改进型DC?AC电路分析与实现
2014-08-29蒋大玉张一斌李森涛
蒋大玉+张一斌+李森涛
摘 要: 为改善传统DC?AC系统功率小、效率低、系统自身损耗大等缺陷,提出了一种改进型的DC?AC系统实现方案,引入对称式电压控制型MOS型开关管推挽工作、软开关驱动MOS管方案替代机械开关(如继电器)、三极管(BJT)、可控硅(SCR)等传统设计方案,改进的电路系统稳定性强、效率高、系统自身损耗极小。对电路进行工作原理分析,通过PSpice仿真软件评估控制电路可行性并通过实验验证电路的实际使用及可靠性。
关键词: DC?AC系统; 可控硅; 开关管; 软开关
中图分类号: TN710?34; TL503.5 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2014)15?0139?03
Analysis and implementation of improved DC?AC circuits
JIANG Da?yu, ZHANG Yi?bin
(Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China)
Abstract: For improving the defects of the traditional DC?AC system with low power, low efficiency and high loss, a scheme of the improved DC?AC system is presented. The symmetric voltage controlled MOS switch tube push?pull work mode and the scheme that MOS is driven by soft switch tube were adopted instead of mechanical switch (such as relay), triode (BJT) and silicon controlled rectifier (SCR) in the traditional design scheme. The improved circuit system has high stability, high efficiency and low loss. The working principle of the circuit is analyzed. The PSpice?simulation software was used to evaluate the feasibility of the control circuit. The reliability of the circuit was verified by experiment.
Keywords: DC?AC systems; SCR; switch tube; soft switch
0 引 言
对现代科技而言,电源是所有电路的能量来源,是电子设备和机电设备的基础。现行电工电子设备的正常使用都需要电源设备的支持。现行的电能变换电路主要有以下四类:AC/DC,DC/AC,DC/DC,AC/AC。各种电路有其各自的特点、功能及应用领域。本文主要讨论的是DC/AC变换电路。
现行的DC/AC变换电路一般采用机械开关(如继电器)、三极管(BJT)、可控硅(SCR)等器件控制电路导通、关断时存在跳变沿(上升沿或下降沿),此时,电路中的开关器件两端同时存在电流、电压,器件产生能量损耗,降低了系统效率。而大功率开关管即使能承受较大的电流、电压,却存在体积大、价格高、自身的功率消耗大等缺点限制了实际应用。
由于以上的缺陷,导致现行的DC/AC变换电路存在功率小、效率低、系统自身损耗大的不足。为此,本文提出引入对称电压控制型MOS开关管推挽工作、软开关驱动MOS管的方案。由于MOS管是压控器件,所以MOS管只需保证栅极(G极)与源极(S极)电压[UGS>UGS(th)]即可使MOS管导通。此外,MOS管导通电阻极小,软开关的驱动方式使得开关管的自身损耗进一步减小,电路输出级的推挽工作方式使得系统的功率进一步提高。
1 电路对比分析
1.1 传统电路分析
传统的DC/AC变换电路多采用机械开关(如继电器)、三极管(BJT)、可控硅(SCR)等器件控制电路的通断。此处,以传统的电压型单相半桥逆变电路为例进行分析比较,其主电路结构如上图1(a) 所示,它由两个导电臂组成,每个臂由可控开关器件和二极管反向并联组成双向不对称开关,感应负载 [R0,][L0]分别连接A,B两点间,当[CD1=CD2=CD,]电容量足够大时可认为[UD1=UD2=UD2。]
开关器件的控制电压[Ub1]和[Ub2]为脉宽π的方波,并互差π的电角度,如图1(b) 所示,上下臂的可控开关轮流导通,理想情况下,忽略方波的边沿跳变时间,则VT1,VT2再不会出现同时导通的现象。对开关管的驱动现在普遍采用脉冲宽度调制(PWM)或正弦脉冲宽度调制(SPWM)波。若忽略元器件本身压降和换向所占的时间,则输出电压[u0]的大小为:
[U0=UD2,VT1或VD1导通-UD2,VT2或VD2导通] (1)
图1 电压型单相半桥逆变电路
