正弦波逆变器的设计与研究.doc

摘要 逆变技术是整流技术的逆向变换电源技术，将直流电转换成交流电的装置 称为逆变器。根据输出波形可分为方波逆变器和正弦波逆变器，目前多数负载要求输入为正弦波，因此正弦波逆变器得到了越来越多的研究和关注。对正弦波逆变器来说最重要的是控制电路，以脉宽调制(PWM)为基础的正弦脉宽调制(SPWM)技术是正弦波逆变器的一项关键控制技术，它以正弦波为调制波、以三角波或锯齿波为载波，通过调制输出的SPWM脉冲控制功率开关管的开通与关断，从而完成直流到交流正弦波的逆变过程。 本文在对逆变器结构和原理分析的基础上，设计完成DC-DC-AC两级高频正 弦波逆变器：输入侧直流电压12V通过推挽变换电路升压到370V左右，再由 370V直流电通过全桥变换电路得到220V50Hz交流电。升压控制电路由PWM控制芯片SG3525与其外围电路组成，根据电路特点使直流输出高压不稳压而只有后级输出稳压，从而简化了滤波电路；全桥逆变控制电路采用SPWM倍频调制方式，即输出SPWM波频率为载波三角波频率的二倍，这样对调制电路的要求相对较低，且输出滤波电路更容易设计。本文SPWM控制电路采用常用运算放大器和数字芯片设计完成，在保证精度的前提下降低了成本，并且简化了由硬件实现 SPWM控制的电路结构。 通过计算电路各部分元件参数并制作出电感和变压器等线圈元件，本文制 作完成了一台正弦波逆变电源样机，并对电源进行安装及调试，最终得出实验 结果和波形，证实了该设计的可行性，达到了减小电源体积和成本的预期目标。关键词：逆变器，PWM，SPWM，倍频调制Abstract The inverter technology is contrary to the rectification technologyAn inverter is a device which transforms direct current into alternating currentAccording to the output waveform，inverter can be divided into square wave inverter and sinewave inverterCurrently most load demand input for sine wave，so sine wave inverter get more and more attentionThe most important part of sine-wave inverter is the control circuit. Sine-wave pulse-width modulation(SPWM)which uses sine wave as modulation wave and triangular wave as carrier wave is a key technology which based on the theory of pulse-width modulation In this paper, the structure and principle of the inverter al e analyzed at firstThen a DC-DC-AC two-stage high frequency inverter is designed：The input voltage 12V DC boost to 370V DC using a push-pull circuit；Then the 370V DC is tamed into 220V/50Hz AC using a full bridge circuitThe control circuit of the push-pull circuit is based on a PWM(pulse width modulation)control chip SG3525According to the