準(zhǔn)正弦波逆變電源的設(shè)計(jì)

1、設(shè)備設(shè)計(jì)/診斷維修/再制造現(xiàn)代制造工程2009年第11期一種準(zhǔn)正弦波逆變電源的設(shè)計(jì)楊文通,李帥,劉志峰,張愛(ài)平,王建華(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院,北京100124摘要:采用高頻多級(jí)逆變方案設(shè)計(jì)的一款準(zhǔn)正弦逆變電源。此電源以12V直流電輸入,經(jīng)過(guò)高頻逆變整流環(huán)節(jié)(DC2 DC和P WM逆變環(huán)節(jié)(DC2AC,在輸出終端得到高質(zhì)量的準(zhǔn)正弦交流電。并對(duì)遇到的電磁干擾問(wèn)題進(jìn)行分析和排除。由于采用集成邏輯芯片和高頻變壓器,使得電源體積小,成本低,轉(zhuǎn)換率高。關(guān)鍵詞:工頻逆變器;高頻多級(jí)逆變;準(zhǔn)正弦波;電磁干擾中圖分類(lèi)號(hào):T N86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):16713133(20091101430

2、4A desi gn of qua si2si n e wave i n verterY ANG W en2t ong,L I Shuai,L IU Zhi2feng,Z HANG A i2p ing,WANG J ian2hua(College of Mechanical Engineering and App lied Electr onics Technol ogy,Beijing University of Technol ogy,Beijing100124,CHNAbstract:Describes a quasi2sine inverter,using high2frequency

3、 multi2level method.I nput12V DC,thr ough a high2frequency in2 verter circuit(DC2DCand a P WM inverter circuit(DC2AC.Finally,high2quality quasi2sinus oidal AC was achieved.The elec2 tr omagnetic interference p r oble m is analyzed and ruled out.Since the use of an integrated l ogic chi p s and high2

4、frequency trans2f or mers,power supp ly makes s mall size,l ow cost,high conversi on rate.Key words:frequency inverter;multi2stage and high2frequency inverter;quasi2sine wave;electr omagnetic interference0引言石油、天然氣和煤等一次性能源日益枯竭,再生能源將逐漸成為人類(lèi)使用的主體能源,也使用電方式產(chǎn)生重大變革。在實(shí)際的電源系統(tǒng)中,有時(shí)需要把直流電轉(zhuǎn)換成交流電供負(fù)載使用,這種把直流電變回交流電的

5、過(guò)程,就是逆變。在已有的很多種電源中,如蓄電池、太陽(yáng)能電池等都是直流電源,當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí),就需要逆變。因此,逆變技術(shù)在新能源的開(kāi)發(fā)與利用領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。準(zhǔn)正弦波是一種基本符合正弦規(guī)律的方波,可以給大部分電器供電,特別是家用電器,如電視機(jī),電燈等。準(zhǔn)正弦波波輸出逆變器實(shí)現(xiàn)電路法與正弦的相比,由于不需要輸出濾波電感,準(zhǔn)正弦波逆變器的體積更小、重量更輕,制作成本也更加低廉,所以應(yīng)用前景也更為廣泛。1總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能是將12V蓄電池里面的電能通過(guò)逆變器的轉(zhuǎn)換,給電器提供穩(wěn)定的220V、50Hz 的準(zhǔn)正弦波(方波。從結(jié)果看逆變器必須完成兩部分的變換:電壓變換和頻率變

6、換。隨著逆變技術(shù)的發(fā)展和更高性能電子元器件的出現(xiàn),逆變電源的實(shí)現(xiàn)方法也層出不窮。目前有兩種比較常用的方案可實(shí)現(xiàn)這種從直流到交流的逆變過(guò)程。1工頻變壓器形式的單級(jí)逆變主電路(DC2AC。先頻率變換,后升壓變換的工頻變壓器主電路,如圖1所示。這種方案先通過(guò)由四個(gè)開(kāi)關(guān)管組成的全橋逆變電路完成頻率變換,再用工頻變壓器升壓 。圖1工頻逆變主電路2高頻變壓器形式的多級(jí)逆變主電路(DC2AC2 DC2AC。先升壓,后頻率變換的高頻升壓器形式,如圖2所示。直流電從蓄電池出來(lái)后經(jīng)過(guò)推挽逆變電路,在推挽電路里面高頻逆變成高頻交流電;然后經(jīng)過(guò)高頻變壓器升壓和濾波整流電路變成直流電;再通過(guò)一個(gè)全橋逆變電路和濾波電路變