此时,若负载呈感性,则负载电流将按指数曲线规律交变,负载电流的变化滞后电压的变化,当负载电压[u0]改变极性时,负载电流[i0]将延迟一段时间才能改变极性,因而在不同的时区中,[u0]和[i0]将存在同向和反向两种关系[1],如图1(b)所示。
如上分析可知该电路将稳定的直流能量转换为变化的交流能量,即实DC?AC的转换。但实际使用时,由于上、下BJT管在任意时刻的电压与电流的之积总不为零,而且BJT管为电流控制型器件,动态电阻大,自身损耗大,电路效率低,且性能受温度影响大,实际输出由方波至正弦波输出端也存在部分能量损失。
若要使输出部分在正常输出情况下就为正弦波,则需要采用SPWM脉宽调制方波驱动开关管,使输出波形基本接近正弦波输出。
1.2 改进型电路拓扑分析
为克服以上缺陷,提出了使用MOS管作为开关控制器件,驱动波形与输出端使用振荡电路产生的正弦波替代传统的方波,并使开关管工作在软开关状态,进一步减小开关管在使用中的能量损耗。具体电路拓扑如图2所示。
拓扑图中,主电源、辅助电源为电路提供能量,在实际电路中,采用单电源供电,辅助电源采用DC?DC降压芯片直接获取所需的电源值。改进的电路将振荡回路与换能回路共用一个交感线圈,图中的辅助电源为开关管提供静态电压,与振荡部分的交流信号叠加共同控制开关管1与开关管2的通关。图中的单向器件部分是避免开关管1与开关管2同时导通,保证两个开关管工作在软开关状态,避免造成不必要的开关损耗。
图2 电压型单相半桥逆变电路
1.3 改进型电路拓扑分析
本次采用的主电路部分如图3所示。振荡部分采用的是改进型电容三点式振荡电路,由于干路电感的电流不能突变,在上电瞬间,对应的MOS管导通,干路电感会感应出一个与电源电压相当的电动势,会使MOS管电流由0开始缓慢增加,而不会全部电压施加于导通的MOS管。MOS管[Q1,][Q2]呈现互锁的状态,导通程度高的MOS管会使另外一个管子的栅极电压继续拉低,以至完全截止,而其自身则会至完全导通。
图3 电压型单相半桥逆变电路
由于电路中引入振荡电路,所以在振荡信号的作用下,MOS管会交替导通,形成周期性的振荡。一个周期内,选通不同的开关管,主电源即可通过导通的开关管与变压器初级线圈构成回路,从而在次级线圈上产生相应的感应电压,即实现DC?AC转换。由于变压器初级电压为正弦波电压,则变压器初级电压与主电源电压关系为:
[2×0πAsin xdxπ=VCC] (2)
式中:[A]为变压器初级电压幅值;[VCC]为主电源电压值,求解积分方程后知二者的关系式为:
[A=π?VCC] (3)
电路中的功率变换部分为推挽输出方式,主电源为功率级电源,通过干路的电感线圈与变压器的初级相连,振荡回路产生的正弦波由开关管Q1,开关管Q2分别放大其前半周期、后半周期,通过在一个周期内不同时刻选通不同的MOS管从而实现DC?AC变换。
分析电路拓扑知,变压器功率变换部分的交流电压变换呈现正弦波变化,因此次级线圈的感应电压也呈正弦波变化,与传统逆变电路相比,在功率的变换部分减少了有脉冲方波向正弦波变换环节,减少了变换时的能量损耗。在输出端设置了两路输出,一路为未整流的交流输出,一路为全波整流后的直流输出。
由于交流输出端为正弦波电压输出,所以可以通过修正电路参数、变频技术使输出的电压变换为50 Hz,220 V正弦波输出直接给予用电器供电。因为开关管被控制在软开关状态,所以其自身损耗极小,在实际电路工作时可以不加或外加较小的散热片即可保证电路的正常工作。为提高输出功率,在主开关管Q1,Q2两端可并联与之相匹配的MOS管用以提高初级线圈的最大电流,进而提高系统的输出功率。
2 仿真及实验研究
对传统的逆变电路,采用SPWM波形驱动开关管来获得类似正弦波的输出波形,其基本波形分析如图4所示。
图4 单、双极性SPWM波形
由图3可知,在一个正弦波输出周期内,采用SPWM波驱动需使驱动方波跳变多次,而且输出正弦波的好坏与其跳变次数呈正相关关系,而开关管的自身损耗大部分是在驱动波形发生跳变时产生,进而降低电路效率。因此传统的逆变电路很难做到电路效率高、输出正弦度好。
对改进后的电路采用PSpice软件仿真,通过搭建模拟电路仿真结果如图5所示。
图5(a)中,上、下两路波形分别为两个主开关管的驱动波形,图5(b)为将其翻转拼合后的整体波形,图5(c)为电路的输出波形,其为较标准的正弦波输出。
由图5分析可知,在一个正弦波周期内,两个主开关管交替导通一次且工作于软开关状态,交叠部分面积极小,即主开关的自身发热极小,相对于传统的SPWM驱动方式而言,开关管的自身损耗大幅减少,有效提高电路效率。实际电路得到的输出波形如图6所示,与仿真结果一致。
图5 电压型单相半桥逆变电路
图6 实际电路输出波形
3 结 论
本文提出了一种改进型DC?AC逆变电路的实现方案。利用控制工作软开关状态的MOS管通断实现直流至交流的转换。由仿真和实验结果知,改进的DC?AC逆变方案是可行的,它与传统的逆变电路相比,能有效地提高电路效率及减少开关管的损耗,改进的电路使开关管处于软开关状态,仿真结果中得到的输出波形的正弦度较好,实际电路中得到的输出波形与仿真结果一致。预期本电路可用于简单的逆变系统和直流变换装置中。可引入微控制单元(MCU)实现智能控制,为进一步提高电路的性能、提高系统稳定性、简化电路的使用,具有更高的推广价值。
参考文献
[1] 杨碧石.电源设备中AC/DC和DC/AC变换电路[J].南通职业大学学报,2001(1):15?18.
