電子設計競賽(6)-逆變電路

逆變 電源在全國大學生電子設計競賽電源類題目中佔十分重要的地位。 每一個參加全國大學生電子設計競賽並選擇電源方向的學生都需要掌握逆變電源的設計製作。 與整流相反， 把直流電變為交流電稱為逆變 。 逆變電路的應用非常廣泛。 當需要蓄電池、幹 電池、太陽能電 池等直 流電源向交流負載供電時，就需要逆變電路。 除此之外，應用非常廣泛的 交流電機調速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心電路就是逆變電路。 在電子設計競賽逆變題目中，一般逆變電源的交流側是和負載相連，此稱為無源逆變 。 歷屆電子設計大賽出現過的逆變電源相關題目有： 2005年國賽三相逆變電源、2009年國賽光伏併網發電模擬裝置、2014年TI模擬邀請賽單相正弦波逆變電源、2016年省賽單相正弦波變頻電源、2017年國賽微電網模擬系統。 從歷年出現過逆變類電源題看，國賽逆變類題目越來越難，電源結構越來越複雜，涉及的知識點越來越廣，緊跟電源發展的新技術熱點。 如2009年國賽光伏併網發電模擬裝置涉及最大功率點、頻率、相位和波形跟蹤技術，以及節能問題。 2017年國賽微電網模擬系統涉及分布式三相逆變電源並聯供電及功率分配問題。 各位同學在平時的訓練中，除了掌握最基本的單相、三相逆變電源設計製作，還需要關注電源技術領域的新技術熱點。 逆變電源主要涉及的知識點有： 元器件選擇技術； 開關管驅動技術； SPWM控制技術； PID反饋控制技術； 交流電壓電流取樣及有效值計算； 高頻變壓器的設計與製作； 單片機最小系統設計等。

1  逆變電源基本原理 1.1  半橋式逆變電路

  從直流電源中獲取交流電能，有多種方式，但至少需要兩個功率開關器件，如圖1所示的半橋式逆變電路是單相逆變電源的一種拓撲結構。此電路由兩個串聯的功率開關和兩隻串聯的電容組成。兩隻串聯電容的中點為參考點。電路工作原理如下：當V1導通V2關斷時，電容C1上的能量釋放到負載R上，輸出電壓Uo為正，同時電容C2充電；當V1關斷V2導通時，電容C2上的能量釋放到負載R上，輸出電壓Uo為負，同時電容C1充電。開關管V1、V2交替導通使得負載獲得交流電能。
  半橋式逆變電路的優點是電路結構簡單，兩個電容的串聯中心作為中性參考點，這樣不會帶來直流分量和磁偏，適合帶動變壓器負載。其不足之處在於，當電路工作在工頻(50Hz- 60Hz)情況下，所需電容的容量比較大，增加電路的體積和成本。

圖1 半橋式逆變電路 1.2  全橋式逆變電路

  在大學生電子設計競賽中，全橋式逆變電路是應用最廣泛的一種電路。下面以下圖圖2(a)的單相全橋逆變電路說明全橋式逆變電路的基本原理。單相全橋逆變電路也稱為『H橋』電路，由四個功率開關管及其驅動輔助電路構成，工作時Q1與Q4通斷互補、Q2與Q3通斷互補。當Q1、Q3閉合，Q2、Q4斷開時，負載電壓Uo為正;當Q1、Q3斷開，Q2、Q4閉合時，負載電壓Uo為負，Uo波形如圖2(b)所示。Q1、Q3和Q2、Q4交替導通，使得負載上獲得交流電能。當負載不是純電阻時，負載電壓和負載電流不是同相位，這時開關管的寄生二極體D1-D4則起著電流續流的作用。

圖 2
  與半橋式逆變電路相比，全橋式逆變電路開關管數量增加了一倍，意味電路複雜度和成本也會增加。 但是在相同的開關電流下，全橋電路的輸出功率是半橋電路的兩倍，因此全橋電路更適合於大功率應用場合。 1.3  PWM控制技術

