車載逆變電源文獻(xiàn)綜述

1、文獻(xiàn)綜述 題 目 12V/220V車載逆變電源 學(xué)生姓名 閆海停 專業(yè)班級(jí) 電子信息工程07-2 學(xué) 號(hào) 8 院 （系） 電氣與信息工程學(xué)院 指導(dǎo)教師 杜海明 完成時(shí)間 2011年 4月 20日 文獻(xiàn)綜述車載逆變電源及其發(fā)展車載電源又叫電源逆變器，是一種能夠?qū)C12V直流電轉(zhuǎn)換為和市電相同的AC220V交流電，供一般電器使用，是一種方便的電源轉(zhuǎn)換器，由于常用于汽車而得名。車載電源一般使用汽車電瓶或者點(diǎn)煙器供電，先將這樣的低壓直流電轉(zhuǎn)換為320V左右的直流電；然后是真正的轉(zhuǎn)變階段，它將高壓的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?20V、50Hz的交流電。有了車載電源，您就可以把家里所有的小家電搬到車上使用，如手機(jī)、筆

2、記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、車用冰箱、攝像機(jī)、DVD等，從而使人在車?yán)镉幸环N置身家中的感覺。自它面世以后，那些在車?yán)锸褂秒娖鞯闹T多局限將不復(fù)存在，可以使人真正享受“與家同行，與世界相通”的感覺。 一切電子設(shè)備都離不開電源提供能量，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來(lái)越多，對(duì)電源的要求更加靈活多樣。逆變是對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的一種基本形式?，F(xiàn)代逆變技術(shù)是綜合了現(xiàn)代電力電子開關(guān)器件的應(yīng)用、現(xiàn)代功率變換、 PWM技術(shù)、頻率及相位調(diào)制技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)和控制技術(shù)等的一門實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)。經(jīng)過(guò)20多年的不斷發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)有了重大的突破和進(jìn)步。新型功率器件的開發(fā)促進(jìn)了開關(guān)電源的高

3、頻化，功率MOSFET和IGBT可使中小型開關(guān)電源工作頻率達(dá)到400KHZ，軟開關(guān)技術(shù)使高頻開關(guān)電源的實(shí)現(xiàn)有了可能，它不僅可以減少電源的體積和重量，而且提高了電源的效率；控制技術(shù)的發(fā)展以及專用控制芯片的生產(chǎn)，不僅使電源電路大幅度簡(jiǎn)化，而且使開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)性能和可靠性大大提高1。開關(guān)電源的高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)，高頻化帶來(lái)的效益是使開關(guān)電源裝置空前的小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域，特別是在高新領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)到了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化，另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約資源與保護(hù)環(huán)境方面都具有深遠(yuǎn)的意義3。21世紀(jì)開關(guān)電源的發(fā)展技術(shù)追求和發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下四個(gè)方面：小型化、輕

4、量化、高頻化；高可靠性；低噪聲；采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制4。正弦波逆變電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過(guò)控制開關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。它的功耗小，效率高，正弦波逆變電源直接對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流、濾波、調(diào)整，然后由開關(guān)調(diào)整管進(jìn)行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器，此外，開關(guān)工作頻率為幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小。因此正弦波逆變電源具有重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。另外，于功耗小，機(jī)內(nèi)溫升低，提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。而且其對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)能力也有較大的提高，一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動(dòng)范圍為220V10%,而正弦波逆變電源在電網(wǎng)電壓在110260V范圍變化時(shí),都可獲得穩(wěn)定的輸出阻抗電壓。正弦波逆變電源的高頻化

5、是電源技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù),高頻化帶來(lái)的效益是使正弦波逆變電源裝置空前的小型化,并使正弦波逆變電源進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域,特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用,扒動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外正弦波逆變電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有深遠(yuǎn)的意義?？傊?，人們?cè)谡也孀冸娫醇夹g(shù)領(lǐng)域里，邊研究低損耗回路技術(shù)，邊開發(fā)新型元器件，兩者相互促進(jìn)并推動(dòng)著正弦波逆變電源以每年過(guò)兩位數(shù)的市場(chǎng)增長(zhǎng)率向小型、薄型、高頻、低噪聲以及高可靠性方向發(fā)展。設(shè)計(jì)方案的選取目前的開關(guān)電源按其輸出的波形可分為三種，一是純方波波形方波逆變器的制作采用簡(jiǎn)易的多諧振蕩器方波逆變是一種低成本，極為簡(jiǎn)單的變換方式，它適用于各種整流負(fù)

6、載，但是對(duì)于變壓器的負(fù)載的適應(yīng)不是很好，有較大的噪聲，而且電源效率一般比較低，且不能帶感性負(fù)載。二是純正弦波，正弦波逆變器輸出的是同我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娋W(wǎng)一樣甚至更好的正弦波交流電，因?yàn)樗淮嬖陔娋W(wǎng)中的電磁污染，能夠帶動(dòng)任何種類的負(fù)載，但是技術(shù)要求和成本均高。三是準(zhǔn)正弦波輸出，這是一種較接近正弦波的輸出波形，可以滿足我們大部分的用電需求，除了轉(zhuǎn)換效率高之外，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本也低，性能穩(wěn)定、適用于各種整流負(fù)載，并且控制簡(jiǎn)單、可靠性較高.本文即輸出準(zhǔn)正弦波。而實(shí)現(xiàn)輸出波形為準(zhǔn)正弦波的方法其關(guān)鍵在于如何產(chǎn)生調(diào)寬脈沖，從廣義上來(lái)分可以有兩種方法，一是使用單片機(jī)編程即軟硬件相結(jié)合的方法，而是采用硬件調(diào)制法，即

