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1、目 录2kVA高频逆变电源设计I摘要：I第1章 绪 论11.1 逆变电源技术概述11.1.1 逆变电源系统结构及控制技术的发展11.1.2 恒频、恒压逆变电源结构形式的演变21.1.3 逆变电源PWM控制技术的发展21.2 逆变电源输出波形控制技术的发展概况61.2.1 PID控制(ProportionalIntegral and Differential Contr01)71.2.2 状态反馈控制(State Feedback Contr01)71.2.3 重复控制(Repetitive Contr01)71.2.4 无差拍控制(Deadbeat Contr01)7 滑模变结构控制(Slid
2、ingModeVariable StructureContr01)81.2.6 智能控制(Intelligent Contr01)81.3 本课题的提出9第2章 高频逆变电源的主电路102.1 系统的构成及工作原理102.1.1 主电路的设计参数102.2 移相式PWM软开关高压逆变电源的电路设计与分析102.2.1 电源的整体结构设计102.2.2 逆变电源的主电路工作分析122.2.3 移相脉冲电路与驱动电路设计分析162.2.4 系统构成图和主电路图172.2.5 工作原理182.3 系统主电路的参数设计182.3.1 斩波器的设计182.3.2 逆变电路的工作原理21第3章 高频逆变电
3、源的控制电路223.1 总体设计框图及原理223.1.1 总体设计框图223.1.2 工作原理223.2 驱动电路233.2.1 驱动电路图及工作原理233.2.2 参数计算及选择233.3 逆变电路243.3.1 控制系统原理框图及基本思想243.3.2 单相全桥逆变电路控制图及参数计算243.4 斩波电路263.4.1 控制系统原理框图及基本思想263.4.2 斩波控制电路图及参数选择263.5 PI调节器的设计293.5.1 基本原理293.5.2 参数选择及计算30第4章 保护电路314.1 IGBT过压的原因及抑制314.1.1 工作原理314.1.2 缓冲器回路的设计324.2 I
4、GBT的过流保护324.2.1 IGBT过流保护的必要性324.2.2 造成短路的原因334.2.3 设计短路保护电路的几点要求34致谢36参考文献372kVA高频逆变电源设计摘要：本文在分析了IGBT(绝缘栅双极晶体管)特性的基础上，设计了一台容量为2kVA、频率为20kHz的高频逆变电源。给出了直流斩波电路及全桥逆变电路的工作原理，此高频逆变电源可将75130V的蓄电池直流电压逆变为110V, 20kHz的交流电压。对高频逆变电源的控制主要分两部分:逆变控制和斩波控制。斩波控制可将75-130V波动的蓄电池直流电压变成70V的直流电压。逆变控制可将此直流电压逆变为70V, 20kHz的交流
5、电压，最后经变压器得到110V, 20kHz的交流电压。驱动电路的设计使得该系统的应用更加易行。设计中说明了各元件参数的计算和选择方法，提出了对IGBT的短路保护方案。关键词: IGBT; 逆变电源; 斩波器; 短路 2kVA high frequency inverter power designAbstract：This paper analyzes the IGBT (insulated gate bipolar transistors) characteristics, the author designed a capacity for 20kHz for 2kVA, frequen
6、cy of high frequency inverter power supply. Dc chopper is given and the whole bridge inverter electric circuit principle of work, the high frequency inverter power supply can be 130V battery 75 to dc voltage inverter, the 20kHz for 110V ac voltage.The high frequency inverter power control mainly div
