逆變電源主電路設(shè)計電

1、目 錄1. 主電路的拓撲結(jié)構(gòu)選擇 1.1 前言 1.2 確定主電路的拓撲結(jié)構(gòu)選擇2. 主電路部分設(shè)計 2.1 整流電路設(shè)計部分 2.1.1 整流二極管的選擇 2.1.2 整流二極管的保護設(shè)計 2.2 濾波電容Cd的選取 2.3 斬波電路設(shè)計 2.3.1 斬波參數(shù)的選擇 2.4 逆變電路部分設(shè)計 2.4.1 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的選擇 2.4.2 IGBT的保護設(shè)計3. 高頻變壓器設(shè)計部分 3.1 高頻變壓器主要參數(shù) 3.2 變壓器磁芯的選擇 3.3 高頻變壓器一次側(cè)、二次側(cè)繞組匝數(shù)計算 3.4 計算繞組導(dǎo)線線徑及估算銅窗占有率4.心得體會5.參考文獻附錄1：主電路電氣原理總圖附錄2：

2、主要元器件型號規(guī)格1.主電路的拓撲結(jié)構(gòu)選擇1.1 前言逆變電源因體積小、重量輕、節(jié)材、節(jié)能、轉(zhuǎn)換效果高等特點，現(xiàn)已得到了廣泛應(yīng)用。目前逆變電路的拓撲結(jié)構(gòu)主要有單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式、全橋式等多種類型。根據(jù)需求可采用不同拓撲形式的逆變電路滿足其需求。目前IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是逆變電源中常用的功率器件，已逐步取代原晶閘管、晶體管、場效應(yīng)管（MOSFET）。由于橋式逆變電源在選擇功率開關(guān)器件耐壓要求可以稍低，并有較高的功率輸出，現(xiàn)通常采用全橋式逆變電路來實現(xiàn)較大功率輸出。課程設(shè)計所要求做的是2kw的逆變電源主電路設(shè)計（要求：電網(wǎng)電壓380v，允許變化10%,要求輸出110v

3、，20KHz交流電壓向負載供電）。1.2確定主電路拓撲結(jié)構(gòu) 根據(jù)負載諧振形式的不同，可以將電源逆變器分為串聯(lián)諧振式逆變器和并聯(lián)諧振式逆變器兩種逆變結(jié)構(gòu)。圖2-1和圖2-2分別給出了兩種逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)。 圖1-1串聯(lián)諧振逆變器結(jié)構(gòu) 圖1-2并聯(lián)諧振逆變器結(jié)構(gòu)1.1.2 逆變電源拓撲結(jié)構(gòu)的選擇 串聯(lián)諧振式逆變器的輸入端并接有大電容，逆變器將直流電壓變換為交流電壓，因此也稱為電壓源型逆變器；電流型逆變器的輸入端串接有大電感，形成平穩(wěn)的直流電流，逆變器將輸入的直流電流變換為交流電流輸出，因此也稱為電流型逆變器。從電路原理的角度來看，兩種電路是完全對偶的。這種對偶性主要表現(xiàn)在以下幾個方面，如表1-1所

4、示。 表1-1兩種逆變器的比較 綜合比較串聯(lián)諧振逆變器和并聯(lián)諧振逆變器的優(yōu)缺點，從適合高頻小功率應(yīng)用的角度，本設(shè)計選用串聯(lián)諧振逆變器電路拓撲。1.2串聯(lián)諧振式逆變電源穩(wěn)壓調(diào)節(jié)方式因為電網(wǎng)電壓波動10%，所以要通過穩(wěn)壓調(diào)節(jié)穩(wěn)定高頻變壓器原流I10，從而穩(wěn)定高頻變壓器輸出電壓使負載正常工作。串聯(lián)諧振式逆變電源的調(diào)壓主要方法是直流側(cè)調(diào)壓。1.2.1直流則調(diào)壓方式直流調(diào)壓通常采用相控整流或直流斬波來改變逆變器的輸入直流電壓的大小。（1）相控整流調(diào)壓由六只晶閘管組成三相全橋可控整流電路如圖1-3所示。 圖1-3相控整流電路三相全橋可控整流電路是通過控制由6只晶閘管實現(xiàn)的全控整流橋的開通和關(guān)斷來調(diào)節(jié)直流輸

