裸线面积 2 1 0.108 m xp I Acm J 2 404. 0cm（2-15） 实际绕制中，原边选用 294 股线径为 1.32mm 的漆包线并绕。 副边裸线面积 2 2 2.10 0.0058 356 m xp I Acm J 2 00524. 0cm（2-16） 实际绕制中，副边选用 4 股线径为 1.32mm 的漆包线并绕。 （4）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A15. 33 . 6 2 1 2 1 2 IIBD 每只二极管

14、承受的最大反向电压V297210414. 12 2 UURM 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。 2.3.2 直流逆变环节 进过桥式整流电容滤波电路输出的电压为 250V 6 1320 220 )8.05.0()8.05.0( 22 P U C L mH f L c 2 .46 1002 29 2 F f C c 88.54 291002 1 2 1 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

15、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）。 2.3.3LC 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

16、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 SOHz。 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 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