逆变器设计整流逆变

5
单相半桥逆变电路
特点是有两个桥臂，每个桥臂有一 个可控器件和一个反并联二极管组成。 在直流侧接有两个相互串联的足够大的 电容，两个电容的连接点为直流电源的 中点。反并联二极管为反馈电感中储存 的无功能量提供通路，直流侧电容起着 缓冲无功能量的作用。
其优点为简单，使用器件少，缺点 为输出交流电压的幅值仅为直流电源电 压的一半，且直流侧需要两个电容器串 联，工作时还要控制两个电容器电压的 均衡，因此它只适用于几千瓦以下的小 功率逆变电路。
32
（3）变压器的计算与选型 通过上面计算可到变压器 U1=8V,I1=165A 变压器的容量为 220×6=1320VA 计算变压器的U2:经过变压器以后在经过桥式整流电容滤波电路之 后的电压为1.2U2，最后经过桥式逆变输出的电压为 0.9×1.2U2=1.08U2=220V 可以求得 U2=204V 再考虑到二极管和IGBT的压降损耗等因素，U2取210V，I2=6.3A, 变压器选用单相芯式结构.
14
二.Boost电路 斩波 DC
DC 斩波
DC 逆变
AC
12V
48V
240V
220V
Uo

T toff
E
放大倍数AF 4 5 20
占空比D 0.75 0.8 0.95
15
Boost电路仿真
16
Uo (L=1mh C=470uF)
70
60
50
40
30
Ui 12V ; D 0.75;
20
现代电力电子技术设计作业
组员：王亚萍 巩方超 郑俊观 胡源
1
主要内容：
设计要求 设计方案 主电路设计 驱动电路设计 器件选型
2
设计要求
1.输入：DC 12V 输出：AC 220V 6A 逆变器 2.完成电路的设计及相应原件的选型
3
设计方案
（1） DC 逆变 AC 升压 AC
21
三、 SWPM
22
三、SWPM
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8
-1 0.01
红色三角波为载波，黄色正弦波为调制波
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
23
四、滤波
24
总结
DC 逆变 AC 升压 AC
12V
10V
220V
DC 斩波 DC 逆变 AC
0.92
0.93
0.94
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1
30
器件的选择
直流升压环节 （1）输出滤波电容C1计算与选型
考虑到输入的直流可能含有高频成分，故需要用电容把高频 成分滤掉。根据经验C1选择470uF /100V的铝电解电容。
31
（2）IGBT的计算与选型 变压器一次侧电压 U1=0.9E=0.9×12=10.8V 考虑到IGBT上的压降和其他损耗的影响，故U1=8V。 输入的功率为 P=220×6=1320W。 变压器一次侧电流 I1=P/U1=1320/8=165A 由于电路中最大的直流输入电压E=12V，考虑到一定的安全裕量，这里取为1.5倍，即 所选的IGBT的电压必须大于1.5×12=18V，选择IGBT的额定电压值为600V. 电流的安全裕量取1.5倍，IGBT的电流必须大于 1.5×I1=1.5×165=247.5A 根据上面确定的最大电压和最大电流来选择IGBT。选择的型号为1MBI400L-060（参 数400A/600V）
20
三、SWPM
PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即 通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所 需要波形(含形状和幅值)。当采用正弦波作为调制信 号来控制输出PWM脉冲的宽度，使其按照正弦波的规 律变化，这种脉冲宽度调制控制策略就称为SPWM。
产生SPWM脉冲，采用最多的载波是等腰三角波； 因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关 系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号 波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断 进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。 在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。
33
铁芯截面选择
S ab 0.7 P 0.7 1320 25.5cm2
a 4cm,b 7cm, S ab 28cm2
定
b'1.1S / a 1.125.5/ 4 7
验证： b' / a 7 / 4 1.75
在1到2之间都是合理的。
34
一次、二次绕组匝数计算
38
直流逆变环节
经过桥式整流电容滤波电路输出的电压为250V 由于直流输入电压为250V，考虑到一定的安全裕量，这里取为1.5倍，即所 选的IGBT的电压必须大于1.5×250=375V，选择IGBT的额定电压值为600V。 电流的安全裕量取1.5倍，IGBT的电流必须大于1.5×6=1.5×6=9A 根据上面确定的最大电压和最大电流来选择IGBT。选择的型号为1MBI400L060（参数400A/600V）。
30 20 10
0 -10 -20
30 20 10
0 -10 -20 -30
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
9
带 抽 头 变 压 器 逆 变 电 路 仿 真
150 100
50 0
-50 -100 -150
30 20 10
0 -10 -20
30 20 10
6
全桥逆变电路
其特点是有四个桥臂， 相当于两个半桥电路的组 合，其中桥臂1和4作为一 对，桥臂2和3作为一对， 成对的两个桥臂同时导通， 两对交替各导通180，其 输出矩形波的幅值是半桥 电路的两倍。全桥电路在 带阻感负载时还可以采用 移相调压的方式输出脉冲 宽度可调的矩形波。
7
带中心抽头变压器
344
4.44 50 1.2 25.5 0.9
35
一次、二次导线截面选择
q1

I1 j1
q2

I2 j2
其中 j1 j2 为一次、二次绕组的电流密度，与绝缘等
级及变压器的容量有关，本设计中选择绝缘为A级
绝缘自冷 j1 j2 3A/mm 2
考虑趋肤效应穿透公式为
q1