5、出電壓，采用晶閘管整流電路雖原理易懂，并且可以通過調(diào)節(jié)控制角，從而穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的波動。但是結(jié)合信號控制部分來說，相對而言，通過斬波電路的信號控制來調(diào)節(jié)電壓波動更為容易實現(xiàn)。（2） 直流斬波調(diào)壓 逆變電源中的直流斬波調(diào)功方式的調(diào)功原理如圖1-4所示： 圖1-4斬波調(diào)功方式原理框圖前端是由六只二極管組成的三相不可控整流器，輸出的直流電壓Ud，經(jīng)過電容Cl濾波后送入由開關(guān)管T、續(xù)流二極管D、濾波電感L1組成的斬波器，調(diào)節(jié)T的占空比，逆變器得到的電壓就在0Ud之間任意的電壓值。本設(shè)計選用不控整流加PWM軟斬波器的調(diào)壓方式。1.3 2kW逆變電源主電路的設(shè)計 圖1-5 2kW逆變電源主電路圖 采用二極管

6、整流，得到脈動的直流電；再用電解電容進行濾波，輸出穩(wěn)定的電壓；考慮電網(wǎng)電壓波動，通過檢測高頻變壓器原邊線圈電流I10并與額定值相比較，調(diào)節(jié)PWM信號從而通過斬波電路穩(wěn)定高頻變壓器原邊線圈電流；用IGBT器件逆變，并用SPWM控制方式對逆變開關(guān)器件進行控制。從而使輸出端得到一系列幅值相等而脈沖寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或者需要的波形。按照一定的規(guī)則對個脈沖的寬度進行調(diào)制，即可以改變逆變電路輸出的電壓的頻率。此電路特點：（1）可以得到相當接近正弦波的輸出電壓； （2）整流電路采用二極管，可以獲得接近1的功功率因數(shù)； （3）通過對輸出脈沖寬度的控制就可改變輸出電壓，大大加快了變頻器的動

7、態(tài)響應(yīng)。2. 主要功率器件的計算和選擇2.1整流部分 三相 380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。 假定沒有電壓變化，其輸入電壓為 U=380V,則通過三相橋式不可控整流輸出電壓直流平均值： U0=1.35U=513V 整流濾波后電壓為： U1= 380V=537V 考慮電網(wǎng)電壓波動(10%波動)則整流濾波最高電壓為： U1max=110% U1=110%537V=590V 整流濾波最低電壓為： U1min=90% U1=483 V 電源輸出功率為Pd=2kW,考慮設(shè)整流器、斬波器、逆變器的效率的都為%98，以及高頻變壓器的效率都為90，并假設(shè)電源的功率因數(shù)為0.95，設(shè)計最大整流輸出

8、功率為： PdM=IdmU1min 則最大整流輸出電流 : Idm= =4.5A2.1.1 整流二極管模塊的選擇 （1）二極管的平均通態(tài)電流為1/3Idm(1/3應(yīng)是三相整流中，每組二極管通過電流的總電流的1/3)，則二極管電流有效值 ID=。 ID=2.6A 二極管電流定額： IDN=2=2=3.3A (考慮2倍安全余量) 二極管電壓定額： UNRM=21.1537=1082V 選擇額定電流為4A ，額定電壓為1200V的快速恢復(fù)整流二極管 型號：MUR4120。2.1.2 整流二極管的保護設(shè)計（1）過壓保護正常工作時，二極管能承受的最大峰值UM有一定的限度。超過此峰值電壓的就算過電壓。在這