7、ided into two parts: inverter control and the chopper control. The chopper control can be 130V fluctuation battery 75-70V dc voltage into the dc voltage. Inverter control for the dc voltage inverter, 70V 20kHz ac line voltage transformer, finally obtained by 20kHz 110V ac voltage, the. Driver circui
8、t design made the system application more feasible. In the design of each component parameters illustrates calculation and selection method, puts forward the short circuit protection scheme of IGBT.Keywords: IGBT; Inverter power supply; The chopper manometers; short-circuit 第1章 绪 论1.1 逆变电源技术概述随着控制技术
9、的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备都不是直接使用公用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。它们的幅值、频率、稳定度及其变化方式因用电设备的不同而不尽相同，如通信电源、不间断电源、医用电源、充电器等，它们所使用的电能都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。小型化、数字化、高性能的逆变电源具有广泛的应用前景。电源技术主要研究如何利用电力电子技术对功率进行变化和控制，它广泛运用现代逆变技术、电磁技术、电子技术和计算机技术等学科的理论，具有较强的综合性。本课题主要研究逆变电源输出电压的波形控制技术。现代逆变技术是电源技术的
10、基础，它是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门科学，是建立在现代控制技术、电力电子技术、半导体变流技术、脉宽调制(PWM)技术、磁性材料等学科基础之上的一门实用技术。采用逆变技术有很多优越性，通过控制回路，可以控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，从而使输出电压或者电流的频率和幅值按照设备工作的要求来灵活的变化。逆变电源是将一次电源送来的交流电变换成其他形式的交流电，不间断电源是在电网断电时，将蓄电池中的直流电逆变成交流电，这样就不会因为电网波动或者断电而影响设备的正常运行。由于逆变电路的工作频率高，调节周期短，使得电源设备的动态特性很好。具体表现为：对电网波动的适应能力强(源效应好)，
11、负载效应好，启动冲击电流小，超调量小，恢复时间快，输出稳定，纹波小等。与此同时，加快了控制速度和对保护信号的反应，增强了系统的可靠性。1.1.1 逆变电源系统结构及控制技术的发展逆变电源中实现电能变换的关键部件是电力电子开关器件，其特性对变流电路的性能起着至关重要的作用。只有具备高性能的开关器件，才能通过研究与之相适应的电路拓扑结构和开关控制方式，构造出性能优良的变流装置。因此，从某种意义说，电力开关器件的发展决定着电力电子技术的发展。1.1.2 恒频、恒压逆变电源结构形式的演变早期的逆变电源，无论是交一交逆变电源还是交一直一交逆变电源，其中的逆变桥功率元件主要由快速晶闸管组成，当负载变化时，
