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石家庄铁道大学研究生课程设计课程名称现代电力电子技术设计名称逆变器设计培养单位电气与电子工程学院学科专业电力系统及其自动化任课教师马月辉学生姓名郑俊观学号120153406研究生学院1逆变器设计1设计要求设计一个直流12V逆变成交流220V、6A的电路。完成电路的设计及相应元件的选型。2主电路设计2.1电路设计思路逆变器主电路方案为DC(低压)/DC(高压)/AC(工频SPWM脉冲)。该主电路主要包括两个环节,即直流升压和直流逆变环节。(1)DC-DC升压环节是低压直流电变换为高压直流电的系统,升压变换器的拓扑是根据电路系统中是否有变压器,可分为两大拓扑:非隔离型的升压变换器和隔离型的升压变换器。在隔离变换拓扑中,升压变换器也实现了电气的隔离,同时在功率比较宽的范围内高效率的工作。在本设计中选用隔离型的升压变换器,即先把直流逆变成高频交流(20kHz),再把高频交流整成直流。(2)DC-AC直流逆变环节是采用全桥逆变电路,输出电压、电流的幅值为半桥逆变电路输出幅值的两倍。克服了半桥逆变电路直流侧串联电容的电压均衡问题。所以后置DC-AC电路选择全桥逆变电路。2.2主电路原理图从图1中可以看出主电路图可以认为是由3部分组成,即DC-DC、DC-AC和LC滤波器,从LC滤波器的电容上输出电压。其中DC-DC环节,直流先经过逆变成交流,在经过变压器升压,最后经过桥式整流输出高压直流。2.3器件计算与选择2.3.1直流升压环节(1)输出滤波电容C1计算与选型考虑到输入的直流可能含有高频成分,故需要用电容把高频成分滤掉。根据经验C1选择470uF/100V的铝电解电容。(2)全控器件的计算与选型变压器一次侧电压U1=0.9E=0.9×12=10.8v,考虑到管子上的压降和其他损耗的影响,故U1=8V。输入的功率为P=220×6=1320W。图1:主电路原理图2变压器一次侧电流I1=P/U1=1320/8=165A由于电路中最大的直流输入电压E=12V,考虑到一定的安全裕量,这里取为1.5倍,即所选的管子的电压必须大于1.5×12=18V,选择IGBT的额定电压值为600V。电流的安全裕量取1.5倍,管子的电流必须大于1.5×I1=1.5×165=247.5A根据上面确定的最大电压和最大电流来选择IGBT。选择的型号为1MBI400L-060(参数400A/600V)。(3)高频变压器的计算与选型铁氧体价格低廉,材质和磁芯规格齐全,高频性能好。但材质脆,不耐冲击,温度性能差、适合于10KW以上、1MHz以下的功率变换器。因此,铁氧体材料成为了开关电源中应用最为广泛的材料。铁氧体磁芯有环型、E型PM型和罐型结构,以及EFD、LP型等新近发展的平面磁芯结构。其中EE形磁芯相对于外形尺寸而言有较大的窗口面积,开放式的窗口没有出线问题,线圈与外界面积接触面积较大,有利于空气流通,同时散热也比较方便。显然,这种结构形式优点甚多,本文高频变压器的设计选择的就是EE型磁芯。高频变压器的设计步骤如下:1确定高频变压器铁心的尺寸规格开关电源输出功率与磁性材料的性质、几何形状和尺寸之间的关系可表示为:14110()TxweofswjPAAKKfBK(2-1)式中,wA为磁芯窗口面积(2cm);eA为磁芯有效截面积(2cm);TP为变压器视在功率(W);sf为开关工作频率(Hz);wB为工作磁感应强度(T);fK为波形系数,有效值与平均值之比;方波时为4;jK为电流密度比例系数,考虑温升近似取534;oK为窗口使用系数,一般典型值取,oK=0.4。确定工作磁感应强度wB变压器的工作磁感应强度wB是开关电源变压器设计中的一个重要性能参数,它与磁芯的材料、结构形式、功率大小、工作频率等因素都有关系。在确定工作的磁感应强度时,应满足温升等因素对耗损的限制,使磁芯不饱和。常用的磁性材料的工作磁感应强度如表1所示。表1磁性材料的工作磁感应强度磁芯材料铁氧体IJ85—1合金Co基非晶态合金工作感应强度0.15~0.250.4~0.50.5~0.63确定电流密度系数jK电流密度系数jK取决于磁芯的形式、温升及表面积。