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1、300W车载逆变器的设计06机电技术教育指导教师前言前言 车载的单相逆变器输入电压为DC 12 V，必须进行逆变才能够输出单相AC 220 V、50 Hz电压。但DC 12 V电压直接逆变无法输出AC 220 V电压，必须进行升压。对于车辆单相逆变器，升压方式有2种：DC-DC升压后再逆变和DC逆变成AC后再升压。第1种方式采用高频升压技术，第2种方式采用工频升压技术。 本次设计介绍的是一款用SPWM技术设计的体积小巧的车载逆变器。把家用电器连接到电源转换器的输出端就能在汽车内使用各种电器象在家里使用一样方便。 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 1.1逆变器的概述逆变器的概述 静态功率交换器（
2、即逆变器）的主要目的是将直流电能变换成交变的电能，供一般电器使用，逆变器的一些应用，如：交流调速传动（ASD）、UPS、静态无功补偿、有源滤波、柔性交流输电系统（FACTS）等，和电压补偿都要求有交变的输出波形。对于正弦波交流输出，其幅值、频率和相位都要求可控。按照输出波形的类型，把具有输出电压波形独立可控拓扑的逆变器称为电压源逆变器（VSI），由于这类逆变器能满足许多工业场合得要求而得到十分广泛得应用。类似地，把具有输出电流波形独立可控拓扑得逆变器称为电流逆变器（CSI），此类逆变器在对电压波形的品质要求较高的工业场合仍得到广泛得应用。 1.2 1.2逆变器的发展历史逆变器的发展历史 电力突
3、然中断可能会带来极大地损失，随着电力电子技术的发展，以及逆变器市场的巨大发展，都促进了近年来逆变技术的迅猛发展，本文将试着对当下逆变技术的发展趋势进行一些分析。 逆变器的发展经历三个阶段：1. 二极管逆变器阶段，主要是以二极管的单向导电性来实现直流的通断，再通过电流方向的转换就变成了简单低频的交流电。2. 晶闸管逆变器阶段，主要的技术发展方向是：不断升压满足日常生活应用时，对象系统要求有外部电路可以控制电流方向的切换，突显其对象的远程控制能力。 3. SPWM技术逆变器阶段，变频电源大多采用正弦脉宽调制，即所谓SPWM技术。 第二章第二章 逆变主电路技术逆变主电路技术 逆变器包括单相电压源、电
4、流源逆变器和三相电压源。 单相电压源逆变器：单相电压源逆变器： 常见的单相正弦逆变电源主电路主要有半桥、全桥、推挽三种结构，其中以全桥逆变电路应用最为广泛。下面以全桥逆变电路为主，分别对单相电压型正弦逆变电源的这三种电路的拓扑结构和工作原理进行介绍和分析。 半桥逆变电路半桥逆变电路 它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控元件和一个反并联二极管组成。 半桥逆变电路的原理图如图所示，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控元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，使得两个电容的联接点o为直流电源的中点，图中VoVAO 。 全桥逆变电路全桥逆变电路 全桥逆变电路可以认为是由两个半桥逆变电
5、路组成的，在单相电压型逆变电路中是应用最多的电路，主要用于大容量场合。在相同的直流输入电压下，全桥逆变电路的最大输出电压是半桥逆变电路的两倍。这意味着输出功率相同时，全桥逆变器的输出电流和通过开关元件的电流均为半桥逆变电路的一半。在大功率场合，这是一个显著的优点，可以减少所需并联的元件数。对于电压型全桥逆变电路，其常用的开关控制模式主要分为双电压极性控制双电压极性控制和单电压极性控制单电压极性控制两种方式。 推挽式逆变电路推挽式逆变电路 推挽式逆变电路如图所示，推挽式逆变电路在输出端需要原边带有中心抽头的变压器。T1在输出电流 Io为正时导通，而D1在Io为负时导通。因此，当T1导通，T2关断