12、通过调节整流管导通角的大小，改变直流环电压，最终实现逆变电源的恒频、恒压输出。这种电源结构有两个明显的缺点:一是关断晶闸管必须另外加装电感、电容或辅助开关器件组成的强迫换流电路，因而电路的控制机构复杂，并使得整机体积重量加大，效率降低;二是这种电路主要立足于分离元件控制，工作频率的提高也受到限制。现在，这种电源结构己经逐渐被其它新型的电源结构所替代。 随着以IGBT为典型代表的高性能电力电子器件的发展，与之相适应的逆变电源结构及控制技术也应运而生。脉宽调制即（PWM控制方法）具有在一个功率级内同时实现调频、调压以及调节速度快等优点，因而在逆变电源控制中得以广泛应用，这种控制电路中，运用PWM技
13、术，实现逆变电源的恒频、恒压输出。PWM控制技术虽然有开关频率高造成开关损耗大的缺点，但这一缺点由于功率开关器件性能的不断提高能够得以逐渐克服。软开关控制技术的研究，不但解决了硬开关工作过程中存在的开通和关断时的能量损耗问题，而且也使得逆变电源的拓扑结构发生了重大变化。一种由场控晶闸管组成的有源钳位逆变电源结构。电路中，利用谐振元件Lr、Cr以及谐振控制开关Sr的协同工作，在逆变器输入的直流电压电路中产生谐振，从而把输入的直流电压转化为一系列高频脉冲电压波供给逆变桥，最终实现逆变桥所有器件的ZVS开关工作。这种电源结构形式的突出优点是器件开关损耗低、电源能量转换效率高，是当前逆变电源领域的热点
14、1.1.3 逆变电源PWM控制技术的发展 PWM脉冲，可通过多种方法，产生，用正弦参考波和三角形载波比较产生PWM制和双极性调制。单极性调制使用单极性三角波和参考波比较产生，而双极性调制波形是通过双极性三角波和参考波比较产生。图1一4是单极性调制波形，图1一5是双极性调制波形。参考波除用正弦波外，还可以采用矩形波、梯形波等，载波信号也可用锯齿波。不同载波和参考波组合时输出波形的特点总结如下: 1.载波为三角波或锯齿波，参考波为正弦波时，不会出现相对于参考波频率的奇次倍谐波。 2.载波为三角波或锯齿波时，基波的振幅和调制度成正比。3.当载波为锯齿波时，有Ws士2Wo，2Ws，等谐波，。Ws为载波
15、角频。而载波为三角波时这些谐波不存在。 4.三相PWM时，三相共用一相载波与三相分别有自己对应的载波所输出的谐波不同。与单相载波比较，三相载波时，虽然Ws士2Wo，2Ws，没有了，但2Ws分量却增加了。5.三相PWM时，利用线电压进行控制可以提高直流电源的利用率，并且减小开关频率。 6.载波和参考波的频率对PWM性能也起着至关重要的作用。若载波与参考波的相位不同步，则相邻参考波周期内的脉冲将是不同的。当载波频率大大小于参考波频率时，这种不同步造成的影响可以忽略;当两者频率接近时，此时应该用锁相电路，使参考波与载波之间有固定的相位关系来克服频率跳动。 传统的PWM技术重点研究如何通过恰当设计开关
16、模式来实现逆变电源输出频谱的优化，并没有考虑信号传输过程中开关点的变化，而且通常只能通过反馈控制来调节输出电压的有效值或平均值。 在闭环调节脉宽调制的逆变电源系统中，要求能在瞬时或周期性的负载变动下，输出低谐波含量的波形:最有效地改善输出波形及其动态性能的方案是根据输出波形的变化情况来对1邓加开关点加以调整，从而抑制开关死区和负载谐波电流对输出电压的影响。近年来，主要有以下几种方案来研究: l)电流控制两态调制技术 2)无差拍控制法 3)自适应控制法 4)实时消除谐波控制法电流控制两态调制技术即CCTSM(Currcnt Controlled Two StateModulation)控制技术，
17、该方法是让输出端的电压、电流跟踪给定参考电压、电流，最终输出误差信号去控制开关器件，使输出电压、电流在给定值的附近变化，与给定值的误差取决于滞环比较器的滞环宽度。电流控制两态调制技术具有以下优点: 1)电流控制两态调制技术的实现电路简单，而且性能很好。 2)基于这种技术控制的电源系统具有很好的稳定性。由于采用了两个反馈环:电流内环、电压外环，使得调制系统对电路参数的敏感性大大降低，鲁棒性明显提高;而且，由于内环的高度稳定性，及电 压环的高增益，系统的动态性能也得到了提高。3)采用这种系统的逆变器可以很好地并联运行。只需要简单地将其中一个误差放大器的输出作其它并联的受控电流放大器的输入，电流内环