在开关电源变压器设计时,若没有确定磁芯形式,要确定电流密度系数就有一定的困难。所以在设计时,应先确定磁芯的结构和体积。不同结构形式磁芯的电流密度系数如表2所示。表2磁芯电流密度系数罐形磁芯E形磁芯C形磁芯环形磁芯2543336632225050632534468365确定变压器视在功率TP1(1)oToiooPPPPPP其中η取0.9(2-2)由式(2-1)得412.0113419.10)53416.0102044.010)9.011(1320(cmAAw(2-3)考虑到散热和绕组的空间,应将理论所计算的值进行适当的扩大,同时参考磁性材料厂家的产品规格,最后选用EE55型铁氧体磁芯材料。磁芯的有效截面积eA=3.5152cm,铁芯窗口面积eA=3.92cm,因此EE55磁铁的尺寸规格为PweAAA=13.714cm。而开关电源的设计尺寸规格为3.964cm,所以所选的尺寸规格足够大,能够满足设计要求。2参数计算原边匝数由电磁感应定律=pdENdt得810ininppedBdVENNAdtdt(2-4)磁芯形式电流密度系数温度(℃)4则原边绕组的匝数为88min10104.91()oninDpeineinTETVNABABBf(2-5)式中,E为原边绕组输入电压值,单位为V;D是脉冲占空比,取0.5;eA是磁芯有效截面积,单位为2cm0.1F;mB是最大磁感应强度,单位为G;rB是剩余磁感应强度,单位为G。取pN为5匝为了使输出电压满足能够系统的需要,并留有一定的余量,应尽量使变压器的原、副边的匝数比取的小一些。所以在设计时就要求电路在输入电压最低时,输出电压仍能达到系统的要求。设计时,开关管的参数为:工作频率为20kHz,最大占空比取0.5,最小输入电压为8V,输出电压为220V,直流环节输出功率oP为1320W。输出电压oV与变压器副边电压'oV的关系为VDVV4405.0220`00(2-6)V′与inV的电压比是原、副边的匝数比,考虑到两个IGBT管的压降,则计算式(2-11)应变为'2ospinIGBTVNNVV(2-7)式中,IGBTV为IGBT的管压降,取1V,sN由此求得为366.7,取367匝。电流密度212.0/8.421)19.10(534)(cmAAAKJxwj(2-8)输出电压有效值2201()522tDToomsVVVdtVTDD=3.6225.0440V(2-9)变压器副边绕组电流有效值222.10ommPIAV2.21A(2-10)变压器副边绕组电流峰值2/3.10omIIDA3A(2-11)原边绕组电流有效值5122(10.05)42.15ssmHmmppNNIIIIANN170.3A(2-12)式中,HI磁化电流有效值约为初级电流有效值的5%~10%,即2(5%10%)sHmpNIIN,取2=5%sHmpNIIN2验算输出电压oVmin376350sinodpNVDVVVVN220V(2-13)能够满足设计要求。3集肤效应穿透深度△可用下式来表示mmfur66.01058104102014.32222673(2-14)由式(2-14)可见,穿透深度与频率平方根成反比,随着频率的增加,穿透深度减少。所以集肤效应在工频条件下影响较小,而在高频时影响较大。为了减少集肤效应的影响,一般要求导线线径小于两倍穿透深度。因此本设计应选用线径小于1.32mm的铜线。4线圈股数原边裸线面积210.108mxpIAcmJ2404.0cm(2-15)实际绕制中,原边选用294股线径为1.32mm的漆包线并绕。副边裸线面积222.100.0058356mxpIAcmJ200524.0cm(2-16)实际绕制中,副边选用4股线径为1.32mm的漆包线并绕。(4)整流二极管及滤波电容的计算与选型通过每只二极管的平均电流A15.33.621212IIBD每只二极管承受的最大反向电压V297210414.122UURM考虑到有2倍的安全裕量,故选用二极管型号为2CZ14F(10A/600V)选择滤波电容,这里滤波电容的主要作用是去除纹波,输出理想的直流。根据经验,取1000µF/500V的电解电容一只。