9、個流裝置中，任何偶然出現(xiàn)的過電壓均不應(yīng)該超過元件的不重復(fù)峰值電壓UDSM ，而任何周期性出現(xiàn)的過電壓則應(yīng)小于元件的重復(fù)峰值電壓URSM。這兩種電壓都是經(jīng)常發(fā)生和不可避免的。因此，在變流電路中，必須采用各種有效保護措施，以抑制各種暫態(tài)過電壓，保護二極管元件不收損壞。抑制暫態(tài)過電壓的方法一般有3種：用電阻消耗過電壓的能量；用非線性元件限制過電壓的幅值；用儲能元件吸收過電壓的能量。若以過電壓保護裝設(shè)的部位來分，有交流側(cè)保護，直流側(cè)保護和元件保護3種。（以下計算均為經(jīng)驗公式) 交流側(cè)和直流側(cè)過電壓保護采用壓敏電阻；二極管采用RC電路保護。壓敏電阻的參數(shù)和RC電路值計算與選用方法如下。常用于中小功率整流

10、器過電壓保護時可選用35kA；用于防雷保護時可選用520kA。交流側(cè)過電壓保護計算： 式中 U壓敏電阻兩段正常工作電壓的有效值。U1mA上限的確定應(yīng)是在吸收過電壓時，其殘壓低于被保護的整流二極管所允許的電壓值。側(cè)交流側(cè)壓敏電阻U1的選擇考慮電網(wǎng)電壓波動(10%波動)則： 因為通常用于中小功率整流器操作過電壓保護時，可選擇35kA，故壓敏電阻RV1RV3選擇VJY型額定電壓為1000V，5kA。二極管的過電壓保護： 整流二極管的過電壓保護，通常是在二極管元件兩端并聯(lián)RC電路，如圖所示。整流二極管過電壓保護電路RC的選擇：電容 電容耐壓 ，電阻R一般取R=1030,對于整流管取下限值。其功率滿足：

11、 二極管額定電流（A）整流輸出額定電壓(V)二極管兩端電壓峰值。 10205010020050010000.10.150.20.250.5121008040201052表2-1 二極管RC保護電路參數(shù)經(jīng)驗值 整流二極管的過電壓保護，通常是在二極管元件兩端并聯(lián)RC電路，如圖21所示。 圖21 RC保護 則保護電路參數(shù)計算： C=(2.55)0.010.02，取0.02； ，取1500V； R=10，取2W。 直流側(cè)過電壓保護 在直流情況下： （1.82.2）Ud0V式中 Ud0整流濾波后的直流輸出電壓。則，U1MA(1.82.2)537V=（9671181）V，所以壓敏電阻RV4取1200v，5

12、kA。（2）過電流保護快速熔斷器選用原則： 額定電壓：額定電壓不小于正常工作電壓的方均根值。額定電流：額定電流應(yīng)按它保護的元件實際流過的電流（方均根值）來選擇，一般可用下列各式計算。交流側(cè)過電流保護采用快速熔斷器 額定電壓：額定電壓不小于正常工作電壓的方均根值。 額定電流：額定電流應(yīng)按它保護的元件實際流過的電流（方均根值）來選擇，一般可用下列各式計算。 交流側(cè)： 熔體額定電流 最大整流電流 三相橋式取0.816 所以： 故交流側(cè)快速熔斷器F0F3選擇RS3額定電壓750V,考慮熔體額定電流應(yīng)選4A的快速 熔器。為限制短路電流上升率和瞬時短路電流峰值，在交流輸入端串三只進線電抗（L1L3）,數(shù)值

13、180，進線電抗還能阻隔中頻諧波影響交流電網(wǎng)。二極管的過電流保護： ， 故交流側(cè)快速熔斷器FU1FU6選擇RS3額定電壓750V,熔體額定電流4A的快速熔斷器。直流側(cè)過電流保護采用快速熔斷器 =4.4A，故直流側(cè)快速熔斷器FU7FU8選擇RS3額定電壓750V,熔體額定電流10A的快速熔斷器。2.1.2濾波電容Cd選擇（1）電解電容Cd的作用： 三相全波整流輸出的直流脈動頻率300Hz，為了供給逆變平滑的直流電壓，必須輸入整流電路和逆變器之間加入濾波電容，以減小整流輸出后直流電的交流成分。濾波電容一用電解電容器。電解電容Cd往往只被人們誤解城市濾波電容。實際上，電解電容Cd除了濾波意外更重要的