18、就能保证各并联装置平均分配工作电流。 4)这种系统具有内在的限流保护能力。由于功率开关上的电流被直接反馈回去调节功率开关的状态，并且由于电流内环的快速响应能力，使得功率开关上的电流完全受控于电流内环的给定值，而这个给定值由限幅放大器输出，因此流过功率开关的最大电流正比于限幅放大器的限定值，可以使功率开关在系统过载甚至短路时得到保护，可靠性大大提高。无差拍控制方法是、一种基于微机实现的PWM方案。其控制的基本思想是:将输出正弦参考波等间隔地划分为若干个取样周期，根据电路在每一取样周期的起始值，用电路理论计算出关于取样周期中心对称的方一波脉冲作用下，负载输出在取样周期末尾时的值。这个输出值的大小，
19、与方波脉冲的极性与宽度有关，适当控制力一波脉冲的极性与宽度，就能使负载上的输出在取样周期的末后与输出参考波形相重合。不断调整每一取样周期内力一波脉冲的极性与宽度，就能在负载上获得谐波失真小的输出。无差拍控制方法具有以下优点:l)快速消除系统误差。它能在负载发生突变时实时地修正取样周期内方波脉冲的宽度，以期在取样周期的末尾尽可能地接近输出波形。由此可见，这种方法调节时间仅为一个取样周期，对误差消除动作非常快。2)由于无差拍控制方程中包含有直流电源电压E的作用，这为消除直流电源弯化给逆变器输出造成的影响提供了可能性。自适应控制技术是指具有适应能力的控制器，它适用于系统数学模型未知，或者运行过程中会
20、发生变化的情况。在具体工作中，控制器通过连续地或周期地对被控对象进行在线辨识，然后根据所获得的信息，将当前的系统性能与期望的或者最优的性能相比较，判断决定所需的控制器参数或所需的控制信号，最后通过修正装置实现这项决策，从而使系统趋向所期望的性能。自适应控制具有以下优点:l)自适应控制能有效地消除由于周期性的未知的系统特性参数变化而对系统输出造成的影响。2)自适应校正控制具有较快的误差收敛速度，而且能够保证系统在人的负载扰动下的稳定性3)自适应控制在设计时不必知道被控系统的数学模型，而只需要在应用中用实时辨识的模型代林，这使得这种控制方案尤其适用那些系统模型未知或者运行过程中会发生变化的情况。自
21、适应控制具有以下优点:实时消谐PWM控制是一种经过计算的控制策略，其基本方法是:通过PWM控制的傅立叶级数分析，得出傅立叶级数展开式，以脉冲相位角为未知数，令某此特定的谐波为零，便得到一个非线性方程组，该方程组即为消谐PWM模型。按模型求解的结果进行控制，则输出不含这些特定的低次谐波。 实时消谐策略，只需要较少的开关脉冲数即可完全消除容量较大的低阶高次谐波，取得很好地滤波效果，同时具有开关频率低、开关损耗小、电压利用率高、滤波容量小等许多优点。和其它1拟从控制技术相比，一方面能够克服高频p叫技术为消除低次谐波而导致开关频率高的缺点;另一方面能克服大功率逆变电源中运用的波形重构技术为降低谐波含量
22、而导致主电路和控制电路复杂的缺点。 但是，上述控制方案也有一此不足之处，主要表现在:电流控制两态调制技术，电路的开关频率较高，且随精度要求的提高而提高，而且开关频率随其跟随的输出幅值变化而变化，谐波成分随机分布，故不利于在大功率逆变器中应用。无差拍控制方法是基于电路计算的一种方法，因而对电路中元器件参数的精度要求很高，故不适于应用在负载经常变动的场合。自适应控制由于是一种非线性控制方案，其反馈控制的设计比较复杂，系统模型及稳定性分析也非常困难。实时消谐控制技术由于要求实时求解消谐模型，因而对控制器的运算速度要求极高，目前还未有实际应用。 七十年代以来，飞速发展的集成电路微细加工技术被引入到电力
