小功率DC-AC电源研究的报告

小功率DC-AC电源研究的报告一、论文选题的目的和意义1.1论文选题目的当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位和波形等基本参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效处理，特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力的支持。因此，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响。逆变电源一般用于重要设备的电源或控制电源。由于交流电是不可存储的，所以一般通过蓄电池以直流电的方式储存，当重要设备或重要的设备的控制电源跳闸时，就自动切换至逆变输出的电源（电源相互冗余），以达到设备安全稳定运行的目的。随着网络技术的发展，对逆变电源的网络功能也提出了更高的要求。高性能的逆变电源必须满足:高的输入功率因数，低的输出阻抗;快速的暂态响应，稳态精度高;稳定性高，效率高，可靠性高;低的电磁干扰;智能化;完善的网络功能。逆变是对电能进行变换和控制的一种基本形式，现代逆变技术是一门综合了现代电力电子开关器件的应用、现代功率变换、模拟和数字电子技术、PWM技术、频率及相位调制技术、开关电源技术和控制技术等综合实用设计技术，己被广泛应用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。随着电力电子技术的飞速发展和各行业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛，相应对逆变电源的性能要求也越来越高。PWM软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实现电力电子技术高频化的最佳途径，也是一项理论性很强的研究工作。它的研究对于逆变器性能的提高和进一步推广应用，以及对电力电子学技术的发展，都有十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一。软开关是逆变器的重要组成部分，软开关并不是没有损耗的，它只是把开关器件本身的一部分开关损耗转移到了为实现软开关而附加的谐振电路中的谐振元件上，总量上可能有所减少。软开关逆变技术研究的重要目的之一是，实现PWM软开关技术，也就是将软开关技术引进到PWM逆变器中使它既能保持原来的优点，又能实现软开关工作。为此，必须把LC与开关器件组成一个谐振网络，使PWM逆变器只有在开关切换过程中才产生谐振，实现开关的零电压开通和关断，一般工作情况下则不发生谐振，以保持PWM逆变器工作特点。1.2论文选题意义电力电子变换器的数字控制是电力电子发展的趋势，也是现代逆变技术发展的趋势，目前国内期刊和国际会议已有很多的文献报道。虽然数字控制极大地简化了硬件电路，提高了系统的稳定性、可靠性和控制精度，但数控变换器在实际使用中还存在许多待解决的问题，例如:变换器开关动作对采样的严重干扰;检测的量化误差导致控制精度显著下降;高速运行下数字化脉宽调制时间分辨率的下降;开关功率变换器数字化的数学模型研究不够深入等。二、国内外关于该论题的研究现状和发展趋势2.1国内外DC-AC电源研究现状国外电源发展大致经历了4代：第一代为直流电机电源，耗能大、效率低；第二代为自耦硅整流直流电源，使用自耦变压器调节输入电压，再由大功率硅整流管整流，效率较低、精度、纹波等技术指标差；第三代为可控硅电源效率较高、功率范围宽，是目前广泛使用的电源；第四代为开关型直流电源，体积小，精度、纹波系数高、可靠性高是未来直流电机驱动和电镀行业的主体电源。我国电源起步于1949年，经历了几个发展阶段，已经发展到各行各业，如机械、邮电、铁路、电子、竣工系统等都有电源开发和生产，还有大量国外产品公司进入我国，竞争逐步加剧。2.2DC-AC发展趋势今后，随着工业和科学技术的发展，对电能质量的要求将越来越高，包括市电电网在内的原始电能的质量可能满足不了设备的要求，必须经过电力电子装置变换后才能使用，而DC/AC逆变技术在这种变换中将起到重要的作用。逆变电源可靠性高、稳定性好、调节特性优良、而且体积小、重量轻、功耗低，在电子和电气领域得到了极其广泛的应用[12]。随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛，对电源性能的要求越来越高。许多行业的用电设备都不是直接使用电网提供的交流电作为电源，而是通过各种形式对电网交流电进行交换，从而得到各自所需要的电能形式。在电力电子的应用及各种电源系统中，逆变电源技术均处于核心地位。近年来，逆变电源技术主要表现出以下几种1．高频化理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当把频率从工频50Hz提高到20kHz，提高400倍，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5～10。将传统的电源进行改造，其主要材料可以节约90％或更高，还可节电30％或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益，更可体现技术含量的价值。2．模块化模块化有两方面的含义：其一是指功率器件的模块化；其二是指电源单元的模块化。常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准’’功率模块(SPM)。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化’’功率模块(IPM)，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。3．数字化在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优势：便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。