全桥式逆变电源主电路设计

作者简介：钱金川(1966- )，男，工程师，大专，从事自动化控制、智能电器等研究工作。
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全桥式逆变电源主电路设计
电工电气 (2010 No.4)
激变换电路中，当功率开关器件 VT 导通时，则通过 变压器 Tr 向负载传递能量。变换电路主要由开关管 VT、变压器 Tr、输出整流二极管 D1、续流二极管 D2 以 及输出滤波电感 L 和电容 C 组成。变压器 Tr 原边绕 组中分去磁绕组 N R 与原边绕组 N1( 通常 N R ≤ N 1)， N R 与 D0 组成磁通复位电路。当开关管 VT 在关断期间， 绕组 N 1 的储能转移至 N R 中，并通过 D0 反馈到输入 端电源E 中。因在单端变压器原边线圈流过的是脉动
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+
VT1
Vg1
E
VT2 Vg2 -
VT4 D1 Vg4
Cr VT3
D2 Vg3
D4 Tr
D5
N21 N1
N22
D3
D6
L +
C U0
图4 全桥式变换电路
开关器件饱和压降和开关时间不相同，将会造成变 压器中正负半周期磁通的不对称，从而引起偏磁现 象，最常见及通用办法是在变压器 T r 原边回路中 串接一个隔直电容 C r，以此来抑制变压器原边非纯 交流电压中直流分量。由于变压器原边绕组电阻小， 在多个循环之后，即可造成磁饱和。
激磁电流，如果在每个脉动工作磁通周期不采取去磁
措施，则磁芯剩磁通的累加会迅速使变压器出现饱和。
如果没有去磁绕组 N R，变压器二次绕组因 D1 反偏截 止，原边绕组中储能无处释放，将会引起很高的反电
压与输入电压 E 迭加至 VT 上。此时开关管 VT 在导通
时流过的大电流，关断时承受高电压，导致 VT 损坏。
R3 L1 R4 L3 R5
W
共模 DZ47-63
C14 + R2
Q2 DQ2
D8 R8
C12
Q4 DQ4
D9 R9
C13
C7 L2
C8 L4 C9 m4 D5
U L 500 A/75 mV 分流器
C6
L5
m6 D4 m5
D10
-
图5 全桥主电路图
3.1 输入电路分析 3.1.1 断路器的选择
在输入电路最前端安装具有过载、短路保护断 路器。通常选用小型断路器D Z47-63(D 型)系列。其 具体允许电流的大小主要依据被控额定容量来确 定：估算P N = 3UI N。其中P为被控额定容量值W；U 为相电压AC 380 V；IN为允许电流额定值。
当于两个正激电路交替工作，且两个开关管交替导
通和截止，并在各自导通的半个周期内把能量分别
通过变压器 Tr 传递给负载。该变换电路主要由 VT1、 VT2 以及并联至开关管的二极管 D1 和 D2 组成输入端， 经变压器 T r, 在输出端由整流二极管 D3、D4 与输出 滤波电感和电容组成。
D1
VT1
所以在次级整流电路由超快速恢复二极管模块来完成整流因超快速恢复二极管有其反向恢复时间短rr反向恢复时间是二极管以正向导通状态转为反向关断过程所需时间它是衡量高频续流器件性能的重要技术指标且反向恢复时间rr将决定二极管工作最大频率和反向恢复电流小的特点满足整流要求
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全桥式逆变电源主电路设计
连接至电网进线中，用以限制变换器开关功率器件 在高频工作时，控制电流上升率 di /dt 和电压上升 率 du /dt，使其不产生跃变。以减少电流冲击和保 障设备的安全使用。
共模电感是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑 制器件，它由三个线径相同、匝数相同的导线对称 绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，形成一个六端器 件 ( 输入输出各三端 )。当导线中流过共模电流时， 磁环中磁通相互叠加，从而具有相当大的电感量， 使线圈表现为高阻抗产生较强的阻尼效果，以此衰 减共模电流达到滤波目的，因而对共模电流起到抑 制作用；当导线中流过差模电流时，磁环中磁通相 互抵消，几乎没有电感量，此时差模电流可以无衰 减地通过。因此共模电感在线路中能有效地抑制共 模干扰信号，而对线路正常传输的差模信号无影响， 从而有效解决电网中的共模干扰窜入电源输入端， 减小了共模干扰对电源的干扰。