23、半导体器件制造中来，是使之同高电压、大电流的设计制造技术相结合，跨入了功率集成的层次，从而使以晶闸管应用为代表的低频电力电子技术发展到高频电力电子技术，成为举世瞩目的一种节能省财的高技术。可以说，70年代电力电子器件的主要标准是大容量，即电流*电压。80年代电力电子器件发展的主要目标是高频化，评价期的标准是功率*频率。到90年代电力电子器件发展的主要标准则是高性能，即大容量、高频率、易驱动、低损耗。因此，评价器件的主要标准是容量、开关速度、驱动功率、通态压降、芯片利用率。12作为在国际上已取得广泛应用电力电子期的前期产品GTO、GTR、MOSFET正向着产品多样化、结构模块化、复合化，特性参数
24、高电压、大电流等特点发展，适用于大容量设备，但由于其电流增益太低，所需驱动功率也较大，驱动复杂，应用受到一定局限。GTR器件已模块化，在中小容量装置中得到推广，但其驱动功率也较大，开关速度慢，影响了逆变器的工作频率与输出波形；MOSFET器件开关速度快，驱动功率小，但器件功率等级低，导通压降大，限制了逆变器的容量。随着半导体技术的发展，出现了各种新型的功率电子元件。绝缘栅双集型晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）便是在GTR和MOSFET之间取其长，避其短而出现的新器件。它实际上是用MOSFET驱动双集型晶体管，兼有MOSFET的高输入阻抗和GT
25、R的低导通压降两方面的优点。即高电压、大电流、开关速度快、电压驱动，驱动功率小，可采用低成本的集成驱动电路控制，具有安全工作区宽，较高的耐短路电流的能力，是一种理想的新型电力电子器件。由于IGBT的特点，其应用领域迅速扩大。所有这些表明，对于需要高中压大电流密度并且开关频率在20至50kHz的应用领域来说，IGBT是一种很好的选用器件。电力电子技术是一门利用电力电子器件对电能控制、转换和传输的学科，它由电力电子器件、交流电路和控制电路三部分组成，它涉及电力、电子、控制三大电气工程领域，又与现代控制理论、材料科学、电机工程学、计算机科学等许多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性
26、技术学科。各种高频化全控型器件的不断问世和迅猛发展使得电力电子变流电路及其控制系统不断革新。如，各种脉宽调制（PWM）电路、零电压零电流开关谐振电路以及高频斩波电路等已成为现代电力电子技术的重要组成部分。这些新型电路的主要作用是使直流逆变成各种频率的交流。电力电子技术已由当年的整流时代进入逆变时代。逆变电源是由电力电子器件、变流电路和驱动保护电路三部分组成。电力电子器件是逆变电源的功率器件，是面向负载的一端；驱动保护电路是微电子器件，是面向电子控制的一端；而变流电路则是把两者结合在一起进行协调工作的部分。逆变电源一般分为两种：一种为恒压恒频电路，用于UPS及特种用途等电源装置；另一种为调压调频
27、电路，用于交流电机调速系统。调压调频作为逆变器的一个应用领域有了较大的发展，在一些发达国家，已形成了较完整的电力变频产业体系。目前，逆变电源正朝向小型化、低噪声、多功能、智能化、多用途和高可靠性发展。 逆变电源输出波形控制技术的发展概况 目前随着工业用的高速数字信号处理器(DSP)的发展，正弦波逆变器的控制方案也由传统的模拟控制向现代数字化控制的方向发展。采用数字化控制，不仅可以大大降低控制电路的复杂程度，提高电源设计和制造的灵活性，而且可以采用更先进的控制策略，从而提高逆变电源系统输出波形的质量和可靠性。在正弦波逆变电源系统的数字控制方案中，目前有以下几种：1.2.1 PID控制(Propo
28、rtionalIntegral and Differential Contr01)PID控制是一种具有几十年应用经验的控制算法，它在模拟控制正弦波逆变电源系统中已经得到了广泛的应用。该控制算法具有较快的动态晌应特性和较强的鲁棒性。将其数字化后应用到数字控制的正弦波逆变电源系统中，由于空载的PWM逆变器近似于一个临界振荡环节，积分作用又增加了相位滞后，这样为保证系统稳定对比例系数P必须有所限制，因此快速性不是很理想。1.2.2 状态反馈控制(State Feedback Contr01)状态反馈控制可以任意配置闭环系统的极点，实现了逆变电源控制系统极点的优化配置，有利于改善系统输出的动态品质，具
