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高效率 DC/AC 逆变器设计杨磊武汉理工大学信息学院，武汉 (430074) E-mail: l.摘 要： 近年来逆变器技术得到了广泛的应用， 本文旨在完成一款高效率， 高品质的 12VDC蓄电池转 220VAC/50Hz 交流电的逆变电源设计。文中根据逆变原理，在分析对比了目前不同 DC/AC 逆变器拓扑结构特点的基础上，对逆变器进行了设计和实验研究，以期实现高效率 ,高品质的输出。在电路设计方面，采用了一种受 PWM 信号控制的新型 DC/DC 推挽正激升压电路； DC/AC 系统采用了以 SPWM 信号为控制信号， IGBT 为开关器件的全桥逆变结构；并采用了 PID 控制设计。通过实验结果证明，该设计具有优良的特性，能实现高品质的输出波形，且具有较高的逆变效率。关键词： 逆变器；调制技术； PID 控制器1. 引言近十年来，逆变电源因其性能优越而日益受到人们的关注，并广泛地应用于功率因数补偿、电能回馈、有源滤波等电力电子领域，特别在电力配网和车载系统中倍受青睐。逆变器是应用电力电子器件， 将直流电能变换为交流电能的一种静止变流装置， 完成此功能的电路则称为逆变电路，实现此过程的装置叫做逆变设备或逆变器。工频逆变器技术成熟，性能稳定，过载能力强，但体积庞大、笨重；高频逆变器是近五六年在市场上的新星，它技术指标优越、效率很高、尤其是体积小、重量轻、高功率密度，都是现代电力电子所倡导的， 现在业已抢占了中小功率逆变器一半以上的市场。 从技术发展和生产成本来看， 高频逆变器取代工频逆变器将是大势所趋。 本课题旨在研究一款满足工程应用的逆变电源。2. 逆变电源主电路研究2.1 DC/DC 拓扑图分析推挽正激式 DC/DC 变压器 [1]是在传统的推挽 Buck 型变换器中引入了箝位电容 cC 。设变压器初级匝数为 1 2n n= ， 变压器次级匝数为 3n ， 则变压器匝比为 3 1N n : n= ， 开关周期为sT ，每个开关管的导通时间为 ont ，功率开关占空比为 on sD t T= 。图 1 示出推挽正激式 DC/DC 变换器的拓扑结构。在一个 sT 内，推挽正激式 DC/DC 变换器可分为 8 个工作状态， 后 4 个工作状态与前 4 个相似， 故只分析电路上半工作周期分为4 个工作状态。图 1 推挽正激 DC/DC 变换器电路拓扑图 图 2 一个周期内的波形（ 1）工作状态 1 [ 0t ～ 1t ]： 0t 时刻以前，初级电流在由 inU + ?? → 2N ?? → cC ?? →1N inU -?? → 构成的回路中环流， 负载电流流过整流二极管续流， 次级绕组短路。 在 0t 时刻，开关管 1VS 导通，输入电压 inU 、箝位电容 cC 上的电压cCu 分别加到初级绕组 1N 和 2N 上，其电流1Ni 和2Ni 迅速增加。（ 2）工作状态 2 [ 1t ～ 2t ]：在 1t 时刻， inU 和cCu 加在 1N 和 2N 上， 1Ni 和 2Ni 继续升高，输入电源向负载提供能量。 该状态下， 相当于两个正激电路并联工作。 到 2t 时刻， 1VS 断开，该状态结束。（ 3）工作状态 3 [ 2t ～ 3t ]：在 2t 时刻， 1VS 断开，由于1Ni
2Ni ，使 2VS 的反向并联二极管导通， in 2U N+ ?? → ?? → 2VS 体二极管 inU -?? → 构成回路， cC ?? → 2VS 体二极管1N?? → 构成回路， 1Ni 和 2Ni 迅速下降。 1Ni ＝ 2Ni 时，由 2VS 的反向并联二极管构成的环流为零，反向并联二极管变为截止，该状态结束。（ 4）工作状态 4 [ 3t ～ 4t ]：在 3t 时刻， 1VS ， 2VS 均关断，初级次级绕组电压均为零，inU 向箝位电容充电，输入电流等于环流电流。负载电流由次级整流二极管续流。2.2 DC/AC 变换器稳态分析DC/AC 逆变技术 [2]的基本原理是通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能， 因此是一种电能变换装置。 由子是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高。图 3 为 DC/AC 全桥逆变拓扑结构。逆变桥稳态工作时，一个输出电压周期内共有 8 种高频开关工作状态。当 ABU 0
、输出正向电压时的 4 种工作状态如图所示， ABU 0 ， Lfi 0
，3gsVSU 1= 时： 4VS 和 7VS 开通， 5VS 和 6VS 截止，AB oU U= ， 直流母线电压为高， 电流流过 4 7VS VS?? → ?? → ?? →滤波电感 负载 ?? → 回到直流母线 只功率开关器件无需改变开关状态，均工作在低频状态。（ 2）状态 2 ABU 0
， Lfi 0
，3gsVSU 0= 时： 4VS 和 7VS 开通， 5VS 截止， 6VS 的体二极管导通续流，直流母线电压为零，一路电流流过 4VS ?? → 滤波电感 ?? → 负载 ?? →6VS 体二极管续流 ，一路流过 4VS ?? → 滤波电感 ?? → 7VS?? →负载 ?? → 回到直流母线。此时，功率开关器件开关状态不变，均工作在低频状态。（ 3）状态 3 ABU 0
