文/李興 龍楊帆 陳文光 饒益花 黃暢

逆變技術(shù)是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的一種技術(shù)，而目前國(guó)內(nèi)主要實(shí)現(xiàn)的是輸入恒定的逆變電源，對(duì)于輸入可變的逆變電源還有所欠缺。但對(duì)于一些發(fā)電設(shè)備而言，輸入功率往往是變化的而非恒定的，這時(shí)對(duì)于如何設(shè)計(jì)一種寬電壓輸入逆變輸出可調(diào)的逆變器成為需求?，F(xiàn)需設(shè)計(jì)一個(gè)直流輸入為10～32V，輸出為頻率50～100Hz步長(zhǎng)為1Hz可調(diào)的15～20Vrms正弦波逆變器。本文為此提供了一種寬電壓輸入、輸出電壓頻率可調(diào)的低功率逆變器設(shè)計(jì)思路。

1 硬件部分

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到輸入為寬輸入的直流電，輸出為幅值頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)的逆變交流電。因此想到先利用DC-DC斬波電路，將直流電變換為母線電壓恒定的直流電，再將電壓幅值恒定的直流電輸入到單相橋式逆變電路以達(dá)到DC-AC的變換。

圖1：系統(tǒng)框圖

如圖1所示，為提高電路效率，系統(tǒng)由同步Buck-Boost串聯(lián)和全橋構(gòu)成升降壓逆變主電路，采用STM32F407作為控制器，通過(guò)信號(hào)采集電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電壓閉環(huán)控制和FFT電參數(shù)分析和穩(wěn)壓變頻，電路保護(hù)和參數(shù)顯示。

1.2 DC-DC主拓?fù)?/h3>

對(duì)于常見(jiàn)的升降壓電路有：Sepic、Cuk、Zeta變換器、反激性變換器等，其輸入與輸出之間的關(guān)系式均滿足：

Sepic、Cuk、Zeta變換器均為兩級(jí)變換器，其效率為前級(jí)與后級(jí)之積和單級(jí)變換器相比其效率明顯降低。反激性電路雖然為單級(jí)變換器，但其有電能到磁能再到電能的能量變換，在能量的變換過(guò)程中必有能量的損耗。因此利用Buck-Boost相串聯(lián)，以提高斬波變換效率。

表1：50Hz實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

表2：75Hz實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

圖2：DC-DC主拓?fù)潆娐?/p>

Buck-Boost的主拓?fù)淙鐖D2所示，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)升降壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，可看成是 Buck與 Boost 串聯(lián)而成，給Q4常閉信號(hào)，Q1、Q2按照降壓型變換器的工作方式工作，該電路能實(shí)現(xiàn)降壓功能；工作在升壓狀態(tài)時(shí)則要求Q2始終截止，Q1始終導(dǎo)通，利用同步整流提高變換效率，用可控MΟSFET代替?zhèn)鹘y(tǒng)二極管，即可實(shí)現(xiàn)升降壓功能，且效率較高。

對(duì)應(yīng)在Buck模式下輸入與輸出電壓關(guān)系為：

Boost模式下輸入與輸出電壓關(guān)系為：

辛娜仍沒(méi)動(dòng)靜，王樹(shù)林穿著一條褲衩出了浴房。你干嗎呢？還不快點(diǎn)。人就跟著話音進(jìn)了臥室。辛娜坐在床沿背對(duì)著他，肩頭聳動(dòng)。辛娜在刷屏。這兩年辛娜的熱情都交給了手機(jī)，交給了手機(jī)里的聊天和微信，或許還有某個(gè)人。每個(gè)人都有自己的生活空間，別人無(wú)權(quán)干涉。這句話總被辛娜掛在嘴邊，貌似成立，但采購(gòu)助理王樹(shù)林覺(jué)得網(wǎng)絡(luò)上的虛擬空間無(wú)時(shí)不刻不在侵占現(xiàn)實(shí)生活，擠壓了現(xiàn)世男女平靜平凡的生活空間。網(wǎng)絡(luò)借助手機(jī)阻隔了原本簡(jiǎn)單直接的交流通道，變得復(fù)雜虛幻甚至是言不由衷起來(lái)。餐廳里，就餐的三人五人甚至一桌人不是早就放棄喁喁交談竊竊私語(yǔ)莫不采用相同的雕塑般的姿態(tài)垂首顧屏嗎？

Buck-Boost模式下輸入與輸出電壓關(guān)系為：

當(dāng)輸入為10～32V時(shí)，為使最終輸出正弦電壓能夠達(dá)到有效值為15Vrms，三端穩(wěn)壓，保證DC-DC斬波部分恒定輸出為26V。