6、时，无论Io的方向如何，总有Vo = Vd/n，其中n为变压器原边一半绕组（由一端到抽头）与副边绕组间的变比。类似的，当T2导通，T1关断时，总有Vo = Vd/n。推挽式可工作于PWM方式或方波方式，输出波形与全桥逆变电路相同。 第三章第三章 SPWM SPWM技术技术 脉宽调制的一般原理脉宽调制的一般原理 PWM逆变器通过对逆变器本身的控制来实现调压的一种方法，它是把逆变器的输出电压斩波成脉冲，通过改变脉冲的宽度、数量或分布规律，以改变输出电压的数值和频率，这种方法称脉宽调制（PWM）。逆变器的脉宽调制大致可分为单脉宽调制、多脉宽调制、正弦脉宽调制等数种。不同的脉宽调制方法引起的谐波分量不
7、同，其中正弦脉宽调制谐波分量最少。PWM逆变器的技术关键之一是PWM调制方法，其原理有面积法、图解法、计算法、采样法、优化法、斩波法、角度法、跟踪法和次谐波法等、各种PWM逆变器的区别主要在PWM波形的生成方法上，其类型很多。鉴于脉宽调制方法对逆变器性能与控制线路组成等关系密切。 正弦脉宽调制正弦脉宽调制 SPWM是最常见的一种调制方法，正弦脉宽调制波（SPWM）的谐波影响较小，在各类逆变器应用中特别是在交流调速系统中被广泛采用，对于SPWM波的生成方法，人们进行了大量的研究，归纳起来，它是利用三角波对正弦波的调三角波对正弦波的调制采样制采样得到SPWM波形。其在半周期中调制脉冲的特点是为等距
8、、登幅、不等宽（可调），且总是中间宽两边窄，其各脉冲面积和正弦波下面积成比例。生成SPWM要求按正弦规律控制脉冲列的脉宽。其原理是：将等腰三角形载波与正弦控制波通过比较器进行比较，则在比较器输出端就形成了SPWM波。 SPWM SPWM的控制模式及其实现的控制模式及其实现 软件生成SPWM的方法有许多种，比如自然采样法、规则采样法、规则采样法、指定谐波消除法等。由于规则采样法控制实现简单，生成的SPWM波形比较准确，所以本系统选取规则采样法，采用数字控制方案，通过软件生成SPWM波形。 上图所示为生成SPWM波形的规则采样法。它固定在三角载波每一周期的负峰值时找到正弦调制波上的对应点，即图中的
9、E点，求出对应的电压值uce。用此电压对三角载波进行采样，由uce水平线截得A、B两点，从而确定了脉宽时间t2。这时由于A、B两点坐落在正弦调制波的两侧，因此减小了脉宽生成的误差。在实际控制中，可以离线先计算出相应的正弦值，并将建立的正弦表写入单片机的FLASH存储器中，然后程序通过查表和实时运算就可以求出每个PWM中断时刻的脉冲宽度。由3.4式可以看出，当三角载波周期Ts和正弦调制波的角频率1固定时，脉冲宽度t2只与调制度ma的大小有关。 单相单相SPWMSPWM全桥逆变系统的谐波分析全桥逆变系统的谐波分析 为了扬长避短，可将同步和异步两种方式结合起来，成为分段同步调制方式。如图所示，在一定
10、频率范围内采用同步调制，保持了输出波形对称的优点。当频率降低较多时，使载波比分等级地增加，这样又采纳了异步调制的长处。第四章第四章 300W 300W车载逆变电路设计车载逆变电路设计市场上常见款式车载逆变器产品的主要指标：市场上常见款式车载逆变器产品的主要指标：输入电压：DC 10V14.5V；输出电压：AC 200V220V10；输出频率：50Hz5；输出功率：70W150W；转换效率：大于85；逆变工作频率：30kHz50kHz。常见车载逆变器产品的电路图及工作原理：常见车载逆变器产品的电路图及工作原理： 目前市场上销售量最大、最常见的车载逆变器的输出功率为70W150W，逆变器电路中主要