characteristics of the circuit, the output of this stage is not settled SO as to simplify the filter circuit；The full bridge circuit is conventionalThe method of the full bridge control circuit is the SPWM(sinusoidal pulse width modulation)methodThe frequency of the SPWM wave is two times of the carrier frequency so that the modulation circuit is simply and the output filter Circuit design become easier By analyzing and calculating the circuit parameters and making inductance and winding components，this paper designed a DC-DC-AC two-stage high frequency inverterAfter installing and debugging it, I eventually get the experimental results and waveform which confirmed the feasibility of the design Keywords：Inverter, PWM, SPWM，Doubling-Frequency modulation目录1绪论511 正弦波逆变器设计的选题背景与意义5111 新能源利用5112 消除市电谐波污染512 逆变器的发展及趋势6121 逆变器的发展历史6122 逆变器的发展趋势613 国内外逆变器发展现状714 本文的主要内容72 现代逆变系统结构821 现代逆变系统基本结构822 变换电路的基本形式9221 非隔离式变换电路9222 隔离式变换电路12223 各种变换电路的特点及应用1723 本章小结183 逆变系统主回路设计1831 现代逆变系统中的功率变换技术1832 逆变主电路设计19321 硬开关PWM变换技术概述19322 主电路结构的两种形式2033 前级升压电路设计20331 主变压器的设计22332 输出滤波电路设计2434 后级逆变电路设计25341 输出滤波电路设计25342 功率开关管的选择2635 保护电路设计2736 本章小结274 控制电路原理及设计2841 PWM控制简介28411 电压型PWM控制28412 电流型PWM控制2942 DC-DC升压控制电路设计2943 DC-AC逆变控制电路设计31431 SPWM正弦波脉宽调制技术原理31432 SPWM调制法的分类31433 SPWM波产生方法3444 本章小结375 结果及分析3751 电路相关波形376总结39致谢40参考文献411 绪论 逆变器是将直流电转化为交流电的电能变换装置，它是通过功率半导体器 件按照特定规律的导通与关断来完成逆变任务的。现代逆变技术是研究逆变电路理论和应用及设计方法的一门科学，它建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、脉宽调制技术、半导体变流技术、磁 性材料等科学基础上的一门实用技术，因此逆变器的应用贯穿于社会和生活的 多个领域。 11 正弦波逆变器设计的选题背景与意义 111 新能源利用 新能源从广义上来说指太阳能，它包括风能、水的势能、化学能等。当前 世界，煤矿、石油等自然资源不断减少，并且由它们产生的污染及全球热效应 不断加剧，新的能源如太阳能、风能将成为主要能源。这些新能源通常用半导 体材料制成的光伏电池收集，运用一定的科学技术手段转化成人们需要的各种 各样的电能，逆变技术就是其中的关键技术之一。 