14、的作用是吸收負載電感的反饋能量，起無功功率存儲交換的作用。電容不僅增加了變器的效率，而且保證了逆變器的可靠運行。（2）濾波電容Cd的計算 如果把6次諧波脈動電壓Ud(6)限制在的范圍內(nèi)則： （式中 Id(6) 6次脈動電流有效值，市電網(wǎng)頻率，當f =50Hz時，=314rad/s) 確定電解電容時，應(yīng)首先考慮電網(wǎng)波動10%，當輸出整流輸出電壓為最低值為90%U0= ；且要保證輸出功率則 Id(6)； 這里； 電容兩端電壓 考慮較大的電解電容可以得到更平緩的輸入電壓并綜合考慮成本實際選用兩只標稱為3300F/600V直流的電解電容串聯(lián)使用。2.3 斬波電路設(shè)計2.3.1斬波參數(shù)的選擇（1） 開關(guān)

15、管的選擇： 斬波器的頻率fr選定為20kHz，整流橋的輸出電流即斬波器的最大輸入電流IdM=4.5A，輸入電壓為U1=537V，斬波器承受的最大電壓與整流橋一致，為537V， 輸入電網(wǎng)電壓380V整流濾波后，直流輸出最大值Ud=U1.1，其中，U為 380V電網(wǎng)電壓有效值；1.1為電壓波動系數(shù)；為1.1裕量(或安全)系數(shù)。則， Ud=3801.11.1=650V。 該值為IGBT所承受的穩(wěn)態(tài)最大電壓值。但在實際工作中，IGBT所承受的最大峰值電壓往往在關(guān)斷時，其關(guān)斷峰值電壓Uceps=(Ud1.15+150)。其中，Ud為直流輸出電壓大值；1.15為過電壓系數(shù)；150為感抗電流上升率di/dt

16、引起的尖峰電壓(V)；為1.1裕量(或安全)系數(shù)。 則Uceps=(Ud1.15+150)=(6501.15+150)1.1=987.25 V，考慮IGBT電壓格則選1200V為實際電壓值。 流過斬波器的最大電流為I=（1.52）4.5=（6.759）A ，所以選擇10A ，1200V IGBT選取FUJI公司的IGBT，型號1MBH05D_120，故即使在該開關(guān)管發(fā)熱情況較嚴重的情況下仍可保證其通流能力在可靠范圍內(nèi)。（2）開關(guān)管反并聯(lián)二極管Ds的選擇： 開關(guān)管反并聯(lián)二極管Ds其電流值為IdM=4.5A，其參數(shù)與第四章中的整流二極管參數(shù)基本一致，所以考慮安全余量選擇額定電流10A ，額定電壓1

17、200V的快速恢復(fù)二極管，型號：MUR10120 （3）續(xù)流二極管Df 的選擇：續(xù)流二極管Df 的參數(shù)也與第四章中的整流二極管參數(shù)基本一致，所以考慮安全余量選擇額定電流10A ，額定電壓1200V的快速恢復(fù)二極管，型號：MUR10120 （4）軟開關(guān)諧振電感和諧振電容的選擇： Lr和Cr的設(shè)計取決于它的諧振頻率fr和最大輸出電流Iomax。可以按照以下式子進行確定。 式中： Kc=0.8。 取Lr=160,=0.08，電容耐壓值1500。2.4 逆變電路部分設(shè)計2.4.1絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的選擇(1)確定電壓額定值Ucesp Ud=380=650V式中，為波動系數(shù)，值取1.1。關(guān)斷

18、時的峰值電壓 表22 IGBT電壓選擇 則Ucesp =（6501.15+150）=987.25V式中1.15為過電壓保護系數(shù)；為安全系數(shù)，一般取1.1；150為電感引起的尖峰電壓?？紤]表41 IGBT的電壓規(guī)格，本設(shè)計中選用的IGBT額定電壓為1200V(2)IGBT模塊額定電流確定： 主變壓器一次側(cè)電流：I1.=，其中，NP高頻為變壓器原邊繞組的匝數(shù)；Ns為高頻變壓器副邊繞組的匝數(shù)；U10為變壓器一次側(cè)電壓，因為經(jīng)整流逆變后輸出電壓為方波電壓，其有效值不變所以U10=U1=537V;U20為變壓器二次側(cè)電壓，由設(shè)計基本條件得出U20=110V； I2為變壓器二次側(cè)電流,I20=。 則，。I

