李凱程， 荀 倩， 荀博洋， 符雁斌， 張銀鑫

(1.湖州師范學(xué)院 工學(xué)院, 浙江 湖州 313000; 2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

小功率車載逆變器研究

李凱程1， 荀 倩1， 荀博洋2， 符雁斌1， 張銀鑫1

(1.湖州師范學(xué)院 工學(xué)院, 浙江 湖州 313000; 2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

以車載逆變電源為研究對(duì)象，對(duì)小功率車載逆變器進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)，并對(duì)逆變器功率電路進(jìn)行研究，為保證逆變輸出端交流電壓具有較好的正弦度，對(duì)逆變輸出端串聯(lián)的LC濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)和電感設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)論述，最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果及波形分析.實(shí)驗(yàn)表明該小功率車載逆變器具有較好的穩(wěn)態(tài)性能.

車載逆變電源； LC濾波器； 小功率； 穩(wěn)態(tài)性能

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，許多行業(yè)的用電設(shè)備對(duì)逆變器控制性能要求越來越高，逆變器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛[1].隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，汽車由最原始的代步工具逐步成為生活中的必需品，有車族戶外使用的電子產(chǎn)品越來越多，如車載音響、車載冰箱、手提電腦、手機(jī)充電器等[2].這類產(chǎn)品的供電就需要車載逆變器來實(shí)現(xiàn).而目前國內(nèi)配備車載逆變器的車輛還不足20%，加之每年汽車銷量居高不下，因而車載逆變器在國內(nèi)有很好的市場前景.

車載逆變電源原理與光伏發(fā)電系統(tǒng)類似，只是直流電的來源不同.光伏系統(tǒng)直流電來源于光伏陣列，而車載逆變系統(tǒng)的直流電由蓄電池提供.車載電源一般從點(diǎn)煙器獲取直流電，由于受功率的限制，車載電源的功率一般都不大，若需要更大的功率則需要直接從蓄電池取電.本文采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)方法控制全橋逆變器，其輸出額定功率為200 W、電壓為220 V/50 Hz的交流電，對(duì)逆變器的各功能模塊進(jìn)行研究，研制一款小功率車載逆變器.

1 車載逆變器方案設(shè)計(jì)

本文研究的車載逆變器的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示.

直流母線電壓經(jīng)過升壓電路得到400 V直流電壓，再經(jīng)濾波后直接送到主功率電路，處理器產(chǎn)生的SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制逆變電路中功率管的開通與關(guān)斷.逆變的輸出波形經(jīng)由LC濾波電路濾波后得到220 V/50 Hz的交流電.在LC濾波電路中加入電壓、電流采樣電路，對(duì)輸出電壓、電流進(jìn)行采樣，并將采樣信號(hào)反饋到處理器，處理器能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整SPWM，使輸出電壓穩(wěn)定.

主功率逆變電路是整個(gè)逆變系統(tǒng)的關(guān)鍵電路，承擔(dān)了直流DC到交流AC的能量轉(zhuǎn)換，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下，將輸入的直流電壓變成脈寬調(diào)制交流SPWM；LC濾波電路將從逆變電路輸出的SPWM高頻諧波部分濾除，只保留基波成分，保證輸出正弦交流電的平滑度；處理器產(chǎn)生SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)送到驅(qū)動(dòng)電路，信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路的隔離放大，送到主功率逆變電路；電流電壓采樣電路對(duì)輸出電流電壓隔離采樣，變成單片機(jī)可以采集的信號(hào)，準(zhǔn)確控制輸出電壓的大小.

2 主功率電路設(shè)計(jì)

由于直流母線電壓是400 V，而輸出交流電的有效值是220 V，其峰值達(dá)622 V.若采用半橋逆變電路，雖然它具有電路拓?fù)浜唵?、使用開關(guān)元器件少的特點(diǎn)，但由于其直流電壓利用率較低，導(dǎo)致輸出電壓不能達(dá)到220 V，需要升高母線直流電壓，因此不選用半橋逆變電路.對(duì)于推挽式逆變電路來說，雖然比全橋電路少用一半的開關(guān)器件，但由于器件所承受的電壓是電源電壓的兩倍，對(duì)開關(guān)器件的要求很高，因此推挽式逆變電路不合適.