112 消除市电谐波污染 近年来谐波污染成为电网系统的一大“公害"，它严重影响了电力设备和用电设备的安全，影响电网电力设计的高效可靠运行。对谐波污染的有效管理不仅能够提高用电设备运行质量和能源节约，而且关系到国民用电安全的问题。随着电网的快速发展，负荷的急剧增加，越来越多的电力电子设备、电弧放电 性负载、家用电器、气体放电灯和其他非线性负载的使用，使大量高次谐波电 流涌入各级电网，使电网电压波形畸变严重、三相电压不对称和电压闪变波动，损坏发电设备、变电设备和用电设备，危害电网安全。通过对市电整流后利用 现代逆变技术再转换为市电标准，可以净化市电的谐波污染，保护用电设备和用户安全。此外，逆变器还广泛应用于其他多个领域，如交流电动机变速调速、电动 机制动再生能源回馈、不间断电源系统、感应加热、弧焊电源、变频电源等。由此可见逆变电源对我们的生活和社会都有着极大的影响，对它的研究也具有较大的意义。12 逆变器的发展及趋势 121 逆变器的发展历史 逆变器技术的发展始终与功率器件及其控制技术的发展紧密结合，从开始 发展至今共经历了五个阶段嘲啪。 第一阶段：20世纪50年代到60年代，晶闸管(SCR)的诞生为正弦波逆变器 的发展创造了条件； 第二阶段：20世纪70年代，可关断晶闸管(GTO)及双极型晶体管的出现使逆变器技术得到了发展和应用； 第三阶段：20世纪80年代，功率场效应管、绝缘栅型场效应管和MOS控制晶闸管的问世为逆变器的大功率发展方向奠定了基础； 第四阶段：20世纪90年代，微电子技术的发展使新的控制技术如矢量控制技术、多电平控制技术、模糊控制技术和重复控制等技术在逆变领域得到了较好的应用，极大的促进了逆变器技术的发展； 第五阶段：21世纪初，随着电力电子技术、现代控制理论和微电子技术的不断进步和改进，逆变器技术朝着高效率、高频化、高可靠性、高功率密度和智能化的方向发展。 122 逆变器的发展趋势 随着电力电子技术的高速发展和各行业对逆变器控制性能要求的提高，逆变器也得到了快速发展，目前逆变器的发展方向主要体现在： 1高频化。高频化指的是提高功率开关器件的工作频率，这样不但可以减小整个系统的体积，而且对音频噪声有很好的抑制作用，同时提高了逆变器输出电压的动态响应能力。高频工作的功率开关器件对应于高频隔离变压器，高频隔离变压器的应用对整个系统的体积又有了进一步的减小。 2高性能化。有效值是逆变器输出电压的主要参数，高性能的逆变器输出电压有效值稳定，同时有很高的波形质量，适应非线性负载的能力强。由于很多时候逆变器所带的负载会突变，高性能逆变器要求输出电压有较高瞬态响应性能。对于交流输出电压的另一个重要参数是频率，好的逆变器不但要求输出电压有效值稳定，而且要求频率也稳定。具有上述特点的逆变器才能称得上是高性能逆变器。3并联技术。目前的逆变器技术可以制作出大功率产品，但是在大功率应用场合一旦这个逆变器系统出现故障，将会导致系统瘫痪。而在由小功率逆变器通过并联技术组成的系统中，每个单元的正常工作与否都不影响其它单元的工作，这样对于整个系统的可靠性就有了极大的提升。 4小型化。小型化是对应于高频化的结果，因为使逆变器小型化主要方法就是提高开关管工作频率，使用高频变压器。另一种方法是改进控制法，优SPWM波的频谱从而减小滤波器体积。 5高输入功率因数化。很多逆变系统使用一定的拓扑电路把直流电转换成高频交流脉冲，再进行整流得到所需的直流电压。输出电流出现的尖峰会降低输入功率因数，提高输入侧功率因数可以有效解决逆变器对电网产生谐波污染。6智能化与数字化。逆变器的数字化不是简单在逆变器中应用数字器件，如FPGA和单片机，而是整个系统依靠数字器件的计算能力和离散控制法完成。随着硬件的发展，处理器速度越来越高，促使逆变器向着智能化与数字化的方向发展嘲嘲。 13 国内外逆变器发展现状 目前国内生产光伏逆变器厂商绝大多数是在2007年以后进入这一领域的，有的还处在预研和样机生产阶段，而根据国家质量认证中心统计，通过其认证只有53家。