19、GBT模塊每只管上的平均電流額定值(全橋式整流)I=0.5I10=0.53.7=1.86A，如選用 IGBT模塊給定電流額定值是在結(jié)溫TC=25條件下，則模塊電流值ICS應(yīng)按下列條件給予確定。 ICS=I1.51.4=1.4141.861.51.4=5.5A，式中：為峰值系數(shù)；I為IGBT管上平均電流；1.5為單位時間(1min)過載容量系數(shù)； 1.4為IGBT的IC減小系數(shù)。根據(jù)Ucesp=987V， ICS=5.5，考慮充足的安全余量選擇型號為FUJI公司的IGBT，型號1MBH05D_120。 通過上述兩種對IGBT模塊選擇和理論計算，IGBT模塊選基本吻合的，這說明實際工作中所選用的I

20、GBT是可行的。2.4.2 IGBT 的保護設(shè)計（1）過電壓保護功率主回路的吸收電路如圖6所示,是用來吸收IGBT關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管反向恢復(fù)浪涌電壓。在某些應(yīng)用中，吸收電壓還可以減少IGBT的開關(guān)損耗。通常有典型的4種吸收電路，選擇時則考慮功率電路的大小來選擇相應(yīng)吸收電路。IGBT的過壓保護如圖22所示圖22 IGBT過壓保護電路 電容C的選?。?根據(jù) C=； 其中 IC-IGBT最大集電極電流（A） tfv-IGBT最大集電極電壓上升時間（s）, tfi-IGBT最大集電極電流下降時間（s）, UCE-IGBT最大集電極與發(fā)射極電壓（V）； 一般電容不要選擇過大，以0.1F0.2F為宜

21、，否則電阻發(fā)熱嚴重。（取C=0.2F）電阻的選擇： R= 其中ton-IGBT最小導(dǎo)通時間； C-吸收緩沖電路中電容值。在逆變頻率為20kHz則 D(占空比)=tonf ton=5 s電源最小占空比為0.1，由R=確定阻值大小。所以，R=8.3，取10。二極管D的選擇： 快恢復(fù)二極管（FRD）：有0.8-1.1V的正向?qū)▔航担?5-85ns的反向恢復(fù)時間，在導(dǎo)通和截止之間迅速轉(zhuǎn)換，提高了器件的使用頻率并改善了波形。 整流輸出的最大電流為I=（1.52）4.4=（6.759）A ，所以選擇10A，1200V故即使在該開關(guān)管發(fā)熱情況較嚴重的情況下仍可保證其通流能力在可靠范圍內(nèi)。所以器件選取型號：

22、MUR10120。（2） 過電流保護過電流保護的熔斷器的額定電流，取值取IGBT額定電流的1.52倍裕量，即： IRN=5.5（1.52）=8.25A11A， URN=1000V。 所以FU9FU12選擇RS3型額定電壓1000V,熔體額定電流10A的快速熔斷器。3高頻變壓器的設(shè)計3.1 高頻變壓器主要參數(shù) 高頻變壓器輸出功率PT=Pd=2000W; 原邊繞組電壓幅值U1=537V； 次級輸出電壓U20=I10V： 開關(guān)頻率=20kHz； 額定輸出電流I20=18.2A； 變壓器效率3.2變壓器磁芯的選擇 適用于高頻的磁芯材料有鐵氧體磁芯，鐵粉磁芯以及非晶合金。設(shè)計時，要查找三類磁芯的基本特性