全橋逆變電路相對(duì)于半橋逆變電路和推挽式逆變電路來說，雖然它需要的元器件較多，但這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流電壓利用率較高，不需要將直流電壓升得太高，并且在全橋電路中，每一只開關(guān)器件所承受的電壓也只是電源電壓.而多電平逆變電路大多用于高壓大功率場合，對(duì)于小功率的車載逆變電源來說，成本太高.因此，本文確定選用全橋逆變電路作為主功率電路.

如圖2所示，本文采用單相全橋逆變電路.當(dāng)輸出交流測帶阻感負(fù)載時(shí)，需要提供無功功率，因此在每一個(gè)開關(guān)管旁邊反并聯(lián)一個(gè)快恢復(fù)二極管，給無功功率提供通道[3].開關(guān)管在關(guān)斷時(shí)承受直流母線電壓，由于直流母線電壓為400 V，所以開關(guān)管的耐壓值至少不低于400 V.考慮到關(guān)斷電壓尖峰的影響，再取2～3倍的余量，所以開關(guān)管的耐壓取800 V以上.

3 濾波電路設(shè)計(jì)

為保證逆變輸出端交流電壓的正弦度，常在逆變輸出端串聯(lián)一個(gè)LC濾波器[4].目前，輸出濾波電路仍沿用由Zoble和Campbell提出的LC濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)方法.采用該方法進(jìn)行濾波時(shí)，使基波分量處于通帶內(nèi)，高次諧波處于阻帶內(nèi)，從而使高次諧波衰減，基波得以通過，達(dá)到濾波的目的[5].

如圖3所示，常用的濾波結(jié)構(gòu)有C形濾波電路、Г形濾波電路和π形濾波電路.由于Г形濾波電路使用元件少，具有低通濾波的特性，所以被廣泛應(yīng)用于中小功率逆變電源或大功率逆變電路中.本文選擇Г形濾波器作為逆變的輸出濾波器.

3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

單相逆變電源的額定功率為200 W，輸出正弦波為220 V/50 Hz，輸出采用Г型低通濾波器.下面確定Г形濾波器中電感、電容參數(shù).

(1) 確定特性阻抗ρ.根據(jù)輸出額定功率和額定電壓計(jì)算額定負(fù)載：

(1)

取ρ=0.5RL=121 Ω.

(2)確定截止頻率fc.在SPWM控制的逆變器中，高次諧波都來自載波，通常取載波頻率的5%～10%作為截止頻率.本文采用的波頻率為20kHz，所以截止頻率為1～2kHz，取截止頻率為2kHz.

(3)確定濾波電感和電容的值.濾波的電感和電容分別為:

(2)

(3)

由于逆變輸出調(diào)制波形中的高次諧波主要降在濾波電感兩端，因此增加電感量可更好地抑制低次諧波，但電感量的增大也會(huì)增加電感體積.同時(shí)，電感量的大小不僅影響穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓的波形，還會(huì)影響逆變器的動(dòng)態(tài)特性.電感量越大，逆變器的動(dòng)態(tài)性能越差，電感電流變化緩慢，波形畸變嚴(yán)重.減小電感量可以增加它的動(dòng)態(tài)性能，但會(huì)增加電感中電流的脈動(dòng)量.因此，電感值的選取需要進(jìn)行折中考慮.

輸出電容的選取原則是在保證輸出電壓波形畸變率(THD)的情況下盡可能小.電容與感一樣，選取原則都是從減少高次諧波出發(fā).從減小波形畸變率考慮，電容值越大越好.但濾波電容的加大會(huì)增加無功功率，使系統(tǒng)效率降低.綜合考慮，最終選定的實(shí)際電感為L=10mH，電容為C= 2μF.

