小型数字升压逆变器设计开题报告

全文总字数：7522字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究背景

逆变器是把直流电能转变成定频定压或调频调压交流电的转换器。它在日常生活以及工业生产中得到了大量的应用。我们的家用电器如空调、洗衣机、冰箱等都使用了逆变装置。在能源方面，由于传统能源的大量消耗，各国开始转向新能源研究与使用，而逆变技术就是最关键的技术之一。逆变器在消除市电谐波污染等领域也起到关键性作用，给人类的生活生产带来安全保障。在这样一个电子产品盛行的时代，我们对逆变器的需求也越来越多。

1.2逆变器在国内外的发展及现状

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

2.1.1课题基本要求

设计一款级联型、输出10W的小功率数控变频逆变器。针对直流12V输入交流100V输出的DC-AC升压逆变进行以下技术的研究,其中DC-DC升压部分主要包括全桥变换器的升压原理与设计、MOSFET驱动电路设计、全桥变换器建模、数字变频、MATLAB升压仿真设计。最后对设计电路进行测试。

1，逆变器总体结构设计，要求采用升压和全桥逆变两级变换；

2，各个元件的选型和参数的确定；

3，Boost电路的设计与仿真；

4，单相全桥逆变电路的设计与仿真；

5，通过仿真结果，分析设计的逆变器的合理性

2.1.2设计的准备工作

本设计主要是进行小型数字升压逆变器的设计，在进行本设计之前，要进行一些准备工作。

1.查询逆变器的发展历史和研究现状，复习逆变器相关知识点（逆变器的基本结构、形式以及主要技术指标等）。

2.阅读所提供的必须参考文献，并查找课题相关的其他文献，获取相关知识点。

3.查询常见的逆变电路种类，并根据本设计相关要求，初步确定本设计所采用的逆变电路形式。

2.2设计目标

1.查阅中英文参考文献，获取本设计相关知识点，并对所查询资料与知识点进行整理修改。

2.完成与本课题相关的英文文献翻译工作，并完成开题报告。

3.根据要求并结合所学课程初步确定设计方案，然后复核初步方案中可能存在的不足，并对其进行修改。

4.设计逆变器各组成部分的电路，并筛选合适的元器件，然后根据要求计算元器件参数。

5.对设计方案进行整体评估，评估完成后可进行逆变器模型搭建与仿真工作。

2.3设计的基础知识点

1.了解并掌握逆变器基本组成结构与基本元器件。

（1）逆变器的基本结构

逆变器的直接功能是将直流电能变换成为交流电能，逆变装置的核心，是逆变开关电路，简称为逆变电路。该电路通过电力电子开关的导通与关断，来完成逆变的功能。电力电子开关器件的通断，需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可能通过改变一个电压信号来调节。产生和调节脉冲的电路。通常称为控制电路或控制回路。逆变装置的基本结构，除上述的逆变电路和控制电路外，还有保护电路、输出电路、输入电路、输出电路等。如图2.1所示。

图2.1 逆变器基本结构图

（2）逆变器的主要元器件

①半导体功率开关器件。主要有可控硅晶闸管大功率晶体管功率场效应管及功率模块等。

②逆变驱动和控制电路。传统的逆変器电路是用许多的分离元件和模拟集成电路等构成的,这种电路结构元件数量多、波形质量差、控制电路繁琐复杂。随着逆变技术高效率、大容量的要求和逆変技术复杂程度的提高,需要处理的信息量越来越大,而微处理器和专用电路的发展,满足了逆变器技术发展的要求逆变驱动电路。光伏系统逆变器的逆変驱动电路主要是针对功率开关器件的驱动,要得到好的PWM脉冲波形,驱动电路的设计很重要。随着微电子和集成电路技术的发展许多专用多功能集成电路的陆绩推出,给应用电路的设计带来了极大的方便,同时也使逆变器的性能得以极大的提高。如各种开关驱动电路SG3524、SG3525、T494、IR2130、TLP50在逆变器电路中得到广泛应用。逆变控制电路。光伏逆变器中常用的控制电路主要是对驱动电路提供符合要求的逻辑与波形,如PWM、SPWM控制信号等,从8位的带有PWM口的微处理器到16位的单片机,直至32位的DSP器件等,使先进的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制技术、模糊逻辑控制技术等在逆变器中得到应用。在逆变器中常用的微处理器电路有MP16、8XC196MC、PIC16C73、68HC16、NB90260、PD78366、SH7034、MS7704、MB70等,常用的专用数字信号处理器(DSP)电路有TMS320F206、TMS320F240、NM586XX等。

