车载电子逆变器的设计

目录

摘要： (1)

第1章绪论 (3)

1.1逆变器的定义及其应用领域 (3)

1.2逆变技术的发展过程及现状 (4)

1.3 逆变器用功率开关器件 (5)

1.4 逆变器主电路的基本形式及分类 (7)

1.5 本课题研究的目的和任务 (8)

第2章变电源的主电路拓扑结构分析 (9)

2.1 典型主电路拓扑 (9)

2.1.1 推挽逆变主电路 (9)

2.1.2 半桥逆变主电路 (9)

2.1.3 全桥逆变主电路 (10)

2.2 设计指标及要求 (11)

2.3 主电路的研究与设计 (12)

2.3.1 系统的基本原理 (12)

2.3.2 前级升压电路 (12)

2.3.3 输出逆变电路 (15)

第3章控制电路的研究 (17)

3.1 脉宽调制（PWM）技术 (17)

3.2 推挽电路的驱动电路 (17)

3.2.1 KA7500B内部结构 (18)

3.2.2 驱动电路及其他外围电路的研究 (18)

3.3 末级控制输出电路 (21)

3.3.1 驱动信号 (22)

3.3.2 输出欠压、过压和过流保护 (23)

3.3.3 MCS-51外围电路图 (23)

第4章高频变压器的设计 (25)

4.1 磁性原件对电源设计的重要意义 (25)

4.2 应用于开关电源的基本磁学理论 (26)

4.3 推挽变换器中变压器的设计 (29)

4.3.1 变压器工作原理 (29)

4.3.2双极性变压器的计算 (30)

附录 (33)

附录1主程序流程图 (33)

附录2 DC/DC变换电路 (34)

附录3 DC/AC变换电路 (35)

参考文献 (36)

致谢 (37)

摘要

随着逆变技术和各种功率器件的飞速发展，车载逆变电源的小型化、高效化已成为可能。车载逆变电源(又叫电源转换器)可以把汽车蓄电池的12V/24V直流电转变成大多数电器所需要的220V交流电。功率开关把输入的直流电压转变成脉宽调制的交流电压，然后利用推挽逆变器和高频变压器把交流电压升高，再用全波整流把交流电压转换成直流，最后由全桥变换器把高压直流逆变成所需交流电。转换器可作为移动交流电源在车辆、船舶上使用，也适合与太阳能电池配合使用，能够方便地为这些电器设备提供交流电。基于对本电源设计、反复调试以及对其优化设计，基本达到各项设计指标，转换效率高、噪音小、体积小，能提供稳定、可靠的电源。第一章概述介绍了逆变器的定义、发展以及主电路的基本形式；第二章阐述了本课题的基本原理，并对前级升压电路与输出逆变电路做了详细的设计；第三章研究电压PWM控制电路，其中包括推挽电路的驱动电路和末级控制输出电路；在第四章中，高频变压器的设计是重点，包括对参数的计算。

关键词：逆变电源脉宽调制高频变压器

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第1.3节 逆变器用功率开关器件

现代逆变用功率开关器件大致可以分成3类：一是传统的各种晶闸管；二是近20多年发展起来的功率MOSFET 及相关器件；三是由上述两类开关器件发展起来的特大快速和可关断晶闸管。在20世纪60~80年代，几乎所有的中大功率逆变器都用晶闸管。现在，除了大型或特大型逆变器之外，几乎不再用晶闸管作逆变器的开关器件了。20世纪80年代是MOS 器件与晶闸管并行应用的时代，到了20世纪90年代，MOS 器件在逆变器的应用占了相当大的比例，到20世纪末期，就开始进入到IGBT 的应用时代。

本课题设计的车载逆变电源是把汽车蓄电池的12V/24V 直流电转变成大多数电器所需要的220V 交流电。功率开关把输入的直流电压转变成脉宽调制的交流电压，然后利用推挽拓扑结构和高频变压器把交流电压升高，再用全波整流把交流电压转换成直流;最后由全桥变换器把高压直流逆变成交流电。考虑到本车载电源输出功率较小，输出电压和电流都不大，故功率管选择MOSFET 。

在现代的UPS 中，IGBT 普遍被应用作逆变器或整流开关器件。它是全控开关器件，通过数控技术控制IGBT 的通断，能有效地将输入电压与输入电流保持同步，使输入功率因数等于1，从而减小了UPS 整流器对市电电源的干扰。

功率开关器件的功率与工作频率的关系曲线如图1-1所示：

P(Kva)

610 510 410 310 210 0 210 310 410 510 610 710

图1-1 功率开关器件的功率与工作频率的关系曲线

MOSFET 开关器件的开关频率特性是最好的，但因其目前的功率较小，故不能在大功率逆变器中应用。IGBT 的开关频率特性也比较好，目前已被广泛地应用于中大型逆变器中。

第1.5节 本课题研究的目的和任务

车载逆变电源（又叫电源转换器）可以把汽车蓄电池的12V/24V直流电转变成大多数所需要的220V交流电。输入电压经推挽变换器逆变成交流电后经高频变换器升压、高频整流、高压滤波得到高压直流（DCHV）。高压直流再经过全桥逆变最终输出交流电。PWM和谐振式开关电源的设计总是先进行总体考虑，然后对电源各部分分别进行设计，接下来是设计控制的辅助功能，所有的设计总是从电源的指标开始的。开关电源的设计中，拓扑的类型与电源各个组成部分的布置有关。这种布置与电源可以在何种环境下安全工作以及可以给负载提供的最大功率密切相关。这也是设计中性能价格折中的关键点。根据本课题的要求以及指标，结合各种拓扑结构的特点，本课题选择了推挽电路和全桥逆变电路两种拓扑结构作为主电路的基本电路。

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第2章 逆变电源的主电路拓扑结构分析

第2.1节 典型主电路拓扑

开关电源的设计中，拓扑的类型与电源各个组成部分的布置有关。这种布置与电源可以在何种环境下安全工作以及可以给负载提供的最大功率密切相关。这也是设计中性能价格折中的关键点。每种拓扑都有自己的优点，有的拓扑可能成本比较低，但输出的功率受到限制；而有的可以输出足够的功率，但成本比较高等。逆变主电路就是由逆变开关器件等组成的变换电路，分为非隔离式和隔离式两大类。如变频器、能量回馈等都是非隔离的；逆变焊接电源、通信基础开关电源、UPS 、加热电源等都是隔离式逆变电路。隔离式逆变主电路还包括逆变变压器。从现有的资料来看，车载逆变电源的主电路一般会采用隔离式双端逆变方式，下面针对推挽式、半桥式、全桥式三种主电路拓扑结构分别阐述。

2.1.1 推挽逆变主电路

推挽电路的工作是由两路相位相反的驱动脉冲分别加到逆变开关管S1, S2的基极，控制它们交替通断，输入直流电压被变换成高频的方波交流电压经变压器输出。当S1导通时，S2截止，输入电压V 加在变压器T 原边绕组N1上，由于变压器有两个N1绕组，且匝数相同，所以在S2上将施加两倍的电源电压，即2d V 。当驱动脉冲结束后(死区时间)，两只开关管都截止，端电压都为d V 。当S1导通时，同理，S2截止，在S1上将施加两倍的电源电压。

图2-1 推挽逆变电路结构图

2.1.2 半桥逆变主电路

当两只开关管S1, S2都截止时，若两只电容相等，即C1=C2，则在两电容中点A 的电压为输入电压的一半，即1c V =2c V =2Vd 。当S1导通时，电容C1将通过S1和变压器原边放电，同时电源电压Vd 通过S1和变压器原边放电为电容C2充电，中点A 的电