电力电子专用版.docx

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电力电子专用版

得分

评卷教师

哈尔滨远东理工学院

电力电子装置及系统

分　　院：

机电工程学院

专　　业：

电气工程及其自动化

班级：

姓名：

学号：

二〇一七年六月九日

光伏逆变电源

一、目的和意义

近年来，电力电子技术发展迅猛，逆变电源广泛应用于日常生活，车载系统，邮电通信等领域。

现代社会中，有车族在户外需要使用的电子设备越来越多，例如车载DVD、车用冰箱、手提电脑、手机充电器和各种电源适配器。

在发达国家车载逆变电源是每辆车必须具备的。

而在国内配备这种转换的车辆还很少，加之每年汽车销量居高不下，因而车载逆变电源转换器在国内将会有很大的市场前景。

采用逆变技术的目的使为了获得不同或变化形式的电能。

例如：

1.由蓄电池中的直流电源获得交流电如：

不间断电源（UPS）、应急灯电源灯等。

2.由蓄电池中的直流电源获得多路稳定的直流电如：

程控电话交换机的二次电源等各种通用DC/AC交换器。

3.获得可变频率的交流电源如：

交流电动机调速变频器等。

4.实现电能回馈如：

电动机制动再生能量回馈有源逆变系统等。

5.使电源设备小型化，高效节能，获得更好的稳定性和调节性能，如各种类型的直流电源变换器。

6.利用感应涡流产生热量如：

中频炉和高频感应加热（电磁灶等）。

二、逆变器的工作原理

逆变器（inverter）是将交流电能变换成直流电能的过程称为整流，把完成整流功能的电路称为整流电路，把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。

与之相对应，把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，把完成逆变功能的 电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。

它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。

主要用于把直流电力转换成交流电力。

一般由升压回路和逆变桥式回路构成。

升压回路把电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压；逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。

逆变器主要由晶体管等开关元件构成，通过有规则地让开关元件重复开-关（ON-OFF），使直流输入变成交流输出。

第一种方法：

1..直流电可以通过震荡电路变为交流电。

2.得到的交流电再通过线圈升压（这时得到的是方形波的交流电）。

3.对得到的交流电进行整流得到正弦波。

第二种方法：

较简单了我们知道二极管有单向导电性，可以用二极管的这一特性连成一个电桥，让一端始终是流入的，另一端始终是流出的，这就得到了电压正弦变化的直流电，如果需要平滑的直流电还需要进行整流，简单的方法就是连接一个电容。