11、采用TL494或KA7500芯片为主的脉宽调制电路。 车载逆变器的整个电路大体上可分为两大部分，每部分各采用一只TL494或KA7500芯片组成控制电路，其中第一部分电路的作用是将汽车电瓶等提供的12V直流电，通过高频PWM (脉宽调制)开关电源技术转换成30kHz50kHz、220V左右的交流电；第二部分电路的作用则是利用桥式整流、滤波、脉宽调制及开关功率输出等技术，将30kHz50kHz、220V左右的交流电转换成50Hz、220V的交流电。车载逆变器原理图车载逆变器原理图 电路中元器件参数：电路中元器件参数： 输出波形：纯正弦波输出（失真率2%）输出频率：50/60Hz0.05%输出效率
12、：约90%，轻巧型冷却方式：自动控制制冷风扇电磁干扰：FCC Class B电路保护：过压/欠压/短路/过载/电池能量不足报警/过温报警装置工作环境温度：0+50；储存温度范围：-30+70 车载逆变器的维修要点：车载逆变器的维修要点： 由于车载逆变器电路一般都具有上电软启动功能，因此在接通电源后要等5s-30s后才会有交流220V的输出，同时LED指示灯点亮。当LED指示灯不亮时，则表明逆变电路没有工作。当接通电源30s以上，LED指示灯还没有点亮时，则需要测量XAC输出插座处的交流电压值，若该电压值为正常的220V左右，则说明仅仅是LED指示灯部分的电路出现了故障；若经测量XAC输出插座处
13、的交流电压值为0，则说明故障原因为逆变器前级的逆变电路没有工作，可能是芯片IC1内部的保护电路已经启动。第五章第五章 技术展望技术展望 逆变器件集成电路化 现在几乎所有全控型逆变器件都由许多单元并联集成。如：一个400A的SITH由6万个子器件构成；一个500A的GTO由几百个单元GTO构成；一个50A的功率MOSFET由上万个单元并联构成。 全控型化 MOSFET、SIT、GTO、GTR、SITH、IGBT、MCT等器件都采用全控型。 控制电路弱电化 全控型器件的高频化促进了电力电子电路形式弱电化。PWM电路。谐振变换电路这些原用于弱电方面的电路成为逆变电路的主要形式。 控制技术数字化 广泛
14、使用数字电路及数字逻辑器件。单片机、可编程控制器等得到广泛应用。 高频化和大功率化 目前GTO的工作频率可达12KHz，电力晶体管达25KHz，功率MOSFET可达数百千赫，而SIT可达10MHz以上。采用高电压大电流的GTO容量可达数百千瓦以上。设计小结设计小结 通过本次设计（300W车载逆变器的设计）我了解了逆变器的结构组成、工作原理，掌握了逆变器器的设计过程和方法，了解了逆变器在电器设备中的重要作用及发展前景。在接近三个月的时间里，在指导老师叶爱芹的帮助下，我顺利完成了本次论文设计。在此期间我综合运用了在大学所学专业课知识，把理论知识用于实践。并由此熟练掌握了功率放大器、TL494CN等元器件在电气设计应用中的一些技巧。在遇到困难时，叶老师的细心、认真指导下懂得如何探索解决问题方法。同时叶老师对待论文设计科学谨慎的态度，让我明白了从事设计要科学要认真要准确。致谢致谢 在本文的设计过程中我的导师叶爱芹老师给予了很大的帮助，是在他的认真的指导和深切关怀下完成。从论文总体构思到论文说明书的撰写，叶老师给予我许多精心的指导，付出了许多心血，传授了许多宝贵经验，使我能顺利地完成论文。叶老师严谨的治学态度，将使我终身受益，我衷心的感谢！同时感谢安徽科技学院给了我一个良好的教育环境和学习环境包括良好的教学资源，并感谢在我学习期间曾经给予我关心和帮助的各位老师和同学！