29、有良好的瞬态响应和较低的谐波畸变率。但在建立逆变状态模型时很难将负载的动态特性考虑在内，因此状态反馈控制通常只能针对空载和已知的负载进行建模。由于状态反馈控制对系统模型参数的依赖性很强，使得系统在参数和负载发生变化时易导致稳态误差的出现以及动态特性的改变。例如对于菲线性的整流负载，其控制效果就不是很理想。1.2.3 重复控制(Repetitive Contr01)重复控制是近几年发展起来的一种新型逆变电源控制方案，它基于内模控制原理，在重复信号发生器的作用下，输出对输入信号逐周期累加，当指令波形与反馈波形不一致时，控制量的幅度会逐周期无限制的增加。若系统是稳定的，则可以使得稳态误差为零，即反馈
30、波形和指令波形重合，既没有幅值偏差也没有相位滞后。该控制方法具有良好的稳态输出特性和非常好的鲁棒性，但该方法在控制上有一个周期的延迟，因而系统的动态响应较差。1.2.4 无差拍控制(Deadbeat Contr01)无差拍控制是一种基于微机实现的PWM方案，它根据逆变电源系统的状态方程和输出反馈信号来计算逆交器的下个采样周期的脉冲宽度，80年代末期弓入到正弦波逆变电源控制系统中。对于线性负载来说，该控制方法具有很好的稳态特性和快速的动态响应。其缺点也十分明显：它对系统参数变动反应灵敏，即鲁棒性较差。一旦系统参数出现较大波动或系统模型建立不准确时，系统将出现很强的振荡。为此，在无差拍控制之中引入
31、智能控制是当今的研究热点之一。1.2.5滑模变结构控制(SlidingModeVariable StructureContr01)滑模变结构控制利用不连续的开关控制方法来强迫系统的状态变量沿着相平面中某一滑动模态轨迹运动。该方法最大的优点是对参数变化及外部干扰的不敏感性，即强鲁棒性，加上其固有的开关特性，特别适用于电力电子系统的闭环控制。但滑模变结构控制也存在系统稳态效果不佳、理想滑模切换面难于选取、控制效果受采样率的影响等弱点。如今逆变电源的滑模变结构控制的研究方兴未艾，特别是滑模控制和其它智能控制策略相结合所构成的复合控制策略的研究倍受关注。1.2.6 智能控制(Intelligent C
32、ontr01)智能控制技术主要包括模糊控制、神经网络和专家系统等。对于高性能的逆变电源系统，模糊控制器加有着以下优点：具有较强的鲁棒性和自适应性，模糊控制器的设计不需要被控对象的精确数学模型i查找模糊控制表占用处理器的时间很少，因而可以采用较高采样率来补偿模糊规则的偏差。理论上，模糊控制能以任意精度逼近任何非线性函数，但模糊变量的分档和模糊规则数都受到一定的限制，隶属函数的确定带有一定的人为因素因此模糊控制的精度有待于迸一步提高。目前，模糊控制、神经网络引和专家系统出现了相互融合的趋势，展示了三者相辅相成、优势互补的强大生命力。采用神经网络确定隶属函数，优化模糊规则和进行模糊推理等研究已取得一
33、定的成果，各种模糊神经网络的拓扑结构和算法也不断涌现。模糊控制和专家系统结合，可充分利用专家系统的知识推理机制和知识获取能力。可以预见，模糊控制必将成为逆变电源的核心控制技术之一。目前在神经网络结构的选取、学习方法的优化等方面已有了一些研究成果，但由于神经网络的实现技术还没有突破，因此未能成功地应用于逆变电源的控制之中。综上所述，每一种控制方案都有其特长，如果将这些控制方案有选择性地组合在起，构成新的复合控制方案，使它们彼此取长补短，充分发挥各自的优势，就能够更好地满足逆变电源的控制要求。因此，复合控制是逆变电源输出电压波形控制的一种发展趋势。1.3 本课题的提出当今，交流传动机车已遍及世界各
34、大洲，德国、瑞士等国已经停止直流机车的生产。而目前在我国的铁路上，牵引机车以直流传动的内燃机车为主，其次是直流传动电力机车，还有少量的蒸汽机车。这与国际上的先进水平相比有着巨大的差距，为了追赶先进，缩小差距，铁道部制定的未来发展科技政策是：大力发展电力机车，合理发展内燃机车，特别要发展交流传动机车。这是因为交流传动相比直流传动有很大的技术经济方面的优势，其效率约高8%，而且，维修费用大约是直流传动的35%。我国是一个能源相对缺乏的过家，发展交流传动机车对缓解能源紧张，提高经济效益很有好处。因此，发展交流传动机车成为科研攻关的重点，本课题就是在这样的背景下提出的。 第2章 高频逆变电源的主电路2