4．绿色化电源系统的绿色化有两层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能(或少)对电网产生污染，国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准，如IEC555，IEC917，IECl000等。事实上，许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源：向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种修正功率因数的方法。5．并机冗余技术当今对供电系统的两个要求趋势一个是高可靠性，一个是大功率化，这两者都与电源的并联运行控制密切相关。并联运行系统在各种应用领域得到了广泛的推广和应用。总而言之，现代电力电子技术是电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下，由于功率器件性能的限制而使电源的性能受到影响。为了极大地发挥各种功率器件的特性，使器件性能对电源性能的影响减至最小，新型的电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关工作在零电压或零电流状态，从而大大提高工作频率，提高电源工作效率，设计出性能优良的电源。随着电力电子及电源技术因应用需求不断向前发展，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志着这些技术的成熟，实现高效率用电和高品质用电相结合。三、本报告的主攻方向、研究方法及技术路线3.1研究主攻方向及其主要内容本课题采用逆变技术与数字信号处理技术相结合，研制一台高效DC-AC电源装置。具体制方案：上电后，先进行参数预置，经STM32内部编程输出两路频率不同的SPWM波，经驱动、放大后分别提供给前后级功率MOS开关管，输出预期的交直流波形。本文拟完成主要内容包括：1)设计以功率MOS管为核心的逆变交直流主电路系统，绘制出电路图，购置器件并安装调试。2)设计以DSP为核心的控制电路系统，绘制出电路原理图与PCB布线图，加工出印刷电路板，购置元器件并安装调试。3)在主电路和控制电路中设计多种保护措施，以保证MOS管的安全工作。4)设计多种抗干扰措施，保证控制系统能够在复杂的干扰环境中正常工作。5)绘制电源装置的控制系统软件流程图。6)对所设计的焊机进行脱机与联机、空载与负载调试，测试其静特性、动特性性以及调节特性。所设计的高效DC-AC电源装置基本参数：输入电压：直流10V电压，输出最大空载电压：15V，50Hz输出最大功率30W逆变频率：30KHz。3.2研究方法和技术路线3.2.1电源系统电路设计采用STM32芯片构成的高效DC-AC电源系统，既要控制系统的输出特性，又要实时监控输出过程。基于DSP控制的高效DC-AC电源系统流程图如图1所示1主电路由H桥逆变主电路和滤波电路组成H桥在DC-AC电源中它实质上是电路选通功率系统，即逆变主电路(或称逆变器)，其作用是根据外界因素影响导致输出量偏离标准量变化的特性（变大或者变小）选通相应的回路来减小误差，系统中S1-S4和VD1-VD4的通、断由正弦脉宽调制产生的信号控制。滤波电路主要滤去谐波，获得无谐波的交流电[16]。2控制系统由主控电路DsP控制电路完成对H桥中开关管的控制，并使输出交流电(电压、频率和渡形)稳定。由于采用正弦波调制波(twUccsin)与三角波载波(幅值为U的正三角波，频率为cw)相交而获得的SPWM渡具有基波频率为调制渡的频率，基波幅值与调制比M(M=u／U)成正比关系，谐波少等优点。正弦逆变器多采用SPWM控制，利用调制波控制输出波形频率，调整M来控制输出电压幅值。对逆变器的控制主要包括SPWM的控制方式(即H桥开关管开关方式)和对SPWM脉宽的控制，且一般采用平均电压控制技术，即Pl控制。3.2.2主要器件选型1.MOSFET的选择开关场效应管的选择：考虑功耗和频率的影响，采用TI的TMFETNex功率MOSFET。该MOSFET装置系列现在能以40、60、80及100V提供装置崩溃电压，这些装置比同类MOSFET相比，具有低栅极充电，也拥有超低电阻，甚至在标准TO-220封装中包括了全球最低电阻80V和100VMOSFET,这些装置在广泛多远电源转换及马达控制应用方面证明了本身具备的绝佳性能.2.驱动芯片的选择输入电压15V，最大输出电流2A，考虑系统的损耗和开关频率，驱动选择IR公司的IR2110s，它采用HVIC和闩锁抗干扰COMS制造工艺，具有独立的低端和高端输入通道，15V下静态功耗仅116mW。3.2.3辅助电源采用TITPS54060芯片，该芯片具有高性能，低噪声，效率高等特点。电路原理图见附录。3.2.4电压电流取样电路电压取样部分：通过TI公司的INA145对输入交流电压进行差分放大和电压抬升用AD8436电压真有效值芯片检测出电压的真有效值，并通过DSP内部计算得出交流电压有效值。电流取样部分：使电流经过一个康铜丝加一个差分放大器INA282后用一电流抬升电路在经过AD8436得到交流真有效值，通过DSP内部计算得到交流电流有效值。相位检测部分：电流抬升后，经过迟滞比较器，再通过DSP上升沿捕捉即可得到电流相位。3.4输出滤波部分方案对比：LCL滤波与LC滤波理论分析上LCL滤波效果要比单L滤波效果好，基于LCL滤波的逆变器具有动态响应速度快，电流总谐波畸变率低等特点。通过simulink仿真出来的效果也是如此。LCL滤波输出波形：LC滤波输出波形：通过simulink仿真图也可以看出，输出采用LCL滤波输出电压波形失真度小，谐波含量小。电路原理图见附录。我们的作品最终整机效率85%，具有数字设定及显示电路，实现给定值设定、输出电流显示等功能，失真度小，具有过压过流保护功能，为光伏并网提供了条件。附录：H桥逆变部分：LCL滤波部分：电压检测部分：电流检测部分：H桥PCB图：系统实物图：