三、光伏电源逆变器的基本结构

控制电路SPWM调制产生SPWM波，经驱动电路加到H桥上实现全桥正弦逆变。

然后经LC滤波，工频升压输出220V交流电。

由于是对光伏电源进行逆变，光伏电池电量不足时表现出欠压，这就要求输入欠压保护；输出端带载能力有限，这就要求输出过流保护。

对输入输出进行采样，以实现输入欠压保护，输出过流保护。

系统基本结构框图如图1-1所示。

四、系统的基本设计要求

根据设计要求，光伏电源逆变器的主要性能参数如表1-1所示

输入

直流电压

12V

光伏电池指标

12V/10Ahx4

最大充电能力

8.0A

输出

电压（有效值）

220V

输出额定电流

2.5A

频率

50Hz

表1-1光伏逆变电源性能参数

五、系统电源设计

整个系统使用到NE5532集成运放，CMOS 4000系列的逻辑门电路，脉宽调制芯片SG3525以及半桥驱动芯片IR2110等。

这些芯片的供电电压全部为+12V、-12V所以利用7812和7912两稳压片提供±12V的电压。

电源系统原理图如图1-2所示。

六、逆变电路

1、单相桥式逆变电路

S1～S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。

S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电。

改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。

电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。

阻感负载时，io滞后于uo，波形也不同。

t1前：

S1、S4通，uo和io均为正。

t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向。

 io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大。

（波形图如图1-3所示）

2、电压型逆变电路

逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：

电压型逆变电路或电压源  逆变电路，电流型逆变电路或电流源型逆变电路。

电压型逆变电路的特点 

（1）直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。

（2）输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。

（3）阻感负载时需提供无功。

为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。

3、 IR2110芯片介绍

功能结构

LO（引脚1）：

低端输出

COM（引脚2）：

公共端 

Vcc（引脚3）：

低端固定电源电压

Nc（引脚4）：

空端 

Vs（引脚5）：

高端浮置电源偏移电压

VB（引脚6）：

高端浮置电源电压

HO（引脚7）：

高端输出

Nc（引脚8）：

空端 

VDD（引脚9）：

逻辑电源电压

HIN（引脚10）：

逻辑高端输入 

SD（引脚11）：

关断

LIN（引脚12）：

逻辑低端输入  

Vss（引脚13）：

逻辑电路地电位端，其值可以为V0

Nc（引脚14）：

空端

IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺[17]，DIP14脚封装。

具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，dv/dt=±50V/ns，15V下静态功耗仅为116mW；输出的电源端（脚3，即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10~20V；逻辑电源电压范围（脚9）5~15V，可方便地与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V的偏移量；工作频率高，可达500KHz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。

IR2110的内部功能框图如图3-1所示。

由三个部分组成：

逻辑输入，电平平移及输出保护。

如上所述IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。

尤其是高端悬浮自举电源的成功设计，可以大大减少驱动电源的数目，三相桥式变换器，仅用一组电源即可。

 4、IR2110特性 

 IR2110基本特点：

（1） 具有独立的低端和高端输入通道； 

（2） 悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V； 

（3） 输出的电源端（脚3）的电压范围为10-20V； 

（4） 逻辑电源的输入范围（脚9）5-15V，可方便的与TTL，CMOS电平相；

（5） 匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有1V的便移量； 

（6） 工作频率高，可达500KHz； 

（7） 开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns； 

（8） 图腾柱输出峰值电流2A。

5. 高压侧悬浮驱动设计

IR2110用于驱动半桥的电路如图3-3所示。

图中C1、VD1分别为自举电容和二极管，C2为VCC的滤波电容。

假定在S1关断期间C1已充到足够的电压（VC1≈VCC）。

当HIN为高电平时VM1开通，VM2关断，VC1加到S1的门极和发射极之间，C1通过VM1，Rg1和S1门极栅极电容Cgc1放电，Cgc1被充电。

此时VC1可等效为一个电压源。

当HIN为低电平时，VM2开通，VM1断开，S1栅电荷经Rg1、VM2迅速释放，S1关断。

经短暂的死区时间（td）之后，LIN为高电平，S2开通，VCC经VD1，S2给C1充电，迅速为C1补充能量。

如此循环反复。

七、驱动电路设计

采用功率开关管的变换器电路中，开关管的驱动电路性能的好坏直接关系到变换器的工作可靠性。

因此，在变换器设计中，要对功率开关管的驱动进行精心的设计。

与晶体管驱动电路不同，对功率MOS管的控制实质上是对MOS管的输入电容C进行充、放电控制，同时驱动电路还要为MOS管的栅-漏电容，亦称米勒电容提供渡越电流CGDdVGD/dt，所以驱动电路的负载为容性网络由于电容上的电荷的保持作用，当器件开通后驱动电路无需继续提供电流。

根据上面的分析，得出功率MOS管对驱动电路的要求如下:

1.驱动电路延迟时间小；

2. 驱动电路峰值电流大；

3.栅极电压变化率dv/dt大。

IR2110驱动电路原理框图如图3-4所示，其中左上臂HIN_L、左下臂LIN_L、右上臂HIN_R右下臂与LIN_R输入信号分别是Q1、Q2、Q3、Q4，四路单极性的SPWM波形可以保证H桥臂的四个MOS管两两交叉导通，这样实现输出电流的反向，从而使输出端为交流的高频SPWM信号。