[2] 钱照明,张军明,昌征宇,等.我国电力电子与电力传动面临的机遇与挑战[J].电工技术学报,2004,19(8):10?22.
[3] 陈荣.基于升降压斩波电路的三相DC/AC逆变器研究[J].电子器件,2013(3):401?403.
[4] 王议锋,徐殿国,王懿杰,等.CLCL谐振软开关DC?AC变换器[J].电子技术学报,2013(4):56?60.
[5] 吴卫民,汤天浩,彭青松,等.两电平自然软开关AC/DC/AC变流器[J].电工技术学报,2008(3):47?51.
[6] 商同,刘兴荣,杨伟东.一种新型实用、性能稳定的正弦波发生器[J].计量技术,1998(6):32?35.
[7] 张伟龙,谢新胜,李帅.PWM SPWM的应用与PSIM仿真[J].科技视界,2013(30):97?98
[8] 汤定德.一种易忽略的单、双极性SPWM波产生电路[J].计量技术,2013(31):49?50.
[9] 张友军.DC/AC逆变器技术及其应用综述[J].电气开关,2004(6):18?22.
[10] DOU Chun?xia, ZHAO Fang, JIA Xing?bei, et al. H∞robust control of DC?AC interfaced microsource in microgrids [C]// 2011 IEEE Power Engineering and Automation Conference. Wuhan, China: IEEE, 2011, 2: 478?485.
如上分析可知该电路将稳定的直流能量转换为变化的交流能量,即实DC?AC的转换。但实际使用时,由于上、下BJT管在任意时刻的电压与电流的之积总不为零,而且BJT管为电流控制型器件,动态电阻大,自身损耗大,电路效率低,且性能受温度影响大,实际输出由方波至正弦波输出端也存在部分能量损失。
若要使输出部分在正常输出情况下就为正弦波,则需要采用SPWM脉宽调制方波驱动开关管,使输出波形基本接近正弦波输出。
1.2 改进型电路拓扑分析
为克服以上缺陷,提出了使用MOS管作为开关控制器件,驱动波形与输出端使用振荡电路产生的正弦波替代传统的方波,并使开关管工作在软开关状态,进一步减小开关管在使用中的能量损耗。具体电路拓扑如图2所示。
拓扑图中,主电源、辅助电源为电路提供能量,在实际电路中,采用单电源供电,辅助电源采用DC?DC降压芯片直接获取所需的电源值。改进的电路将振荡回路与换能回路共用一个交感线圈,图中的辅助电源为开关管提供静态电压,与振荡部分的交流信号叠加共同控制开关管1与开关管2的通关。图中的单向器件部分是避免开关管1与开关管2同时导通,保证两个开关管工作在软开关状态,避免造成不必要的开关损耗。
图2 电压型单相半桥逆变电路
1.3 改进型电路拓扑分析
本次采用的主电路部分如图3所示。振荡部分采用的是改进型电容三点式振荡电路,由于干路电感的电流不能突变,在上电瞬间,对应的MOS管导通,干路电感会感应出一个与电源电压相当的电动势,会使MOS管电流由0开始缓慢增加,而不会全部电压施加于导通的MOS管。MOS管[Q1,][Q2]呈现互锁的状态,导通程度高的MOS管会使另外一个管子的栅极电压继续拉低,以至完全截止,而其自身则会至完全导通。
图3 电压型单相半桥逆变电路
由于电路中引入振荡电路,所以在振荡信号的作用下,MOS管会交替导通,形成周期性的振荡。一个周期内,选通不同的开关管,主电源即可通过导通的开关管与变压器初级线圈构成回路,从而在次级线圈上产生相应的感应电压,即实现DC?AC转换。由于变压器初级电压为正弦波电压,则变压器初级电压与主电源电压关系为:
[2×0πAsin xdxπ=VCC] (2)
式中:[A]为变压器初级电压幅值;[VCC]为主电源电压值,求解积分方程后知二者的关系式为:
[A=π?VCC] (3)
电路中的功率变换部分为推挽输出方式,主电源为功率级电源,通过干路的电感线圈与变压器的初级相连,振荡回路产生的正弦波由开关管Q1,开关管Q2分别放大其前半周期、后半周期,通过在一个周期内不同时刻选通不同的MOS管从而实现DC?AC变换。
分析电路拓扑知,变压器功率变换部分的交流电压变换呈现正弦波变化,因此次级线圈的感应电压也呈正弦波变化,与传统逆变电路相比,在功率的变换部分减少了有脉冲方波向正弦波变换环节,减少了变换时的能量损耗。在输出端设置了两路输出,一路为未整流的交流输出,一路为全波整流后的直流输出。
