200W逆变电源初步设计

某知名大学号：学生姓名：指导教师：起止时间：2014-12-29至2015-1-9课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：电气注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要逆变是利用晶闸管电路把直流电转变成交流电的过程。

逆变分为有源逆变和无源逆变，交流侧接负载的为无缘逆变，交流侧接电网上时成为有源逆变。

逆变电源是将小电压直流电经过升压，再经过逆变变成有适合功率的交流电，以解决没有交流电源的情况下交流电气设备的用电问题。

升压过程用升压斩波电路，也叫boost变换器。

是通过控制全控型器件IGBT晶闸管的导通时间来控制输出直流电压大小。

本设计是将给定12V直流电转变为频率50HZ，电压220V的交流电，在直流部分首先采用升压斩波电路将直流电压提升到约100V左右，为下一步逆变提供适当裕量，第二步逆变部分，控制晶闸管导通周期为0.02S，以保证输出交流电压频率固定为50HZ，晶闸管采用脉冲触发控制。

经实验仿真验证，本设计最终输出电压为幅值为310V（±5V），输出功率大于200W，周期为0.02S的正弦波，且波形无明显失真，系统整体性能良好，满足设计要求。

关键词：逆变电源；升压斩波；无源逆变；脉冲触发目录绪论 (1)1.1逆变电源技术概况 (1)1.2本文设计内容 (1)逆变电源电路设计 (3)2.1200W逆变电源总体设计方案 (3)2.2具体电路设计 (4)2.2.1主电路设计 (4)2.2.1 控制电路设计 (7)2.2.2 保护电路设计 (7)2.3元器件型号选择 (8)2.3.1 晶闸管参数计算与选择 (8)2.3.2 电阻、电容、电感参数计算与选择 (10)2.4系统仿真 (10)2.4.1 MATLAB仿真软件简介 (10)2.4.2 逆变电源仿真模型建立 (11)2.4.3 逆变电源仿真波形及数据分析 (13)课程设计总结 (18)参考文献 (19)绪论1.1逆变电源技术概况电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。

目前所用的电力电子器件均由半导体制成，故也称为电力半导体器件。

电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源以及变频交流电源，因此也可以说，电力电子技术研究的就是电源技术。

在实际的电源系统中，有时需要把直流电转换成交流电供负载使用，这种把直流电变回交流电的过程就是逆变。

在已有的很多种电源中，如蓄电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变。

逆变将使发电方式产生一次大变革，使用氢能源与再生能源的高效低污染燃料电池发点方式将成为主题发电方式。

因此，逆变技术在新能源的开发与利用领域具有至关重要的地位。

逆变技术不仅应用在逆变电源方面，还广泛应用于其他领域1.交流电机变频调速：采用逆变技术将市电电网电压变换成幅值可调、频率可调的交流电供给交流电机，以调节电动机的转速。

2.UPS电源系统：在许多领域中被广泛用的计算机、通讯设备、检测设备等都需要采用UPS电源。

3.电动汽车：随着起初数量的不断增加，排放气体对环境造成污染越来越严重，已经成为空气污染的主要来源。

各大汽车公司均投入巨资积极研发电动汽车。

不管采用蓄电池还是用燃料电池，都要将直流电转换成交流电来供给电动机使用。

随着时代的发展，新的科技不断出现，逆变技术也将不断趋于成熟，逆变技术的应用也将大大扩展。

1.2本文设计内容课题完成的设计任务及功能实现功能将12V直流电变成频率50HZ电压220V的交流电，解决没有交流电源的情况下交流电气设备的用电问题。

具体设计内容首先对设计要求做进一步分析。

设计要求输入12V直流电压，输出220V，50HZ 的交流电压，明确了设计的目的。

整理设计方案，进行方案对比论证，从经济性、可靠性、安全性等方面考虑确定最终设计方案。

作出设计框图，按照实际电子元器件耐压值、额定电流等技术参数对设计方案再次修正。

将整体电路拆分成独立的单元电路直流变直流（DC—DC）升压斩波电路、直流变交流（DC—AC）逆变电路，以便设计仿真。

分别对单元电路进行MATLAB仿真，根据仿真图形失真度对设计参数再次修正，直到仿真波形图失真度满足设计范围为止。

对仿真数据进行分析，总结。

完成实验报告。

逆变电源电路设计2.1 200W逆变电源总体设计方案方案一直流变直流部分采用升压斩波电路（Boost Chopper），即通过控制晶闸管导通对电感进行充放电来对负载电压进行抬升，其输出电压为U o=Tt offE（2-1）期中T为晶闸管导通周期，t off为晶闸管关断时间，E为输入直流电压小。

逆变部分采用单相全桥电压型逆变电路，其输出电压有效值为U O1=2√2U dπ=0.9U d（2-2）此方案升压电路通过控制脉冲触发电路改变输出直流电压大小，容易实现。

逆变部分由于采用电压型逆变电路，因为直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。

而本设计要求交流侧输出交流电为220V的交流电以供交流电气设备用电。

与设计要求不符。

方案二直流变直流部分依然采用升压斩波电路（Boost Chopper），逆变部分采用单相全桥电流型逆变电路，其输出电压为U o=πU d2√2cosφ=1.11U dcosφ（2-3）式中U d为输入直流电压，cosφ为功率因数。