7、為所需的交流電。341現(xiàn)代制造工程2009年第11期設(shè)備設(shè)計(jì)/診斷維修/再制造 圖2高頻多級(jí)逆變主電路比較兩種方案,后者由于主體電路里采用高頻變壓器,使逆變電源的體積和價(jià)格都大幅下降,而且轉(zhuǎn)換效率高。在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中采用了第二種方案,電路的具體實(shí)現(xiàn)框架,如圖3所示。 圖3電路實(shí)現(xiàn)框架該電源主電路由濾波電路、推挽升壓電路、全橋整流電路、高頻變壓器、全橋逆變電路和漏電檢測(cè)電路等組成。2前級(jí)電路(DC 2AC 2DC的實(shí)現(xiàn)211推挽高頻升壓電路圖4所示為推挽高頻升壓整流濾波電路,其中Q 5和Q 6為兩個(gè)共負(fù)極的功率開(kāi)關(guān)元件,T 1為帶中心抽頭的高頻升壓變壓器。整流電路采用適合輸出高壓的全橋整流電路,

8、L 1和C 1構(gòu)成輸出濾波電路。在功率開(kāi)關(guān)管加上驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通信號(hào),當(dāng)Q 5導(dǎo)通、Q 6截止時(shí),變壓器輸出端電壓上負(fù)下正;當(dāng)Q 6導(dǎo)通、Q 5截止時(shí),變壓器輸出端電壓上正下負(fù)。若控制信號(hào)交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)功率管,則經(jīng)過(guò)變壓器耦合產(chǎn)生高壓高頻方波交流電壓,然后經(jīng)過(guò)后面整流濾波電路變?yōu)楦邏褐绷麟姟?圖4推挽高頻升壓整流濾波電路212開(kāi)關(guān)管的選擇在此電路的設(shè)計(jì)中采用了多級(jí)逆變的電路結(jié)構(gòu),其前級(jí)推挽電路與后級(jí)全橋逆變電路都用到了功率開(kāi)關(guān)管。在圖4所示推挽電路中,當(dāng)Q 5導(dǎo)通時(shí),高頻變壓器原邊電壓上負(fù)下正,通過(guò)Q 5的電壓為I DS R DS(R DS 為MOSFET 通態(tài)高阻,此時(shí),加在變壓器原邊上部分的方波電壓

9、為V in -I DS R DS ,在半個(gè)周期中持續(xù)時(shí)間為T(mén) on 。設(shè)變壓器兩副邊匝數(shù)與原邊匝數(shù)相等,整流二極管的正向壓降為V D ,則輸出的直流電壓V o 為:V o =(V in -I DS R DS N S /N p-2V D2T onT(1式中:V in 為輸入直流電壓;I DS 為功率管漏源電流;R DS 為功率管通態(tài)高阻;N S 為變壓器次級(jí)線圈匝數(shù);N p 為變壓器初級(jí)線圈匝數(shù);V D 為整流二極管的正向壓降;T on 為功率管半周期持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間;T 為方波周期。由于I DS R DS 和V D 都比較小,可以忽略,令D =T on /T,并忽略開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通壓降,則功率管承受的

10、最大電壓V DS MAX 為:V DS MAX =2V in (2由上推理可知,推挽電路中開(kāi)關(guān)管承受的最高穩(wěn)態(tài)電壓為最大輸入電壓的兩倍。由于V DS MAX =28V ,考慮到變壓器漏感引起的電壓尖峰的影響,取系數(shù)K =113,即選擇MOSFET 的電壓必須大于113×28V =3614V 。一般在低壓時(shí)選擇MOSFET 。全橋整流負(fù)載電流I o 為:I o =111P o019U o(3式中:U o 為全橋整流負(fù)載電壓;P o 為負(fù)載輸出功率。當(dāng)P o =100W ,U o =12V 時(shí),可得功率管MOSFET 流過(guò)的直流電流最大值I o MAX 為:I o MAX =111P o