光伏逆变器作为对长期运行稳定性要求较高的产品，具有较深厚的技术积累、且能够率先获得一定规模稳定运行业绩的企业，才有机会做大做强，而边缘企业则将很快被市场淘汰。国内的先发企业有望借助国内光伏安装市场的启动获得宝贵的运行经验，为将来进军国际市场打下坚实基础。 国外光伏逆变器产品已经比较成熟并推向市场，德国著名电气企业西门子推出了市场化的产品，除欧洲的科技强国外，日本、美国等国家也已实现了并网逆变器的产品化。现在逆变器的最大功率跟踪以及逆变环集成的单级量变换已经成为研究的热点，小功率型逆变器开发越来越受到大家的重视，这些小功率逆变器的控制电路主要采用数字控制，系统的可靠性、安全性和扩展性得到保证，同时保护电路也比较完善。14 本文的主要内容 本文从逆变器结构及原理出发，通过分析各级电路特点及性能，选择合适的电路拓扑结构，计算各元件参数，制作电感器和变压器线圈元件，并组装和调试了一台逆变器样机。重点分析了前级输出滤波电路的设计和后级SPWM控制电路的硬件设计。本文主要内容安排如下： 1概括介绍逆变器定义、应用范围、国内外现状和发展前景。2对比分析组成逆变器的各种电源变换电路结构及原理，选择最适合于本 文逆变器的变换结构：DC-DC级采用推挽变换电路；DCAC级采用全桥变换。主要包括推挽变换器变压器设计、输出滤波电路设计、全桥输出SPWM滤波电路设计以及硬件式SPWM倍频调制驱动电路设计。3根据设计要求，完成了整机各部分电路的PCB制作，选择和制作了合适的元器件搭建了试验平台，组装调试了逆变器样机，并进行了空载及带载实验，测量了关键点波形，达到了预期效果。4分析试验结果，总结本文主要工作，提出后续发展方向。2 现代逆变系统结构 21 现代逆变系统基本结构 逆变器是将直流电转换成交流电的变换装置，它是通过控制半导体功率开 关器件(如SCR，6TO，6TR，IGBT和功率MOSFET等)的导通和关断，把直流电能转化为交流电能。控制功率开关管导通和关断的电路就是逆变器的控制电路，控制电路输出一定的电压脉冲，使功率变换电路中的功率开关管按照一定规律导通和关断，这时功率主电路的输出为特定的谐波组合，最后通过滤波电路得到我们需要的电压波形。逆变器系统的基本结构如图21所示。 图21逆变系统基本结构框图1输入电路 逆变器的输入通常是直流电(有时是市电经过整流滤波得到的直流电)，这 些直流电包括直流电网、蓄电池、光伏电池以及其他方式得到的直流电。通常这些电能不能直接作为逆变器输入侧电压，而是通过一定的滤波电路和EMC电路之后才作为逆变器输入的。 2逆变主电路 逆变器主电路是由功率开关器件组成的功率变换电路，主电路的结构形式分很多种，不同的输入输出条件下主电路形式也不相同，每种功率变换电路都有它的优缺点，在实际设计中应考虑最合适的电路拓扑作为主电路结构。 3控制电路控制电路按照逆变器输出的要求通过一定的控制技术产生一组或者多组脉冲电压，通过驱动电路作用于功率开关管，使功率开关管按照指定的次序导通或者关断，最终在主电路输出端得到所需的电压波形。控制电路的作用对于逆变系统至关重要，控制电路的性能直接决定了逆变器输出电压波形的质量。 4输出电路 输出电路一般包括输出滤波电路和EMC电路，如果输出为直流电时还应在后面加入整流电路。对于隔离输出的逆变器，输出电路前级还有隔离变压器。根据输出是否需要稳压电路分为开环和闭环控制，开环系统输出量只由控制电路决定，而闭环系统中输出量还受反馈回路影响，使输出更加稳定。 5辅助电源和保护电路 控制电路与输入输出电路的某些部分或芯片有特定的输入电压要求，辅助电源就是为电路中特定的电压需求设定的。通常情况下辅助电源由一个或者几个DC-DC变换器构成，对于交流输入的场合，辅助电源由整流后的电压与DC-DC变换器组合完成。 保护电路通常包括输入过压、欠压保护，输出过压、欠压保护，过载保护,过流和短路保护。对于在特定场合工作的逆变器还有其他保护，如在温度很低或者很高的场合需要有温度保护，在某些气压变化的情况下还要有气压保护，在潮湿的环境中要有湿度保护等等。 