此方案由于是电流型逆变电路，因此输出交流侧电流波形为矩形波，电压波形与负载阻抗角有关。

当负载接谐振电路时，控制功率因数可得到接近正弦波的波形。

综合考虑两个方案，方案一不能得到正弦波电压，方案二能得出正弦波电压，因此选方案二作为本设计的最终设计方案。

构建设计方案图输入、输出过压保护直流变直流升压斩波电路单相桥式电流型逆变电路输出220V AC脉冲驱动电路图2.1 设计方案框图具体设计方案如下2.2具体电路设计2.2.1主电路设计升压斩波电路设计升压斩波电路由全控型器件晶闸管、二极管和电感等构成。

具体电路如下图2.2所示。

图2.2 升压斩波电路如图2.2所示，晶闸管V选用全控型器件IGBT，利用脉冲控制其开通和关断从而使其控制电感的充电和放电。

电路中电感L值很大，当可控开关处于通态时，电源向电感充电，充电电流基本恒定不变，同时电容向负载供电，因为电容很大，所以输出电压也基本恒定。

当可控开关处于断态时，电源和电感同时向负载供电。

二极管控制电流单方向流动。

电路工作波形理论值如下图2.3所示图 2.3中，i GE为晶闸管门极输入电流，用来控制晶闸管导通与关断，i o 为输出端电流波形。

设晶闸管导通时间为t on，此阶段电感L上存储能量为EI t on，当晶闸管截止时，电感放电并和电源E向负载和电容供电，电路处于稳态时，电感充放电能量相等，即EIt on=(U O−E)It off（2-4）化简可得U O=t on+t offt off E=Tt offE（2-5)由公式可得，当输入电压12V时，调节晶闸管导通时间即可得到输出有一定幅值的直流电压。

电流型逆变电路设计直流侧电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。

理想的电流源并不常见，因此可以通过在直流电源侧串联一个大的电感，利用大电感中电流脉动很小的特性，近似将直流电源看作电流源。

每个桥臂串联了电感，使得电流变化连续。

为了得到正弦波输出电压，在负载侧接RLC并联谐振电路，调节负载电容和电阻可以得到稳定的正弦波电压。

具体逆变电路如下图2.4所示。

图2.3 直流斩波电路工作波形图2.4 电流型逆变电路原理图图中VT1~VT4是晶闸管，利用脉冲触发电路对其进行控制；L d是极大的电感，为了得到连续的直流电流I d，在每个桥臂上都串有适合的小电感。

输出电压从谐振电路两端引出，其理论工作波形如下图2.5所示。

图2.5 逆变电路工作波形图波形分析：UG和UG是加在晶闸管电路两端的触发脉冲信号，由图2.5可见，在一个周期里，1,4和2,3晶闸管触发相位正好相反。

i o 为输出电流波形，由于是电流型逆变电路，因此输出电流为矩形波，与负载性质无关，有相位延迟，晶闸管1,4和2,3轮流导通，导通时间各为半个周期。

t 4和t 2之间是晶闸管换流时间，在此期间由于续流电感的存在，四个晶闸管同时导通，分别在上下两个回路形成续流电流，因此脉冲宽度要适当，以免造成短路故障。

晶闸管承受最大电压为电源电压的一半。

输出电压为正弦波交流电。

该电路换流方式为负载换流。

2.2.1 控制电路设计本设计大量采用晶闸管，对于晶闸管要设计触发电路来控制晶闸管导通，触发脉冲要保证晶闸管可靠导通，其幅度要足够，所以要有强触发环节，具体设计电路如下图2.6所示图2.6中，脉冲电流控制Q1的导通，间接控制Q2的导通，Q2导通后，VCCm 经变压器和电阻R2到地形成闭合回路，积蓄在脉冲变压器T1上的能量向负载输送。

导通后，由于二极管和R4组成的电路限制T1两端电压，所以变压器原边电压很快就回复的一定值并保持不变，输出电压也随之保持不变，在输出电压起始时刻有短暂的电压极大现象，称为强触发环节。

2.2.2 保护电路设计电路保护分为过电压保护和过电流保护。

过电压产生的原因有： 1) 操作过电压：分闸、合闸等开关操作引起的过电压 2) 雷击过电压：由雷击引起的过电压R14kΩR21.0kΩR31.0kΩR41000ΩC10.033µFQ12N1711Q22N1711D11N4001D21N4001D31N4001VCC5VVCCm50V I11kHz 1 AT11 sq.m 1 m图2.6 晶闸管触发电路3)换相过电压：由于晶闸管两端反并联的二极管在换相过后不能立即回复阻断能力而引起的。

4)关断过电压：全控器件在高频工作下，在关断时，因正向电流的迅速降低在线路电感两端产生的电压。

本设计使用的虑晶闸管要考虑的耐压问题，主要是操作过电压和换相过电压。

晶闸管一旦超过额定电压，影响晶闸管性能和使用寿命，甚至会烧坏晶闸管，为了保护晶闸管，限制晶闸管两端的电压不超过额定电压，需要给晶闸管设计过压保护电路。

对于晶闸管的过电压保护，本设计采用并联RC串联电路吸收方案。

具体电路见下图2.7图2.7 R C阻容吸收回路晶闸管两端并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。

电路总是存在电感的(变压器漏感或负载电感)，所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。

同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。

2.3元器件型号选择2.3.1晶闸管参数计算与选择本设计输出电压峰值为310V（±5V），而用于逆变的晶闸管两端电压也相对比较高，因此要选用耐压值较大的晶闸管来作为逆变电路的控制器件，经仿真测试晶闸管两端电压峰值达到270V左右，见下图2.8。