  在電力電子發展史上，逆變電源佔據非常重要的一環，而PWM控制技術在逆變電路中應用最廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻。現在大量應用的逆變電源絕大多數都是PWM型逆變電源。正是由於在逆變電源中的應用，PWM技術才會發展得比較成熟，才確定了它在電力電子技術中的重要地位。
  PWM控制就是對脈衝的寬度進行調製的技術。即通過對一系列脈衝的寬度進行調製，來等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。PWM控制技術的理論基礎為：衝量相等而形狀不同的窄脈衝加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。衝量指窄脈衝的面積。效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同。如下圖3(a)(b)和(c)所示的三個波形分別為矩形波脈衝、三角波形脈衝以及正弦波形脈衝，顯然它們的形狀完全不同，但是面積完全相同，如果把它們分別加在具有同一個慣性的環節上時，其輸出作用完全相同。

圖3
   如果用一系列等幅不等寬的脈衝來代替一個正弦半波，也就是說把正弦半波分成N等份，然後把它看成N個首尾相連的脈衝序列，而這些被平分的波形寬度完全相等，但幅值卻不相等。然後用矩形脈衝代替這些被平分的N份波形，矩形脈衝同樣被要求幅度相等，而寬度不相同，但是要保證它們的中點完全重合，面積與N份波形相同，這樣就可以得到脈衝序列，如下圖圖4所示。根據上述分析，PWM 波形和正弦半波是等效的，對於負半周也可以用同樣的方法得到該PWM波。這種新產生的PWM波叫做SPWM波。
圖4 SPWM 2  多相逆變電路與控制方法

  在歷年的全國大學生電子設計競賽中，對逆變電源的考察主要以多相的形式出現。如2005年G題三相正弦波變頻電源，2017年微電網模擬系統。在全國大學生電子設計競賽電源方向的培訓中，多相逆變電源設計製作必不可少的，其中三相逆變電源最主要的。

2.1  三相基本概念

  （1）三相交流電：是電能的一種輸送形式，是由三個頻率相同、振幅相等、相位依次互差120°的交流電勢組成，分別為A、B、C三相。三相電的波形圖和矢量圖如下圖所示。
  （2）星形接法和三角形接法
  星形接法：也稱Y型接法，如下圖圖5(a)所示每一相的負載的一端都接在公共點上。公共點為中性點，N為中性線。

圖5
   三角形接法 ： 如下圖圖6(b)所示，每一相的負載首尾相連,形成三角形接法。 每一種接法有不同的應用場合，Y形接法用來為家庭和辦公中使用的日常單相設備供電，三角形接法最常用的情況是為功率較高的三相工業負載供電。
圖6

  （3）線電壓、線電流、相電壓和相電流
  線電壓：三相供電系統兩線之間的電壓。如下圖圖7(a)Y型接法ABC三線間的電壓Uab ，Uac，Ubc。
  相電壓：三相供電系統ABC三相分別對中性線的電壓。如下圖圖7(a)Y型接法ABC三相電壓Uan，Ubn，Ucn。
  線電流：線電流是三相電源中每根導線中的電流為線電流。如下圖圖7(a)Y型接法中ia，ib，ic。
  相電流：相電流是指三相電源中流過每相負載的電流。如下圖圖7(a)Y型接法中ian，ibn，icn。
  在Y型均衡接法中，線電壓和相電壓之間是呈現等邊三角形關係，如下圖圖8所示的電壓矢量圖。線電壓等效於等邊三角形的三邊，相電壓等效於等邊三角形的中心與頂點的連線。三個線電壓是對稱的：大小相等，為相電壓的 倍，相位領先對應的相電壓30度，互成120度。而線電流和相電流相等。
  在三角形接法中，線電壓與相電壓是相等的，線電流和相電流的關係和Y型接法中線電壓和相電壓的關係一樣。

圖7
圖8
  （4）三相負載功率計算
  三相負載上的總功率等於每相負載的功率之和，而每相負載功率等於該相的相電壓、相電流和該相的功率因素的乘積。       Y型對稱接法中： 總功率P=3X相電壓X相電流X功率因素cosφ       由Y型接法中線電壓和相電壓，線電流和相電流之間的關係，可以得到：       總功率 P= 根號2倍X線電壓X線電流X功率因素cosφ。 2.2  三相有源逆變電路

  圖9為三相有源逆變電路結構，可看做由三個半橋組成，取三個半橋中間點作為三相的輸出。用三個互差120°的正弦波與高頻三角載波進行比較，每路結果再經反相器產生與原信號相反的控制波，分別控制上下橋臂MOS的導通與關斷。這樣產生的六路SPWM波分別控制六個MOS的通斷，從而在負載端產生與調製波同頻的三相交流電。(圖10的電路原理圖可以根據圖中的參數拿來直接用)

圖9 理論設計圖

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