對(duì)于同步升降壓電感L的計(jì)算，同步BΟΟST依舊可在普通BΟΟST基礎(chǔ)上計(jì)算電感。逆變輸出電壓有效值為Vrms，輸出最大電流有效值為irms，可得最大升壓,最大輸出電流輸入電壓10～32V，選取開(kāi)關(guān)頻率f=20kHz，占空比D=(Vmax-Vin)/Vmax。取電流紋波率r=0.4，由公式同時(shí)為保證余量，本設(shè)計(jì)選擇L=1200uH，可用鐵硅鋁磁芯繞制電感。

1.3 全橋逆變電路

對(duì)于逆變電路采用單相全橋逆變電路，橋管全部采用MΟSFET，以達(dá)到全控和提高效率的作用。利用SPWM波和LCL濾波電路，最終得到正弦波逆變器，再采用電壓環(huán)使輸出始終維持在15Vrms。

如圖3所示，SPWM生成采用規(guī)則采樣法，由經(jīng)采樣的正弦波與三角波相交，由交點(diǎn)得出脈沖的寬度。這種方法只在三角波頂點(diǎn)位置或底點(diǎn)位置對(duì)正弦波采樣而形成階梯波?？刂破髦型ㄟ^(guò)改變定時(shí)器周期改變載波頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)頻,改變定時(shí)器輸出的PWM占空比，得到成正弦規(guī)律變化的SPWM波。再經(jīng)過(guò)LC濾波即可得到波形較好的正弦交流電。

對(duì)于全橋?yàn)V波電感電容的計(jì)算，設(shè)濾波器的截止頻率為F。濾波電感L取得過(guò)大將引起過(guò)大的基波輸出電壓降，取得太小，流過(guò)濾波器電感的最大諧波電流也就越大，可取濾波電感L2。由此可計(jì)算濾波電容C=1/(4π2*F2*L2)，為達(dá)到更好的濾波效果，電容類型可使用CBB電容。

2 軟件部分

系統(tǒng)程序由兩部分構(gòu)成：主函數(shù)循環(huán)、SPWM中斷服務(wù)函數(shù)。主函數(shù)負(fù)責(zé)人機(jī)交互，顯示和電路狀態(tài)響應(yīng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行FFT分析和數(shù)字PΙD閉環(huán)調(diào)節(jié)。SPWM中斷服務(wù)函數(shù)通過(guò)正弦表查詢實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)逆變。主函數(shù)流程圖如圖4所示。

圖3：全橋逆變示意圖

圖4：主函數(shù)流程圖

圖5：降壓工作示意圖

圖6：降壓時(shí)序示意圖

圖7：升壓工作示意圖

而對(duì)于DC-DC的控制程序可分為降壓控制、升壓控制以及升降壓控制。

（1）降壓工作原理：Q3常閉，Q4常開(kāi)，Q1、Q2交替開(kāi)通就構(gòu)成了一個(gè)同步降壓電路拓?fù)?，與典型降壓電路的計(jì)算公式一樣滿足 Vout=D×Vin。降壓工作示意與時(shí)序如圖5、6所示。

（2）升壓工作原理：其中Q1常通，Q2常閉，Q3、Q4交替開(kāi)通關(guān)斷，構(gòu)成了一個(gè)同步升壓電路拓?fù)?，與典型升壓電路的計(jì)算公式一樣滿足Vout=Vin/(1-D)。升壓工作示意與時(shí)序如圖7、8所示。

（3）升降壓工作原理：設(shè)Buck占空比為D1，Boost占空比為D2，則升降壓電路滿足Vout=D1×Vin/(1-D2)，設(shè)D1占空比恒為80%，D2占空比從0.05到0.45可調(diào)，則輸出電壓與輸入比值范圍從0.85到1.45。升降壓工作時(shí)序如圖9所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)輸出為15V、50Hz、2A時(shí)，其結(jié)果如表1和圖10所示。

電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率分別為0.018636%、0.027333%。

當(dāng)輸出為15V、75Hz、2A時(shí)，其結(jié)果如表2和圖11所示。

電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率分別為0.010000%、0.014667%。

4 結(jié)論

本文提供了一種寬電壓輸入、輸出電壓幅值頻率可調(diào)的低功率逆變器設(shè)計(jì)思路，DC-DC部分采用Buck與Boost串聯(lián)，提高了逆變器效率。利用PΙD調(diào)節(jié)通過(guò)降壓、升壓與升降壓三種模式保證了直流母線電壓恒定。使用規(guī)則采樣法的SPWM生成成正弦規(guī)律變化的SPWM波，再經(jīng)過(guò)LCL濾波得到波形較好的正弦波，輸出頻率在一定范圍可調(diào)高效，低THD的逆變器。

圖8：升壓工作時(shí)序圖

圖9：升降壓工作時(shí)序圖

圖10：50Hz效率曲線

圖11：75Hz效率曲線