35、.1 系统的构成及工作原理2.1.1 主电路的设计参数 课题主要技术要求如下:直流侧输入电压:75-130V波动输出交流电压:110V输出交流电频率:20kHz容量:2kW 2.2 移相式PWM软开关高压逆变电源的电路设计与分析2.2.1 电源的整体结构设计逆变电源的整体结构简化框图如图2一1所示，现将工作原理简要介绍如下:三相38OV工频交流电整流滤波后，变成O一500V可调直流电压，然后该直流电压经 IGBT逆变后，再由功率变压器升压输出。电路中整流部分采用三相全桥可控整流，通过改变晶闸管的导通角而得到0一500V直流可调电压，从而达到控制输出功率与方便调试的目的。其主要电路图如图2-2所
36、示。工作原理在这里不详述。图2-1 逆变电源的整体结构简化框图图2-2 三相全桥整流电路IGBT全桥逆变电路结构如图2一2所示，采用移相式PWM控制方式，可实现零电压开通与关断，开关器件的开关损耗很小，其详细的工作原理将在下一节分析。移相脉冲是利用Micro Linear公司的专用移相控制芯片ML4818产生的。该芯片是单电源供电，具有四路脉冲输出，通过调节外接电阻阻值可以方便地调制四路脉冲的相位、频率与宽度，因此，ML4818是一种理想的全桥逆变驱动脉冲控制芯片。为了提高IGBT的抗干扰与驱动性能，其驱动采用了瑞士的315专用驱动模块，该模块驱动性能好，抗干扰能力强，具有过电流软关断功能。过
37、电流保护部分中的电流检测采用霍尔电流检测元件。该元件反应速度快，可达us级，设计方便，只需外接一电阻即可将电流信号线形转化成电压信号。执行元件采用固态继电器。详细的电路与工作原理见3 .2 .4节2.2.2 逆变电源的主电路工作分析逆变电源的主电路，采用移相式PWM控制，开关器件为零电压开关，开关损耗很小。其工作原理是利用变压器的漏感和开关器件的寄生电容，通过谐振来实现零电压开关。VD1一VD4;分别为VTI一VT4的内部寄生二极管，C1一C4;分别是VT1，一V T4的寄生电容，Lr是谐振电感(包括变压器的漏感)。驱动电路信号在分析电路之前，先作如下假设:所有开关管，二极管均为理想器件;所有
38、电感，电容和变压器均为理想元件;C1=C2=Clag，C3=C4=Clag:;下面详细分析一下其工作过程:(1)模态to-t1 图2一3(a)在这期间，VTI和VT4同时导通，原边电流电流从电源正端经VT1，一Lr变压器原边绕组一VT4，最后回到电源负端，向负载输出功率。(2)模态2t1-t2 图2一3(b)在tl时刻，VTI关断，而VT4延迟到七时刻关断。原边电流从VTI转移到C3和C1支路中，给C，充电，同时C3放电，由于C1两端电压不能突变，故VT1是零电压关断。在此时候，因有Lr的续流作用，可以近似认为原边电流ip不变，类似于一个电流源，于是ip和Cl，C3的电压为: i=ip(t0)
39、=I， uci(t)=I1t/(2Clag) uc3(t)=uin一I1t/(2Clag)C3上的电压下降到零的时间为: a=(3)模态2t2t3图2一3(c)当C3的电压下降到零时，VT3的反并联二极管自然导通，当VD3导通后，在T2时刻，控制VT3导通，因VD3的箱位作用，故VT3为零电压开通。此时，虽然VT3在VD3导通后被开通，但VT3中并没有电流流过，ip仍由VD3流通。(4)模态3t3t4图2一3(d)在t3时刻，VT4关断，由于C4的作用，为零电压关断。由C2和C4两条路径提供ip即ip用来抽走C2上的电荷，同时，又给C4充电，iP开始减小。此时段iP和C2，C4的电压为: ip