22 变换电路的基本形式 根据电路中是否含有高频变压器可以将功率变换电路分为非隔离式变换和隔离式变换电路。含有变压器的隔离式变换电路不仅可以将输入与输出分离，降低相互之间的影响，还可以改变输入输出的电压比。221 非隔离式变换电路 非隔离式电压变换电路最基本的形式有两种：降压变换电路(Buck变换电路) 和升压变换电路(Boost变换电路)，由这两种变换电路可以组合成为另外两种隔离式变换电路：降压一升压变换电路(Buck-Boost)和升压一降压变换电路 (Boost-Buck也称为Cuk变换电路)。这几种变换电路工作时输出电流都有连续 和不连续两种状态，对一般的逆变系统来说，要求其输出在一定范围内电流连续。 1 降压变换电路(Buck电路)Buck变换电路的基本形式如图22所示。 设开关管Q在一个周期丁内导通时间为，关断时间为，导通时间与周期T之比定义为占空比，用表示 = (21)式(21)=即为开关管的工作频率。Buck变换器输出电压和输入电压的关系为=. (22)Buck变换器要求输出电压的纹波很小，也就是输出电流纹波很小，在一个开关周期内和几乎都不变。所以要求滤波电感L和电容C的值都足够大，电感电流在一个开关周期内变化很小，其平均值等于。在一般系统中,输出纹波电压满足= (23)2升压变换电路(Boost变换电路) Boost变换电路的基本形式如图23所示，其工作原理与Buck变换电路相似。输出电压与输入电压的关系为= (24)图23 Boost变换电路Boost变换电路中电感L和电容C设计与Buck电路相似，当输出电流=时电感的电流应连续，则的变化量不能超过的两倍，即2，当输入电压最低为和输出电压最高为时开关管占空比最大，导通时间最长，由电感的基本特性得 (25)在开关管导通时间内，输出滤波电容C放电，规定在最大负载电流下、最大开关管导通时间内电容上电压变化量不超过，由电容的基本特性得 (26)输出纹波电压不仅与电容C有关，与负载R也有关 (27)3降压一升压变换电路(Buck-Boost变换电路) BuckBoost变换电路的基本形式如图2.4所示。图24 Buck-Boost变换电路 电路稳定工作状态下，当开关管Q导通时，电流通过电感L，此时电感储能， i=0，电容C通过R放电；当开关管Q关断时，电感L释放能量，电流通过续 流二极管D，一部分为电容C充电，另一部分提供输出电流，输出电压与输 入电压的关系满足= (28)输出电压纹波与滤波参数L、C满足 (29)4升压一降压型变换电路(Cuk变换电路) Cuk变换电路实际上是将一个降压电路串联在一个升压电路后面，它的输出电压可调，且与输入电压极性相反，输入与输出电流纹波很小，滤波电路相对简单，其原理如下图2.5。 图25 Cuk变换电路假定电路处于稳态工作状态，当开关管Q导通时，D截止，电感储能，的放电电流为充电，同时电感储能，=+。当Q关断时，D导通，电感释放能量给电容充电，电感通过D释放能量，保持输出。所以Cuk变换电路无论在开关管导通还是关断期间都有能量传递，但由于电容上的电压比较高，所以该电路不常用，但其优点还是很明显的。 222 隔离式变换电路 隔离式变换电路已经被广泛应用于多种逆变式功率变换装置中，有单相逆变也有三相逆变，它们都是由Buck变换电路和Boost变换电路等基本电路组成的。隔离式变换电路的基本形式有单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式几种n羽。本文只讨论单相逆变电路中这几种变换电路性能特点。1.单端正激式变换电路 单端正激隔离式变换电路的原理图和工作波形如图26所示。图26单端正激式变换电路及其工作波形当开关管Q导通时，通过它的电流上升，次级：截止，导通，通过电感L的电流上升，此时电感储能，为负载提供能量的同时为电容C充电；当开关管Q关断时，截止，导通，电感L通过续流，并将能量传递到负载R，同时电容C放电。 开关管Q承受的最高电压为2，其工作电流为 (210)式中为变压器原边励磁电感，n为变压器的匝比。 