3.2 電感設(shè)計(jì)

電感的一般設(shè)計(jì)步驟如下[6]：

(1) 根據(jù)電路拓?fù)錄Q定電路設(shè)計(jì)參數(shù)，如電感量L、滿載時(shí)電感電流IL、最大紋波電流ΔI等；

(2) 根據(jù)工作頻率和使用場合選擇合適的磁芯材料；

(3) 粗選磁芯的形狀和尺寸一般參照公司的產(chǎn)品手冊(cè)；

(4) 由所需電感量計(jì)算線圈匝數(shù)N.

本文選用EI40磁芯，其中柱面積(Ae)為1.48 cm2，每匝電感量(AL)為4.7 μF/N2,具體規(guī)格參數(shù)如圖4所示.上文已確定電感量為10 mH，根據(jù)電感匝數(shù)計(jì)算公式：

(4)

計(jì)算得圈匝數(shù)為46.1匝，取47匝.

根據(jù)要求，電感中流過的額定電流為0.9A，每平方毫米可以流過的安全電流為3A.因此，選用單股直徑為1mm的漆包線，其橫截面積為0.785mm2.47匝漆包線所需要的面積為36.89mm2，磁芯的窗口面積為174.3mm2.窗口系數(shù)的利用率一般控制在20%～40%，所以可利用面積為34.86～69.72mm2，可以繞下47匝線圈.因此，電感最終確定電感量為10mH，選用EI40磁芯，用直徑為1mm漆包線繞47匝.

4 性能測試

全橋逆變器同一橋臂的MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖5所示.

由圖5可知，驅(qū)動(dòng)信號(hào)正常.加上直流電進(jìn)行測試，相關(guān)的測試波形如圖6所示.

從圖6可以看出，逆變器的輸出電壓波形在空載到滿載變化過程中，輸出電壓的幅值有些衰減，但輸出電壓的波形基本保持平滑.

5 結(jié) 論

本文對(duì)小功率車載逆變器進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)，并對(duì)其主功率電路進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)輸出濾波器的電感電容參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)波形表明，本文設(shè)計(jì)的車載逆變器具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，在空載和滿載工況下，輸出電壓波形具有較好的正弦度.

[1]李棟，易映萍，謝明，等.基于HPWM調(diào)制技術(shù)的車載逆變器設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2016，40(1)：180-183.

[2]鄧嘉，張輝，馬皓.基于PIC單片機(jī)車載逆變電源逆變器的研究[J].機(jī)電工程，2008，25(6)：88-90.

[3]洪寶棣，錢珊珠，田德.風(fēng)電逆變器的研究與設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，28(1)：117-120.

[4]洪寶棣，趙罡，蘇亞南，等.基于SG3524車載逆變電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，36(4)：96-99.

[5]鄭昕昕，肖嵐，王長寶，等.三相變流器LCL濾波器參數(shù)優(yōu)化新方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(12)：55-63.

[6]陸慶，張建，鄭崇偉，等.LCL濾波器參數(shù)性能的比較[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38(2)：121-123.

[責(zé)任編輯 高俊娥]

A Research on Small Power Vehicle Mounted Inverter

LI Kaicheng1, XUN Qian1, XUN Boyang2, FU Yanbin1, ZHANG Yinxin1

(1.School of Engineering, Huzhou University, Huzhou 313000, China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China)

The overall design scheme of the full-bridge inverter is designed based on the vehicle inverter power supply. The power circuit of the inverter is studied, and in order to ensure the AC voltage at the output terminals of the inverter has good sine wave, parameter design of the LC filter of the inverter is discussed, as well as the inductor design. Finally, the paper gives the experimental results and waveform analysis, and the experimental results show that the small power vehicle inverter has good dynamic and steady performance.

vehicle mounted inverter; LC filter; low power; steady performance

2016-06-07

湖州市“公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃”項(xiàng)目(2015GZ05);湖州師范學(xué)院“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目 (2016-137).

荀倩，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng).E-mail：xunq520@hotmail.com

TM464

A

1009-1734(2017)02-0037-05