2.3.2直流逆变环节进过桥式整流电容滤波电路输出的电压为250V61320220)8.05.0()8.05.0(22PUCLmHfLc2.461002292FfCc88.54291002121由于直流输入电压为250V,考虑到一定的安全裕量,这里取为1.5倍,即所选的IGBT的电压必须大于1.5×250=375V,选择IGBT的额定电压值为600V。电流的安全裕量取1.5倍,IGBT的电流必须大于1.5×6=1.5×6=9A根据上面确定的最大电压和最大电流来选择IGBT。选择的型号为1MBI400L-060(参数400A/600V)。2.3.3LC滤波器计算与选型在逆变电源的输出端加入低通滤波器可以滤掉其中的高频分量,LC型滤波器具有低通滤波特性,而且滤波器的元件又少,是最简单的一种形式,应用也最广泛。本电源输出滤波器也采用此结构。输出滤波器中L和C参数与SPWM的频率紧相关。频率越高,就可以减小滤波器的体积,但同时也会增加开关损耗,从而影响逆变器的输出效率。所以应根据系统的截至频率fc以及负载RL来设计滤波器。逆变电源输出参数为:输出功率P=1320W,输出电压U=220V,频率为SOHz。逆变器输出的脉冲群中主要是50Hz的正弦波,另外还含有奇此谐波分量,以及两倍开关频率的高频分量。因为电源的输出频率为50Hz,所以系统的截止频率满足fc50Hz。系统特性阻抗ρ一般取0.5一0.8倍的额定负载电阻,即当取系数为0.8时,P=29,当输出电压的基波频率为50Hz时,滤波器的截止频率通常选在100Hz左右。取为100Hz时,我们可以得到输出滤波电感和电容值应为:故选择L=47mH,C=60µF2.4器件清单名称数量型号变压器1EE55整流二极管4ZP3-2电解电容2470uF/100V1000µF/500V普通电容160µf/300V普通电感147mHIGBT81MBI400L-0603SPWM信号发生电路及驱动电路设计PWM就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行7调制,来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。当采用正弦波作为调制信号来控制输出PWM脉冲的宽度,使其按照正弦波的规律变化,这种脉冲宽度调制控制策略就称为正弦脉冲宽度调制产生SPWM脉冲,采用最多的载波是等腰三角波;因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称,当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时,如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制,就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。在调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形。3.1SPWM信号发生电路设计电路主要由正弦波和三角波发生电路,控制电路组成。电路中所用到的元器件主要有ICL8038,运算放大器LF353,比较器LM311,电阻电容及齐纳二极管组成。当电路开始工作,首先由ICL8038产生的正弦波和三角波,正弦波和三角波的幅值由可调电阻来控制,得到的波可以通过LF353运算放大器构成的反相电路进行反向,得到方向相反的正弦波,正弦波与三角波信号通过LM311比较芯片产生SPWM脉冲。电路如图2所示。3.2SPWM驱动电路设计在功率变换装置中,根据主电路的结构,起动功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式.美国IR公司生产的IR2110驱动器,兼有光耦隔离和电磁隔离的优点,是中小功率变换装置中驱动器件的首选。该芯片具有驱动电流大,速度快,
本文标题:逆变器的设计
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