2单端反激式变换电路 单端反激式变换电路的原理图及工作波形如图27所示。图27单端反激式变换电路及其工作波形开关管Q导通时，二极管D截止，加在变压器原边，此时原边励磁电感储能；在开关管Q关断时，D导通，变压器原边储存的能量耦合到副边为负载尺提供能量并为电容C充电。 若变压器初级电流峰值为,匝比为n，原边电感为L，效率为开关管周期为T，则输出功率为= (211)开关管最高工作电压为()，其工作电流为 = (212)反激式变换电路中，变压器以耦合电感的形式工作，体积比较大，不适合做大功率变换器，但它的优点也很明显：电路结构简单，能够自动均衡各路负载，因此可以很容易的实现多路输出。 3推挽式变换电路 推挽式变换电路原理图及工作波形如图28所示。图28推挽式变换电路原理图及其工作波形推挽变换电路中开关管Q1、Q2由两路相位相反的PWM波分别控制使它们交替通断：当Q1导通时，Q2关断，输入电压加在变压器原边绕组上，此时绕组上承受的电压为2：死区时间内，两个开关管都关断，端电压都为；当Q2导通时，Q1关断，工作过程与QI导通时相似。 在开关管开关过程中，有时会产生电流尖峰，原因是在死区时间内，两只开关管都关断，变压器副边电感通过两只整流二极管续流，当有一只开关管导通时，副边整流管将有一个截止，由导通到截止的过程是一个反向恢复过程,变压器副边相当于短路，因此在原边会产生一个电流尖峰。在开关管由导通变为关断的瞬间，变压器原边漏感和引线电感上储存的能量会给开关管等效输出电容充电，这样在开关管两端会产生一个电压尖峰，这个尖峰与原边电流和漏感的大小有关。 4半桥式变换电路 半桥式变换电路的原理如图29所示。 图29半桥式变换电路原理图图中=，当两个开关管都关断时，两个电容中点电压为输入电压的一半，即。当Q1导通时，电容C1通过Q1和变压器原边放电，同时电源电压通过Q1和变压器原边给电容C2充电，C1与C2中点A的电位上升；当Q1关断时，C1、C2端电压又恢复到电源电压的一半；Q2导通时工作情况与该过程相似。 半桥式变换电路中开关管导通时也有电流尖峰，情况与推挽变换电路相似，由于Dl、D2的钳位作用，开关管端电压限制在。 半桥式变换电路在电源电压一样，开关管工作电流相同的情况下，输出功率是推挽式变换电路的一半，原因是加到变压器原边的电压为输入电压的一半，但半桥式变换电路平衡能力强是该电路的显著优点。 5全桥式变换电路 全桥式变换电路原理如图210所示。图210全桥式变换电路全桥式变换电路与半桥式变换电路结构相似，只是用两个开关管代替两个电容，四个开关管由两组相位相反的驱动脉冲分别控制。Q1、Q4导通时Q2、Q3关断，变压器原边电压的方向为下正上负；反之，Q2、Q3导通时Q1、Q4关断，变压器原边有上正下负的电压。在死区时间内，电路的工作情况与半桥电路相似。 223 各种变换电路的特点及应用 由以上分析可知，各种变换电路的特点差别很大，因此应用范围不同。 1单端式变换电路特点及应用 单端式变换电路有正激式和反激式两种，它们有以下特点： 开关器件少，电路结构简单。 没有开关管直通问题，可靠性高。 变压器单向工作，不会产生由于电路不平衡造成的偏磁问题。同时，单端式变换电路也有缺点： 单端式变换电路的开关管承受的输入电压比半桥式和全桥式变换电路要高。 由于单端式变换电路变压器单向工作，磁芯的利用率低，因此变压器体积较大。 电路工作占空比小，通常小于05，所以输出功率小。对于正激式变换电路，最大的优点就是可靠性高，应用范围比较广；而反激式变换电路一般用于功率较小的场合，原因是它的变压器以电感的形式工作，体积限制了它无法应用于大功率场合。 2双端式变换电路的特点及应用 双端式变换电路不包括由单端式变换电路复合而成的变换电路，它们的特点与性能比较如下： 推挽式变换电路使用的开关器件较少且输出功率大，但开关管承受的电压高，适用于输入电压较低的场合。 半桥式变换电路使用的开关器件也较少，开关管承受的电压不高，驱动相对容易，抗不平衡能力强，但输出功率小，适合中小功率的应用场合。 