11、019U o=10178A (4一般允許電壓峰值時(shí)的電流峰值為最大值的3倍,即:10178A ×3=32134A 。在此選用開(kāi)關(guān)管I RF3205,其參數(shù):電壓為55V,電阻為810m ,電流為110A 。213產(chǎn)生P WM 波芯片選擇UC3846是一款雙端輸出的電流控制型脈寬調(diào)制器(P WM 芯片,它對(duì)外部電路要求簡(jiǎn)單,具有電流限制、欠壓鎖定、軟啟動(dòng)及關(guān)斷、不需要外接元件和可實(shí)現(xiàn)同步等功能。UC3846內(nèi)部有511V 的基準(zhǔn)電源,誤差精度為±1%,可作為內(nèi)部低電平電路的電源及基準(zhǔn)電源,也可作為外部基準(zhǔn)電壓。UC3846的輸出采441設(shè)備設(shè)計(jì)/診斷維修/再制造現(xiàn)代制造工程2

12、009年第11期用圖騰柱輸出,灌拉電流分別可達(dá)100mA 和400mA,可以直接驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管MOSFET 。芯片內(nèi)部的振蕩器單元通過(guò)外接電阻R T 提供恒定放電電流12mA 給外接電容C T 充電,產(chǎn)生線性鋸齒波,鋸齒波振蕩頻率f T 為:f T =212R T C T(5在本系統(tǒng)中由于選用的高頻變壓器工作頻率為40kHz,于是外接電阻R T 取48k,外接電容C T 取1000pF 。3后級(jí)電路(DC 2AC的實(shí)現(xiàn)1單相橋式逆變電路和輸出波形如圖5所示。 全橋逆變電路的工作需要兩組相位相反的驅(qū)動(dòng)脈沖分別控制兩對(duì)開(kāi)關(guān)管,使Q 1、Q 4同時(shí)通斷和Q 2、Q 3同時(shí)通斷。輸入直流電壓為V cc,R

13、 代表逆變器的負(fù)載。當(dāng)開(kāi)關(guān)Q 1、Q 4接通時(shí),電流流過(guò)Q 1、R 和Q 4,負(fù)載上的電壓極性是左正右負(fù);當(dāng)開(kāi)關(guān)Q 1、Q 4斷開(kāi),Q 2、Q 3接通時(shí),電流流過(guò)Q 2、R 和Q 3,負(fù)載上的電壓極性反向,把直流電變成了交流電。改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率就可以改變輸出交流電頻率,得到的是正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)的交流方波電壓。負(fù)載為純阻型時(shí),負(fù)載電流電壓波形相同,相位也相同;負(fù)載為感性時(shí),電流滯后于電壓,波形也不同。 圖5單相橋式逆變電路及其輸出波形2產(chǎn)生P WM 波芯片選擇。T L494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路,它包含開(kāi)關(guān)電源控制所需的全部功能,集成了全部的脈寬調(diào)制電路,具有內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器和5V 參

14、考基準(zhǔn)電壓源,以及可提供500mA 的驅(qū)動(dòng)能力功率晶體管;外置振蕩元件僅兩個(gè),可用于調(diào)整死區(qū)時(shí)間;使用外置偏置電路時(shí),可提供高達(dá)10mA 的負(fù)載電流。在典型的070溫度范圍、50mV 溫漂條件下,該基準(zhǔn)電壓源能提供±5%的精確度。其內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器的振蕩頻率可通過(guò)外置振蕩元件電阻R T 和電容C T 進(jìn)行調(diào)節(jié),其振蕩頻率f T 為:f T =111R T C T(6經(jīng)過(guò)全橋逆變電路后輸出50Hz 的電流,則本電路中外置電阻R T 取2k,外置電容C T 取10F 。4PCB 電磁兼容可靠性分析由于本設(shè)計(jì)中使用了UC3846,T L494等數(shù)字邏輯器件,而且前級(jí)高頻逆變的頻率高達(dá)4

15、0kHz,因此在印刷線路板(PCB 的布局、布線過(guò)程中必須考慮電磁干擾(E M I 的影響。在布局、布線過(guò)程中采取下列措施來(lái)完成電磁兼容。1模擬部分與數(shù)字部分分開(kāi)。在本項(xiàng)目中模擬電路和數(shù)字電路并存,數(shù)字電路在高低電位切換時(shí)會(huì)在電源和地之間產(chǎn)生噪聲,在模擬區(qū)域的電路非常接近時(shí)會(huì)被地噪聲干擾。因此在布局中最好把數(shù)字電路和模擬電路安排在不同的層上。如果在一個(gè)布線層上,可以采用開(kāi)溝、加接地條線和分割線等措施將模擬部分和數(shù)字部分分開(kāi)布局。2采用202H 規(guī)則減少邊緣效應(yīng)。由于電源層與地層之間的電場(chǎng)變化,板的邊緣會(huì)向外輻射電磁干擾。為了減少這種干擾,將電源平面的物理尺寸設(shè)計(jì)得小于與其相臨近的地平面20H