确定允许电流值I ＞I N且选用小型断路器 D Z47-63时选择 D 型(电动机控制型)以保证断路器 接通瞬间抗过载能力。 3.1.2 共模电感
在电磁兼容 EMC 中，电源滤波是一种抑制传导 干扰的方法。它不仅可以抑制来自电网的噪声对电 源本身的侵害，也可以抑制由开关电源产生并向电 网反馈的干扰。而最主要通常面临解决问题是共模 干扰，因此电源滤波器中共模电感就是解决共模干 扰常用器件。共模电感 ( 亦称共模扼流圈或换相电 抗器 )，可起到对电网污染减少，提高功率因数，
+
VT1
+
C1
Vg1
A
E B
VT2 +
-
C2
Vg2
D1 Tr
D3
N21 N1
N22
D2
D4
L
+
C3
U0
图3 半桥式变换电路
半桥式变换电路开关管上最高电压等于输入电 压，比推挽式变换电路低一半。开关管关断过程中， 变压器漏感引起的电压尖峰被二极管钳位，因此开 关管的最高电压不会超过输入电压。由于变压器原 边绕组上的方波电压幅值只是电源电压的一半，影 响其功率输出，所以半桥式变换电路不适合输出功 率较大的场合。但半桥式电路具有电路简单，使用 器件少，尤其具有抗不平衡能力强的特点，因此在 中小功率场所得到了广泛应用。 2.4 全桥式变换电路
3 全桥主电路分析
由于变压器 T r 磁芯工作在磁滞回路两侧，在
全桥主电路图如图5所示。
IGBT模块 吸收电路 IGBT模块 吸收电路
C1 C2 C3
C4 + R1
Q1 DQ1
D6 R6
Q3 DQ3
D7 R7
尖峰抑制器m1 D1
+
180μH
U
L1
V
D
RV
C5
C10
C11
中频变压器
m2 D2 m3 D3
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钱金川1,2，朱守敏1
(1 上海高企电器有限公司，上海 201602；2 浙江泰华电器有限公司，浙江 乐清 325604)
摘 要：介绍了逆变电源常见拓扑电路，针对拓扑常用典型结构图，分析了各拓扑结构的应用场合及 优缺点，给出了全桥逆变电源的设计方法及其器件的参数。通过科学合理的器件选择，使其高效节能的 逆变电源得到广泛应用。
通常共模电感在制作时应注意以下几个方面，：
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(1) 绕制在磁芯上的线圈导线应有较高的相互绝缘 性，以保证在瞬时过电压下线圈匝间不发生击穿 短路；(2) 线圈流过瞬间大电流时，磁芯不能出现 饱和；(3) 线圈中的磁芯应与线圈绝缘，以防止在 瞬时过电压作用下两者之间发生击穿；(4) 各线圈 尽可能绕制单层，这样做可以减小线圈的寄生电 容，增强线圈对过电压的承受能力；(5) 绕制的匝 数由相应的电感量确定，通常绕制后的电感量为 180μH，电感量用相应仪器来测量。
逆变电源因体积小、重量轻、节材节能、转换 效率高等特点，现已得到了广泛应用。目前逆变电 路的拓扑结构主要有单端正激式、单端反激式、推 挽式、半桥式、全桥式等多种类型。根据需求可采 用不同拓扑形式的逆变电路满足其需求。以上拓扑 结构又有其各自特点，所以在逆变电源主电路设计 中充分考虑电路自身结构特点和使用场所，只有如 此根据上述情况，才能更好的选择相应的逆变电路 来满足使用要求。随着功率器件的不断发展，目前 IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是逆变电源中常用的功 率器件，已逐步取代原晶闸管、晶体管、场效应管 (MOSFET)。由于桥式逆变电源在选择功率开关器件 耐压要求可以稍低，并有较高的功率输出，现通常 采用全桥式逆变电路来实现较大功率输出。
Tr
D3
Vg1 N11
N21
+
E - VT2
N12
N22
D4
Vg2
L +
C U0
D2
图2 推挽式变换电路
推挽电路中开关器件的耐压是输入电压的2 倍，工作是随着开关管的开通和关断、变压器原边 绕组交替工作，与半桥和全桥变换电路相比变压器 利用率低，而且输出电压随输入电压和负载变换而 变化。因此在输入电压高时，一般不易采用这种变 换电路。与单端变换电路相比较，推挽电路的优点 是输出功率大、输出滤波电感可减小，两组开关驱 动脉冲V g1、V g2不需隔离，控制简单。 2.3 半桥式变换电路
D0
Tr
D1
L
NR
+
+
N2
D2 C U0
N1
E VT
-