全桥式变换电路开关管承受的电压不高，输出功率大，但使用的开关管数量多，驱动相对复杂，适用于功率较大的场合。 双端式变换电路性能对比和应用情况如表21所示。表21双端功率变换电路性能对比23 本章小结 本章对电源变换电路的各种结构作了简要分析，比较了非隔离式变换电路和隔离式变换电路的特点，重点对隔离式变换电路适用的场合作分析，为下一章主电路结构的选择与设计提供理论依据。3 逆变系统主回路设计 31 现代逆变系统中的功率变换技术 在进行逆变器设计时，首先要选择合适的主电路拓扑结构和开关器件的型号，其次确定开关器件的工作频率及电压、电流大小，再次要设计合理的控制电路。这些问题确定之后需要通过一定的功率变换技术来完成设计，因此首先介绍下开关电源的功率变换技术。 功率变换的技术有很多，每种技术的工作原理和特点、设计和应用情况各不相同，根据开关管驱动方式分为硬开关PWM变换和软开关PWM变换。 1硬开关PWM变换技术 硬开关PWM变换技术是20世纪60年代开始发展和应用的，“硬开关"指的是开关管开通或者关断时，其上的电压或电流不为零，通过控制电路强迫其开通或关断，这种变换技术的电路中开关管工作频率固定，通过调节每周期开关管导通和关断时间调节和稳定输出。硬开关PWM技术中开关管承受的电压为固定值，这样对开关管的要求相对低一些，同时控制电路也比较简单，因此硬开关PWM技术是使用最为广泛的变换技术之一。 然而硬开关PWM技术也有其缺点，如开关损耗大，开关管的电流变化率和电压变化率较大，从而产生比较高的电磁干扰。 2软开关PWM变换技术 开关变换技术的重要发展方向之一就是提高开关管的开关频率，为了使开关电源在比较高的频率下还能够高效率的运行，70年代“软开关"技术逐渐发展起来。“软开关"指的是零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)，它是利用谐振的原理，使开关管中的电压或者电流按照正弦或者准正弦规律变化，即开关管电压为零时开通、电流为零时关断，从而使开关损耗为零。利用软开关变换技术可以将小功率DC-DC变换器模块的工作频率提高到兆赫兹(MHz)级别。 软开关变换技术开关损耗小，工作频率高，但开关管的额定电流或者额定电压高，因此成本较高。同时由于电路工作于PFM(变频)模式下，滤波电路的设计也有困难。32 逆变主电路设计 321 硬开关PWM变换技术概述 随着自关断功率器件的发展，硬开关PWM变换技术得到了越来越多的应用，这种技术已经成熟且电路结构相对简单，比较适合本文设计的电路使用。 1硬开关P删变换技术的基本原理 硬开关PWM变换电路基本结构和工作波形如图31所示。图31硬开关PWM变换原理图31(a)中，R为负载，Q为开关管，为直流输入电压，为开关管的PWM脉冲控制信号，为开关管的端电压。硬开关PWM变换器的开关管工作频率固定不变，通过调节每周期内开关管导通和关断时间来调节输出电压或电流大小。 开关管导通时间可以用占空比表示= (31)对于单端变换电路来说开关管占空比万理论上小于等于O5，而双端变换电路输出功率按照占空比的两倍计算，因此最大功率传输占空比约等于l。 2硬开关PWM变换电路的特点及应用 硬开关P删变换电路适用于几乎所有的逆变主电路拓扑结构，应用硬开关 PWM变换电路的逆变系统一般适用于如下场合： 逆变频率不是太高的电路系统 不同功率开关器件适用的频率范围是不同的，表31给出了各种开关器件试用频率的上限。表31 各种功率开关器件适用频率上限当逆变开关管工作频率超过该管适用频率的范围时，开关管的开关损耗产生的热量就不能及时散发从而影响电路性能甚至烧毁电路。 不要求体积和重量大小的系统 由于硬开关PWM变换器频率比软开关变换器频率低，体积和重量会偏大一些。 效率要求不高的系统 硬开关PWM变换电路开关管的开关损耗会降低整个系统的逆变效率。 成本较低的逆变系统 硬开关PWM变换电路电路结构简单，控制电路的设计也不困难，因此成本比较低。 