23、以選擇合適的磁芯材料，在一般情況下都可選用鐵氧體材料滿足設(shè)計要求。然后在根據(jù)廠家提供的磁芯材料手冊(一般可在磁芯廠家網(wǎng)站獲得)選取具體的磁芯材料編號并獲得其具體特性參數(shù)。磁芯規(guī)格的選取通?？上裙浪阕儔浩鞯男?，然后由輸出功率和估算效率計算出變壓器的輸人功率，再根據(jù)生產(chǎn)廠家給出的磁芯規(guī)格和傳送功率的關(guān)系數(shù)據(jù)來選擇。如果手頭缺少上述資料，可利用常用Ap法進行估算選取。 （3.1）式中： Ae為磁芯截面積(cm2）； AQ為磁芯窗口面積（cm2）； PT為變壓器的標稱輸出功率（W）； Bm是磁芯工作的磁感應(yīng)強度（G）； 是線圈導(dǎo)線的電流密度，通常取=23(A/mm2)； Km是窗口填充系數(shù)，一般取0

24、.20.4； 為開關(guān)頻率； KC是磁芯的填充系數(shù)，對于鐵氧體KC=1.0。 要選取磁芯的AeAW接近且大于式(1)中的AP值。 取=2A/mm2 并將； Km=04： KC=1.0；=2Ox103(Hz)：為了多留些余地，可在減小主功率變壓器的最大磁通密度Bm=1000GS，等參數(shù)一起代人式(3.1)，得 擬選擇EE型磁芯，其外形如圖31所示。 圖31 EE型磁芯外形圖其中Ae和Aw可按下面的式子進行估算。 根據(jù)圖31中提供的磁芯尺寸，我們選擇EE110/110，其磁芯尺寸參數(shù)如表31所示 表31 EE型磁芯尺寸 則，cm2，因此EE118/170磁芯的功率容量為： 而2000W、20kHz的

25、開關(guān)電源的設(shè)計功率容量為： AP=69.4可見它明顯小于功率容量乘積值175.7，符合要求。3.3高頻變壓器一次側(cè)、二次側(cè)繞組匝數(shù)計算 計算高頻變壓器原邊繞組的匝數(shù)值： 取原邊匝數(shù)50砸。計算高頻變壓器副邊繞組的匝數(shù)值： 取整數(shù)時副邊匝數(shù)為10砸。3.4計算繞組導(dǎo)線線徑及估算銅窗占有率副邊繞組導(dǎo)線截面積為： mm2繞組導(dǎo)線規(guī)格的選擇。高頻電流的集膚效應(yīng),使導(dǎo)線的實際導(dǎo)電截面積減小。因此。在導(dǎo)線選擇上應(yīng)使用多股導(dǎo)線并繞,副邊大電流繞組最好能使用寬而扁的銅帶,寬度與變壓器磁心窗口高度接近,厚度則受2倍的穿透深度限制。表3列出了高頻電流穿透銅導(dǎo)線的深度。 表32 高頻電流穿透銅導(dǎo)線的深度 因為,所以

26、允許采取的最大線徑為如去表稱直徑為0.94毫米的公制漆包線，需要股，取整為13股并繞。 同理，對于變壓器原邊，其繞組導(dǎo)線截面積為。 若同樣取標稱直徑為094mm的公制漆包線進行繞制的話，需要 ，取整為3股并繞。銅窗的占有率估算如下： ，即 得 542.4194.2所以，銅窗是富裕的。此高頻變壓器計算參數(shù)基本符合要求。4. 心得體會在此次設(shè)計中，我翻閱的大量的書籍，期刊。在短時間內(nèi)檢索出自己想要的相關(guān)信息，這一點是十分重要的。設(shè)計實踐不僅強化了我這方面的能力，更讓我對工程設(shè)計有了新的認識。所謂工程設(shè)計不僅僅是設(shè)計，還要實現(xiàn)設(shè)計內(nèi)容。相比較而言，在平時的學(xué)習(xí)生活中我們很少考慮材料的選擇、保護、裕量、各種損耗等因素，然而，在工程中必須考慮到。同時團隊協(xié)作也是十分重要的，當我在設(shè)計中遇到困難，我會和同學(xué)共同討論，翻閱書籍、期刊等或者咨詢老師。總而言之，一分耕耘，一分收獲。5.參考文獻1劉鳳君.逆變器用整流電源【M】.北京：機械出版社，2003，10