2.了解逆变器各个组成电路。

分别了解输入电路、逆变电路、输出电路、保护电路、控制电路、辅助电路的基本结构，然后对逆变器的组成电路进行设计，得出各部分的电路图。

(1)输入电路部分在系统的最前端，可接收各种电池或者供电设备输出的直流电压。

(2)逆变部分，主电路主要是由功率开关器件组成的，根据类型不同可分为降压变换、升压变换、降压-升压、升压-降压等多种不同形式，可对应于不同的需求进行具体选择。

(3) 输出部分，输出部分一般包括了滤波电路和隔离电路，这样保证输出电压的稳定性。

(4) 保护部分，保护电路中主要是包括了过压保护，欠压保护，过载保护以及过流保护等多种情况。防止电压或者电流超出范围给电路器件或者是用电设备造成的损失，在一般应用中，可以根据实际需要选择相应的保护电路，在必要的情况下，也可以选择全部保护形式，当然，代价是电路更加复杂，功耗也可能更大。

(5) 控制部分，控制部分主要是由主控芯片产生一系列一定宽度的脉冲信号，输出到驱动电路，驱动电路控制功率开关，控制其开启与截止，从而得到输出电压。

3.了解并掌握逆变器的主要技术指标

对一个逆变器来说，要对其进行衡量，有很多比较常用的参数指标，在不同情况下，需要根据不同的参数来选择或设计逆变器。这些指标主要包括：

（1）额定容量，即纯电阻负载情况下，额定输出电压与电流之积；

（2）额定功率，即额定容量与效率的乘积；

（3）功率因数，即有功功率与容量的比值；

（4）逆变效率，即逆变器输出功率和输入功率之间的比值，效率越高，说明输入功率的利用率越大；

（5）电压调整率，即输入电压的变化对输出电压的影响情况；

（6）负载调整率，即负载的变化对输出的影响；

（7）总谐波畸变THD，即各高次谐波的有效值的总和与基波有效值之间的比值，THD越高，说明谐波畸变越大。

2.4设计方案

1.对上述文献以及知识点进行总结，获取有用的信息。并根据升压逆变器的常见结构勾勒出本设计电路图的主体结构。

2.对电路的每个部分进行设计，分步完成电路图的设计。其中包括:

（1）DC-DC升压变换电路

基础的升压斩波电路原理图如2.2所示。其工作原理为：假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I₁，电容C向负载R供电，输出电压U_o恒定。V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。根据该原理图并结合要求设计出DC-DC全桥升压变换电路。

图2.2 升压斩波电路

（2）DC-AC逆变电路

逆变电路有许多种类，常见的有电压型和电流型，下图分别为电压型逆变电路和电流型逆变电路。

图2.3单相半桥电压型逆变电路

图2.4单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路

（3）MOSFET驱动电路、数字变频

根据升压变换器与逆变电路设计出驱动电路与数字变频部分。

目前常用的控制芯片中有模拟和数字两类控制器。其中，模拟类芯片用的比较多的有SG3525等，能够产生频率可调的PWM波，且波形稳定，但使用这类控制芯片只能通过设置周围的电阻和电容值来控制频率。而数字控制目前常见有单片机、DSP、ARM 等，他们可通过修改程序就可以实现频率的改变，而不需要像模拟控制器一样，通过改变电容和电阻，这对于一些固定的设备需要改变指标时带来了很大的方便。数字控制器对周围的电磁环境有较高的要求。由于本设计为小功率逆变器，电磁干扰较小，故对于数字控制器有较本设计为小功率逆变器，电磁干扰较小，故对于数字控制器有较小的影响，故采用数字控制器作为PWM发生器，控制输出频率。

3.对上述分电路进行修改整合。设计出整体电路图。

4.进行元器件选型与参数设计。

根据所设计电路，并结合课题要求，选择合适的元器件型号，并根据相应数据，计算出元器件参数理论值，然后设置合理的参数值。

5.建模仿真。使用MATLAB搭建出电路图所对应的模型，并对其中的元器件赋予相应的参数值，最后进行仿真操作，观察所得波形图，并与理论波形图进行对比，以此确定设计是否成功。

3. 研究计划与安排

3.进度安排

第1~3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需设计软件。确定方案，完成文献翻译工作与开题报告。

第4~5周：复习课本相关知识，验证设计方案可行性。

4. 参考文献（12篇以上）

4.参考文献

[1]王兆安.电力电子技术（第五版）[m].北京：机械工业出版社，2009，5.

[2]陈坚.电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）[m].北京：高等教育出版社，2004，6.