322 主电路结构的两种形式 对于本文设计的逆变器，由于输入电压比输出电压低很多，因此需要升压电路，根据使用变压器形式不同可以概括为以下两种。 1使用工频变压器的升压电路 使用含有工频变压器升压电路的主路结构如图32所示。图32使用工频变压器主电路结构全桥电路以SPWM(正弦脉宽调制)方式工作，将直流电逆变成有效值基本不变的SPWM波形，再由工频变压器升压至220V50Hz交流电输出。 这种电路效率相对较高(可达90以上)，且可靠性高、过载能力强。但它的响应速度慢，波形畸变比较严重，噪声大。 2使用高频变压器的升压电路 含有高频变压器的升压电路通常先以P删方式将低压直流电逆变成高频方波，经高频升压变压器升压后整流滤波得到高压直流电(实为一整套DCDC变换电路)，然后再经过全桥SPWM逆变电路和滤波电路得到220V50Hz交流电。本文设计的逆变器采用含有高频变压器的电路结构。 33 前级升压电路设计 通过前文对比介绍各种单端、双端变换电路，考虑到输入电压低，功率输出也不大，本文选择推挽式变换电路来完成从低压到高压的升压任务。电路结构如图33所示。图33推挽式升压主电路图该电路输出电压的大小由最终输出的正弦波决定，输出正弦波电压与直 流高压之间的关系满足= (32)式中为调制度，定义为调制波幅值与载波幅值之比= (33)由式(32)知输出正弦波幅值与直流高压成正比关系，而调制度肘通常小于l，因此直流高压的值应大于输出正弦电压的峰值以满足输出要求。通常将这个高压设定为350 V380 V，通过调节调制度M来调整输出电压。 根据输出是否影响控制回路可将电路工作方式分为开环和闭环工作方式。闭环控制方式下电路输出端接采样电阻反馈到控制回路，控制回路根据采样电压或电流的大小来调节PWM占空比从而保证输出稳定；开环控制方式下输出只由输入和控制回路决定而与输出无关。闭环控制方式下PWM占空比小于1，为了使输出电流平滑，滤波电路中必须有电感；而开环控制中，当电路工作时总PWM占空比接近于l，有时不需要滤波电感而靠漏感续流，但空载时由于变压器漏感的存在，滤波电容上的电压会被漏感电流持续充电而“虚高"。在闭环控制模式中，当电路带载时，如果将反馈回路的采样点限制在一个较高的电位，这个电位大于等于电路开环工作时最高输出电压，那么当电路带载工作时占空比被拉至最大，反馈回路将不起作用，电路进入开环工作模式；而当电路空载时，反馈回路限制由漏感导致的输出电压“虚高"。这样就可以有效减小输出滤波电感的大小从而减小输出滤波电路的体积和重量。 为了达到减小输出滤波电路的体积和重量的目的，本文采用使电路工作在上述闭环与开环相结合的工作方式。当电路处于开环模式下工作时，变压器的漏感有时可以看成是续流电感，在PWM死区时间内保证输出电流的连续，此时可以省略滤波电感。然而漏感的大小与变压器的计算和制作都有关，不一定能满足要求，因此滤波电感不能省略，但这种设计方式下滤波电感的体积和重量被大大减小，电路的总体成本和体积也减小很多。 331 主变压器的设计 在主电路拓扑结构选定后就需要确定电路的开关管工作频率以及变压器的磁芯形状及大小，原则上在满足输出额定功率时变压器的尺寸应尽量小，以获得最小的成本和体积。决定变压器磁芯尺寸的是输出最大功率与变压器各方面参数(如磁芯窗口面积、磁芯截面积、最大磁通密度、电路工作频率以及绕线电流密度等)的关系。通常变压器的设计计算是一个繁琐的过程，首先我们通过选定的变压器磁芯尺寸和开关管工作频率计算最大输出功率，然后计算绕线总面积，比较绕线面积和磁芯窗口面积看是否合适等。如果某些参数不能满足要求，就要重新设定变压器尺寸和工作频率。目前有些文献提供了一种表格计算法，根据所需功率和选定的工作频率通过查表得到最优的磁芯型号。 .AP法设计变压器 采用Colonel WmT McLyamn提出的面积乘积(AP)法来设计电感器和变压器解决了上述过程的繁琐。AP法指的是磁芯有效截面积与磁芯窗口有效面积的乘积，这种方法不仅可以计算磁芯尺寸大小，也可以计算变压器温升、绕线匝数以及变压器电感量等。