I1 j1
18
Boost-boost Uo（first boost） 60
50
40
30
20
10
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Uo（second boost） 350
300
250
200
150
100
50
0
-50
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
19
缺点
图中电路结构主要由大电感、MOS 管、二极 管以及电容组成，其中大电感不仅有蓄能的作用 而且使电路中的电流一直工作在连续的状态下， MOS 管的开通需要驱动信号，结构中只有一个管 子，相对来说驱动电路的设计很简单。但是为了 达到升压变换器输出的电压比较高，则要求输入 的能量比较高，那么要求电感比较大；大的电感 会造成结构笨重，成本高，系统工作不稳定，并 且电路中没有实现前后高低压的隔离。
26
五、主电路设计
斩波
DC
AC 斩波
AC 整流
DC 逆变
AC
12V
10V
280V
240V
220V
27
主电路设计
PWM OUTPUT
15
10
பைடு நூலகம்
5
0
-5
-10
-15
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
28
主电路设计
29
主电路设计
Uo
250
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
-250
主要特点是交替驱 动两个IGBT，通过变压 器耦合给负载加上矩形 波电压。两个二极管的 作用也是给负载电感中 储存的无功能量提供反 馈通道，该电路比全桥 电路少了一半开关器件， 并且由变压器进行前后 隔离，增加了电能变换 可靠性。
8
全 桥 逆 变 电 路 仿 真
150 100
50 0
-50 -100 -150
39
LC滤波器计算与选型
在逆变电源的输出端加入低通滤波器可以滤掉其中的高频分量，LC型滤 波器具有低通滤波特性，而且滤波器的元件又少，是最简单的一种形式，应 用也最广泛。本电源输出滤波器也采用此结构。输出滤波器中L和C参数与 SPWM的频率紧相关。频率越高，就可以减小滤波器的体积，但同时也会增 加开关损耗，从而影响逆变器的输出效率。所以应根据系统的截至频率fc以 及负载RL来设计滤波器。 逆变电源输出参数为:输出功率P=1320W，输出电 压U =220V，频率为5OHz。逆变器输出的脉冲群中主要是50Hz的正弦波，另 外还含有奇此谐波分量，以及两倍开关频率的高频分量。
10
boost
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Uo(L=1mH C=470uF) dream
70
60
50
40
30
20
10
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
17
Boost-boost 斩波 DC
DC 斩波
DC 逆变
AC
12V
48V
240V
220V
N2

U2 104 4.44 fBSKd
其中为变压器二次侧的电压，f为工频50Hz，
B为磁通密度与硅钢片型号及变压器的容量有关，
本设计中选用硅钢片D310，B=1.2T,S为变压器铁
芯截面，Kd 为一种系数，一般取0.9。
N1

U1 U2
N2

8 210
344
14
N2
210 10 4
14 55 344 2.1 10 2 0.25
60cm2
其中KQ为窗口的填充系数
窗高： hc 2.5a 2.5 4 10cm
窗宽： c SQ / hc 60 /10 6cm
通过上述的计算可得变压器选择为型铁芯变压器，其二次侧功率 为1952W，铁芯截面29.5，窗口宽度64mm,满足上述计算要求。
12V
10V
220V
（2） DC 斩波 DC 逆变 AC
12V
240V
220V
斩波
（3） DC
DC 斩波
DC 逆变
AC
12V
48V
240V
220V
斩波
（4） DC 12V
AC 斩波
48V
AC 整流
300V
DC 逆变
240V
AC
220V 4
一.逆变电路
1.逆变电路原理及相关概念： 把直流电变为交流电的过程称为逆变。 （1）根据交流侧是否与交流电网相连可将逆变电路分为有源逆变和无源 逆变。 （2）根据直流侧是恒流源还是恒压源又将逆变电路分为电压型逆变电路 和电流型逆变电路 （3）根据输出电压电流的相数又将逆变电路分为单相逆变电路和三相逆 变电路，
12V
240V
220V
斩波
DC
DC 斩波
DC 逆变
AC
12V
48V
240V
220V
√ 斩波
DC
AC 斩波
AC 整流
DC 逆变
AC
12V
10V
280V
240V
220V
25
主电路原理图
从上图中可以看出主电路图可以认为是由3部分组成 ，即DCAC-AC-DC、DC-AC和LC滤波器，从LC滤波器的电容上输出电压。
37
整流二极管及滤波电容的计算与 选型
通过每只二极管的平均电流通过每只二极管的平均电流：
11
I BD

2
I2

6.3 2

3.15A
每只二极管承受的最大反向电压：
U RM 2U2 1.414 210 297 V
考虑到有2倍的安全裕量，故选用二极管型号为2CZ14F（10A/600V） 选择滤波电容，这里滤波电容的主要作用是去除纹波，输出理想的直流。 根据经验，取1000µF/500V的电解电容一只。
0 -10 -20 -30
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
10
DC 逆变 AC 升压 AC
12V
10V
220V
11
DC 逆变 AC 升压 AC
12V
10V
220V
15 10
5 0 -5 -10 -15
0
two ploes SPWM tiaozhi output

165 3
55mm 2
q2

I2 j2

6.3 3
2.1mm 2
66.1 66.1 9.34mm
f 50
经过计算上面计算得到导线的截面的半径都小于这个穿透深度，故按照这种 计算方法不用考虑趋肤效应影响。
36
铁芯窗口大小的确定
铁芯窗口面积
SQ

N1q1 N1q2 kQ
10 2
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
12
DC 逆变 AC 升压 AC
12V
10V
220V
200 100
0 -100 -200
6 4 2 0 -2 -4 -6
0
Uo
Io
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
13
缺点
当电路工作时，如果上下两个全控型器 件的开通时间与加在功率器件上的通态压降 不相同时，流过变压器原边的电流会产生一 个数值较小的直流电压，即是直流偏磁 。这 个很小的直流偏磁随着变换器的长时间工作， 不断的积累变大，引起大的磁化电流，大的 磁化电流流过变压器使其磁芯单方向饱和， 这样既损坏电路中的元件又增大了功率的损 耗。