图1 单端正激式变换电路 该电路特点：变压器Tr有变换电参数和隔离作 用，因变压器磁芯在单象限内工作，所以体积较
大，适用于小功率电源中使用。
2.2 推挽式变换电路
推挽式变换电路如图 2 所示。推挽式变换电路
其实由两个相位相反的正激变换电路叠加而成，相
单端正激式
E
IC P0 E
E K
·D
2
小、中
变换电路形式
推挽式 半桥式
2E
E
IC
2I C
P0
P 0/2
E
E /2
2E K
·D
E K
·D
2
2
大
中
全桥式
E
IC P0 E
E K
·D
4
大
1 常用拓扑结构对比
2 拓扑结构电路变换
表1为常用拓扑结构对比表，V CE为功率开关器
2.1 单端正激式变换电路 单端正激式变换电路图如图 1 所示。在单端正
关键词：逆变电源；拓扑电路；拓扑结构 中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2010)04-0012-08
Main Circuit Design of Full-Bridge Reverse Converter Power Supply
QIAN Jin-chuan1,2, ZHU Shou-min1 （1 Shanghai Gaoqi Electrical Appliance Co.,Ltd, Shanghai 201602, China; 2 Zhejiang Taihua Electrical Appliance Co.,Ltd, Yueqing 325604, China） Abstract: Introduction was made to reverse converter common to pological circuits. Aiming at typical topology structure diagram in common use, analysis was made on application sites, advantages and disadvantages of topological structures. Design method was given, as well as the parameters of its apparatuses of full-bridge reverse converter power supply. Via scientific and reasonable apparatuses selection, high efficiency and energy-saving reverse converter is applied widely. Key words: reverse converter power supply; topological circuit; topological structure
在电器设计中，电磁兼容 E M C 日趋得到关注， 尤其在逆变技术普遍应用的今天则更显重要。其意 义在于：(1) 防止电网上的干扰窜入电源，影响电 源的可靠性 ( 直接危害整流模块、IGBT 模块 )；(2) 防止逆变电路产生的尖峰电压窜入电网，对电网造 成污染，防止逆变电路产生电磁干扰和射频干扰。 只有如此才能满足所规定的电磁兼容性。
半桥式变换电路如图 3 所示。在半桥式变换电 路输入端串接电容 C1、C2 且 C1 = C2 以便当两个开关 器件 V T1、V T2 均截止时，VC1= VC2= 1/2E。V A = 1/2E， VB = 1/2E，VAB = 0，保证开关器件均为截止时所受耐 压相同和均衡 ( 输入电压一半 )。D1、D2 起到反馈 和续流作用，变压器副边电路由 D3 和 D4 构成全波 输出整流，L、C3 构成输出滤波电路。
全桥式变换电路图如 4 所示。全桥式变换电路 是目前逆变电路中使用最为常见的一种，该变换电 路共有四个桥输出电压和电流波形与半 桥电路形状相同，其幅值高出半桥变换电路一倍。 改变直流电压 E 就可改变输出交流有效值，输出功 率大。
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件承受电压；I C为相同输出功率时的电流；P 0为相 同I C时输出功率；U 1为主变压器原边电压；U 0为输 出电压；m 为功率开关器件数量；E 为加入电路的直 流电压；D 为功率开关器件导通占空比；K 为主变压
器Tr的变比。 表1 常用拓扑结构对比
项目
V CE IC P0 U1 U0 m 适于获得输出容量