40、=i2 coswt uc2(t)=Zpi2 sinwt uc2(t)=uin一Zpi2 sinwt在t4时刻，当C4的电压上升到Uin，VD4自然导通。(5)模态4t4一t5图2一3(e) 在t4时刻，VD2自然导通，将VT2的电压钳位在零位，此时，VT2为零电压开通，ip在劫时刻开始反向增加，此后，VT2和VT3中将流过电流，开始另一半周，其工作情况类似于上述半个周期。2-3(a) 2-3(b)2-3(c) 2-3(d) 2-3(e)2.2.3 移相脉冲电路与驱动电路设计分析逆变电源的移相脉冲的产生采用ML4818专用移相控制芯片，与大多数普通的PWM控制集成芯片(如SG3525，TL494
41、等)一样，该芯片内部含有基准电源，振荡器及误差放大器，并设有软启动与过电流禁止输出功能不同的地方是该芯片有四路脉冲输出，并可以对四路输出进行相位调制和延时控制，这也是ML4818的主要特点。其管脚功能如图2一4所示。图2-4 管脚功能ML4818的工作原理，是其相位调制逻辑关系和波形图运放N1的同相端是锯齿波，反相端是误差放大电平，比较结果经过或门去触发器的置位端S。运放N:是电流反馈放大器。当同相端ILIM超过IV时输出为高电平，也经过或门去触发器的S端。时钟OSC输出后分别加在基本R-S触发器的R端和触发器的T端，输出端A1、A2和B1、B2的波形如图2.2.4 系统构成图和主电路图降压斩
42、波稳压全桥逆变输出变压器电压反馈图2-5 系统构成图图2-6主电路图2.2.5 工作原理如图2-6所示，75-130V的直流电输入后，经降压斩波器斩波变成70V, 20kHz的直流方波信号，送给IGBT逆变电路，逆变产生20kHz的交流方波电压，此电压经高频升压变压器生压为110V，然后，整流滤波供给负载。本主电路可经电压传感器获得电压反馈信号。采用全桥逆变电路使开关管在承受同样的耐压和电流下，逆变器有更大的功率输出。2.3 系统主电路的参数设计2.3.1 斩波器的设计1 斩波器的工作原理斩波器工作如下:在T=0时触发IGBT，因负载中有电阻和电感，负载电流按指数曲线上升，IGBT导通期间，负
43、载电压等于电源电压E。当T=TK时刻，通过换流电路的作用，使IGBT关断，负载电流通过二极管续流，负载电流按指数曲线下降。为了减小负载电流的脉动，串接较大值电感L，使负载电流能连续，到一周期再触发IGBT，重复上述工作。到稳态时，一周期内电流的初值与终值应相等。负载电流连续时，负载端直流输出电压的平均值为:式中t1为IGBT的导通时间，t2为IGBT的断电时间，a为导通比，小于1，它与U。成正比关系，改变导通比a，就可以使U。从零到E之间连续变化。 2 斩波器中储能电感的计算 在储能电感L中流过的电流具有较大的直流分量，并叠加一交变分量。一般情况下，交变分量的平均值比支流分量小得多。直流分量在
44、铁芯中会产生较大的支流磁偏量，使铁芯饱和，所以铁芯必须加气隙，由于交变磁化分量较小，一般情况下，B Bm-Br， 局部磁滞回线包围的面积较小。铁芯储能最大值：Wm=1/2*L*Im =1/2*N*Sc/Lc*(Hm*Lc/N) =1/2*Bm*Hm*Vc 公式中Vc=Sc*Lc为铁芯体积；Bm=e*Hm由上式可见，对于一定的铁芯材料来说，只有加大铁芯体积来增大铁芯储能。降压斩波电路中，当IGBT导通时设电流线形变化，U1=L*I/Ton L=U1*Ton/I已知输出电压U2=70V ，输出功率P2=2000W，T=50s（1） 最大输出电压U=130Va=T=T*as取I=10%I=10%*L
45、=U1*T（2） 最小输入电压U1=75V时， 同理可求得 加气隙后的电感值：由于铁芯材料r 1,铁芯加气隙后，等效的相对磁导率： = 加气隙后的电感值：L= S 取N=50（匝），可求得3 高频变压器的设计（1）高频变压器的作用 高频变压器的作用是电压变换，功率传递以及实现输入输出之间的隔离。（2）高频变压器的特点:电源电压非正弦波，而是交流方波，铁芯损耗比普通变压器大，在确定铁芯损耗时应考虑高次谐波;为了保证波形不失真或少失真，应尽可能减小变压器漏感，因此变压器采用环行结构;分析普通变压器所用的向量图和等值线路在此不适用。（3） 高频变压器铁心材料的选择:本装置的输出高频变压器采用超微晶铁芯，铁芯的形状为环形，以保证其漏感最小。 BB=变压器原边绕组电流： I =45.7A S=导线直径: R=D变压器原边匝数：