原理图中MOS管选用耐压值较高，开关速度快的IRF540，IRF540的漏源耐压可达100V。

为了保护其不被烧坏，必须在四只MOS管上加上四个散热片。

HO、LO端的二极管使用开关管1N4148，实现自举电路的二极管用快恢复二极管。

芯片工作电压为+12V，开关管D极电压也为+12V。

八、输出滤波器设计

输出滤波器将逆变器输出的脉冲宽度调制的功率脉冲转化为模拟电压。

当逆变器的输出不加滤波电路时，其输出波形只是SPWM调制波，其中既包含了50Hz基波，又包含了高于50Hz的谐波。

为了削弱高次谐波，就需要设置输出滤波器。

滤波器是一种具有选择性的四端网络，它允许某些频率信号通过，而不允许另一些频率信号通过。

允许通过的信号频率范围称为通带，不允许通过的信号频率范围称为阻带，通带与阻带交界的频率称为截止频率[20]。

从H桥的输出为高频交流信号，要用工频隔离变压器对其进行变换，这就需要先将高频信号转换为50Hz工频信号，此部分通过LC滤波（如图3-5）实现，也可当作以低通滤波器，与小信号电路的低通滤波器不同的是，逆变器的输出滤波器不仅要滤除不需要的高频分量，而且还要在滤除不需要的高频分量的同时，使通过的频带所传输的功率产生的损耗尽可能的低。

因此，传统的RC低通滤波器在这里不能应用。

而需要采用几乎没有损耗的LC低通滤波器。

它的设计原则是对50Hz低频呈低阻抗特性，基本不产生基波压降，而对高频分量呈高阻抗特性。

九、 保护电路设计 

为保证电力电子系统正常工作，除了合理设计电路之外，增设电路保护措施是很有必要的。

这是因为在装置实际运行时，有许多随机出现的干扰信号。

这些干扰会导致系统工作不正常，甚至损坏系统。

在电力电子系统中，功率开关管的保护是必不可少的。

功率开关管是整个设备正常工作的核心部件，同时也是最容易受损坏的元件。

而对于由蓄电池供电的逆变电源而言，蓄电池也需要有必要的保护，因为蓄电池过度放电会损坏蓄电池本身。

对于由蓄电池供电的逆变电源而言，蓄电池过度放电会损坏蓄电池本身，当蓄电池电量不足时，应该相应欠压保护，保护电路调试：

1. 欠压保护测试：

（1） 首先接一个100W的220V的灯泡，让电路正常工作； 

（2） 调节实验台上的交流输出大小，使得直流输入降为10V，保护电路动作，继电器打开，灯泡灭； 

（3） 使实验台上的交流输出恢复，使得直流输升为12.5V，保护电路动作，继电器关闭，灯泡亮。

2. 过流保护测试 

（1） 首先接一个500W的220V的灯泡，让电路正常工作。

（2） 由于设定的额定功率为500W，此时再并联一个100W的灯泡，负载过重，电流过大，快速熔断器F2烧断，灯泡熄灭。

结论

逆变技术是现代电力电子技术领域里最活跃的一个研究方向，它广泛应用于工业、国防和家用电器等生产和生活领域。

传统的逆变器绝大多数为方波逆变器和准正弦波逆变器。

这两种逆变器虽然电路结构简单，但输出的电能质量较差，谐波分量大。

而数字化正弦波逆变器成本较高，因此，本文提出的这种结构简单，谐波畸变率低的正弦波实现方案。

采用纯硬件方式实现对逆变器的控制以及各种保护功能，并通过仿真对各种控制方案进行分析对比，最后制造了一台样机进行了实验。

实验结果表明，光伏电源逆变器输出波形理想，直流环电压波动小。

带载时，逆变器输出波形无大的畸变。

由于脉宽调制芯片SG3525方法生成SPWM控制脉冲，逆变电路工作稳定。

实验表明本设计对于小功率正弦波逆变器具有输出波形好、整机成本低、适应性强等特点。

但是也有不足之处，采用工频变压器升压使得设备体积重量大、笨重，携带不便，功率密度不高。

为了适应今后市场的发展，前级采用BOOST电路升压，高频逆变技术，后级逆变环节采用全桥电路，从而实现了直流输入，标准市电输出。

采用高频升压变换、然后再全桥逆变是今后研究的方向。

参考文献

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