7、完全由硬件電路來(lái)完成。如果使用單片機(jī)來(lái)編程實(shí)現(xiàn)的話，必須實(shí)時(shí)地計(jì)算調(diào)制波(正弦波)和載波(三角波)的所有交點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，有序地向逆變橋中各逆變器件發(fā)出“通”和“斷”的動(dòng)作指令。而且調(diào)節(jié)頻率時(shí)，一方面，調(diào)制波與載波的周期要同時(shí)改變(改變的規(guī)律本文不作介紹)；另一方面，調(diào)制波的振幅要隨頻率而變，而載波的振幅則不變，所以，每次調(diào)節(jié)后，所有交點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)都必須重新計(jì)算。要滿足上述要求，只有在計(jì)算機(jī)技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步的20世紀(jì)80年代才有可能，同時(shí)，又由于大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，迄今，已經(jīng)有能夠產(chǎn)生滿足要求的SPWM波形的專用集成電路了。因而在綜合比較各種方法之后，本文最終采取硬件調(diào)制法。

8、直流電壓直流/直流濾波輸出控制電路驅(qū)動(dòng)電路交流電壓直流/交流圖1 車載準(zhǔn)正弦脈寬調(diào)制逆變電路框圖具體方案的實(shí)現(xiàn)所謂的SPWM 波形就是與正弦波形等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形如圖1 所示，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如圖把一個(gè)正弦波分作幾等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合，這樣由幾個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波等效，稱作SPWM 波形。同樣，正弦波的負(fù)半周也用同樣的方法與一系列負(fù)脈沖波等效。 圖2 單極性PWM控制方式波形硬件調(diào)制法是為編程法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提

9、出的，其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來(lái)確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波。脈寬調(diào)制信號(hào)由專用集成芯片SG3525A產(chǎn)生。SG3525A芯片不僅能產(chǎn)生頻率靈活可變的方波，而且可輸出正弦PWM（SPWM）信號(hào)，以提高后接變壓器的工作頻率。為了使SG3525A產(chǎn)生一個(gè)SPWM信號(hào)，可在芯片的9腳處加入一個(gè)幅度可變的50Hz正弦波（我們這里僅

10、需得到頻率固定的50Hz可變電源，若需獲得頻率也可變的交變電源，則只需在9腳處加入一個(gè)幅值與頻率均可變的正弦波即可），與5腳處的鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較，從而獲得SPWM控制信號(hào)，改變正弦波的幅值，即改變調(diào)制度M（調(diào)制度定義為正弦波調(diào)制波峰Urm與鋸齒波載波峰值Utm之比，即M=Urm/Utm）就可以改變輸出電壓的幅值，正常M1。5腳處的鋸齒波的頂點(diǎn)UH約為3.3V，谷點(diǎn)UL約為0.9V。因而電路中的正弦波也應(yīng)當(dāng)先將其幅值調(diào)至1V至3.3V之間。圖3 SG3525A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖除了脈沖調(diào)寬波的產(chǎn)生，驅(qū)動(dòng)電路也是本次設(shè)計(jì)中重要的一部分。因?yàn)橛脕?lái)直流-交流變換的全橋電路一般由大功率的場(chǎng)效應(yīng)管或者絕緣柵雙極

11、性管構(gòu)成，而由控制部分產(chǎn)生的調(diào)寬脈沖一般不能直接控制全橋電路，需要有一個(gè)電平的轉(zhuǎn)換及電流驅(qū)動(dòng)，因而必須通過(guò)一定的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)完成。對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路而言，功率管的柵極即為負(fù)載，一般的功率管柵源之間有一個(gè)寄生電容，故驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載是一個(gè)容性負(fù)載，若驅(qū)動(dòng)電流不夠，或提高頻率，方波會(huì)產(chǎn)生畸變，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)目的。因此功率電子的驅(qū)動(dòng)是整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。IR2110是IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET和IGBT專用驅(qū)動(dòng)集成電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還具有快速完整的保護(hù)功能，因而它可以提高控制系統(tǒng)的可靠性，減少電路的復(fù)雜程度。IR2110是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關(guān)器件柵極

12、驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)，IR2110具有很多優(yōu)點(diǎn)：自舉懸浮驅(qū)動(dòng)電源可同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一橋臂的上、下兩個(gè)開關(guān)器件，可驅(qū)動(dòng)500V主電路系統(tǒng)，工作頻率高，可以達(dá)到500kHz；具有電源欠壓保護(hù)相關(guān)斷邏輯；輸出用圖騰柱結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)峰值電流為2A；兩通道設(shè)有低壓延時(shí)封鎖(50 ns)。芯片還有一個(gè)封鎖兩路輸出的保護(hù)端SD，在SD輸入高電平時(shí)，兩路輸出均被封鎖。因而IR2110與相應(yīng)外圍電路相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)電路的保護(hù)功能。IR2110的優(yōu)點(diǎn)，給實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大方便，特別是自舉懸浮驅(qū)動(dòng)電源大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)，只用一路電源即可完成上下橋臂兩個(gè)功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)?？偨Y(jié)本設(shè)計(jì)采用純硬件調(diào)制的的方法，極大地避免了使用單片機(jī)而

13、需要的大量計(jì)算以及編程的麻煩，充分運(yùn)用集成脈沖調(diào)寬芯片使電路大大簡(jiǎn)化，而且使電路的調(diào)試更加簡(jiǎn)單。然后根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)從系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)框圖入手，再根據(jù)各模塊的功能進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)和主要器件的選擇，設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1 楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程M.第2版北京：高等教育出版社，1998,101-162 李榮正，劉啟中，陳學(xué)軍.PIC單片機(jī)原理及應(yīng)用（第2版）M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005，103 張華林，周小方.電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽實(shí)訓(xùn)教程M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，-414 李金伴，李捷輝，李捷明.開關(guān)電源技術(shù)M

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