16、(H 為電源平面和地平面之間的距離,如圖6所示。這樣可以將電源對(duì)附近電路的耦合能量減少70%。圖6202H 規(guī)則減少邊緣效應(yīng)3布線規(guī)整,流暢。采用低密度布線設(shè)計(jì),信號(hào)線粗細(xì)保持一致;采用避免輸入、輸出導(dǎo)線相鄰和長(zhǎng)距離平行走線,以及增大線條間減較少電場(chǎng)干擾;避免使用90°拐角,采用圓弧或135°角,使線路阻抗保持一致。5結(jié)語(yǔ)本研究針對(duì)傳統(tǒng)工頻逆變電源體積重,價(jià)格昂貴,轉(zhuǎn)換效率低下等弊端,采用高頻多級(jí)逆變的方案設(shè)計(jì)了一款準(zhǔn)正弦波電源。逆變電源分前后兩級(jí),主要完成升壓整流和準(zhǔn)正弦波逆變輸出的功能。另外為了保證電源的可靠性,還加入了絕緣保護(hù)、欠壓保護(hù)和過(guò)載保護(hù)等功能。針對(duì)本設(shè)計(jì)中出

17、現(xiàn)的電磁干擾問(wèn)題,在PCB 的布局、布線過(guò)程中提出了相應(yīng)的解決辦法。本電源價(jià)格低,重量輕,轉(zhuǎn)換率好,有很好的市場(chǎng)前景。(下轉(zhuǎn)第75頁(yè)541制造技術(shù)/工藝裝備現(xiàn)代制造工程2009年第11 期圖5分離噪聲與理論噪聲頻譜對(duì)比1目前內(nèi)燃機(jī)噪聲識(shí)別方法多種多樣,但采用改變點(diǎn)火(噴油提前角方法,所需測(cè)量的原始數(shù)據(jù)較少,識(shí)別的精度較高,能同時(shí)較準(zhǔn)確地得到機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的頻譜和聲功率級(jí)。2在完成一次識(shí)別后,得到該內(nèi)燃機(jī)的燃燒噪聲和缸壓譜之間的傳遞函數(shù),可以用于其他工況下燃燒噪聲和機(jī)械噪聲的識(shí)別分離。參考文獻(xiàn):1葛楠,劉月輝.獨(dú)立分量分析在內(nèi)燃機(jī)噪聲信號(hào)分離中的應(yīng)用J.天津大學(xué)學(xué)報(bào),2006,39(4:45

18、4-457.2魏凱,畢鳳榮.發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲與機(jī)械噪聲對(duì)整機(jī)貢獻(xiàn)度的實(shí)驗(yàn)研究J.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē),2007,36(4:82-84.3衛(wèi)海橋,舒歌群.內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)壓力與燃燒噪聲的研究J.燃燒科學(xué)與技術(shù),2004,10(1:56-61.4鄭棟梁,李中付,華宏星.內(nèi)燃機(jī)燃燒噪聲與機(jī)械噪聲的測(cè)試方法J.噪聲振動(dòng)與控制,2002(3:44-48.5唐治宏,盧福寧,歐陽(yáng)石坤,等.內(nèi)燃機(jī)噪聲虛擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)研究J.現(xiàn)代制造工程,2008(8:77-79,91.6成禮智,郭汗偉.小波與離散變換理論與工程實(shí)踐M.北京:清華大學(xué)出版社,2005.7衛(wèi)海橋,舒歌群,梁興雨,等.燃燒噪聲一級(jí)影響模型的多元回歸分析J.內(nèi)燃機(jī)工程,2006,27(4:66-69.作者簡(jiǎn)介:劉永超,碩士,主要研究方向:汽車(chē)振動(dòng)噪聲控制。鄧兆祥,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:汽車(chē)振動(dòng)噪聲控制、車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制、車(chē)輛結(jié)構(gòu)分析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。E2mai