由于交流输出端为正弦波电压输出,所以可以通过修正电路参数、变频技术使输出的电压变换为50 Hz,220 V正弦波输出直接给予用电器供电。因为开关管被控制在软开关状态,所以其自身损耗极小,在实际电路工作时可以不加或外加较小的散热片即可保证电路的正常工作。为提高输出功率,在主开关管Q1,Q2两端可并联与之相匹配的MOS管用以提高初级线圈的最大电流,进而提高系统的输出功率。
2 仿真及实验研究
对传统的逆变电路,采用SPWM波形驱动开关管来获得类似正弦波的输出波形,其基本波形分析如图4所示。
图4 单、双极性SPWM波形
由图3可知,在一个正弦波输出周期内,采用SPWM波驱动需使驱动方波跳变多次,而且输出正弦波的好坏与其跳变次数呈正相关关系,而开关管的自身损耗大部分是在驱动波形发生跳变时产生,进而降低电路效率。因此传统的逆变电路很难做到电路效率高、输出正弦度好。
对改进后的电路采用PSpice软件仿真,通过搭建模拟电路仿真结果如图5所示。
图5(a)中,上、下两路波形分别为两个主开关管的驱动波形,图5(b)为将其翻转拼合后的整体波形,图5(c)为电路的输出波形,其为较标准的正弦波输出。
由图5分析可知,在一个正弦波周期内,两个主开关管交替导通一次且工作于软开关状态,交叠部分面积极小,即主开关的自身发热极小,相对于传统的SPWM驱动方式而言,开关管的自身损耗大幅减少,有效提高电路效率。实际电路得到的输出波形如图6所示,与仿真结果一致。
图5 电压型单相半桥逆变电路
图6 实际电路输出波形
3 结 论
本文提出了一种改进型DC?AC逆变电路的实现方案。利用控制工作软开关状态的MOS管通断实现直流至交流的转换。由仿真和实验结果知,改进的DC?AC逆变方案是可行的,它与传统的逆变电路相比,能有效地提高电路效率及减少开关管的损耗,改进的电路使开关管处于软开关状态,仿真结果中得到的输出波形的正弦度较好,实际电路中得到的输出波形与仿真结果一致。预期本电路可用于简单的逆变系统和直流变换装置中。可引入微控制单元(MCU)实现智能控制,为进一步提高电路的性能、提高系统稳定性、简化电路的使用,具有更高的推广价值。
参考文献
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[4] 王议锋,徐殿国,王懿杰,等.CLCL谐振软开关DC?AC变换器[J].电子技术学报,2013(4):56?60.
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[10] DOU Chun?xia, ZHAO Fang, JIA Xing?bei, et al. H∞robust control of DC?AC interfaced microsource in microgrids [C]// 2011 IEEE Power Engineering and Automation Conference. Wuhan, China: IEEE, 2011, 2: 478?485.
如上分析可知该电路将稳定的直流能量转换为变化的交流能量,即实DC?AC的转换。但实际使用时,由于上、下BJT管在任意时刻的电压与电流的之积总不为零,而且BJT管为电流控制型器件,动态电阻大,自身损耗大,电路效率低,且性能受温度影响大,实际输出由方波至正弦波输出端也存在部分能量损失。
若要使输出部分在正常输出情况下就为正弦波,则需要采用SPWM脉宽调制方波驱动开关管,使输出波形基本接近正弦波输出。
1.2 改进型电路拓扑分析
为克服以上缺陷,提出了使用MOS管作为开关控制器件,驱动波形与输出端使用振荡电路产生的正弦波替代传统的方波,并使开关管工作在软开关状态,进一步减小开关管在使用中的能量损耗。具体电路拓扑如图2所示。
拓扑图中,主电源、辅助电源为电路提供能量,在实际电路中,采用单电源供电,辅助电源采用DC?DC降压芯片直接获取所需的电源值。改进的电路将振荡回路与换能回路共用一个交感线圈,图中的辅助电源为开关管提供静态电压,与振荡部分的交流信号叠加共同控制开关管1与开关管2的通关。图中的单向器件部分是避免开关管1与开关管2同时导通,保证两个开关管工作在软开关状态,避免造成不必要的开关损耗。
图2 电压型单相半桥逆变电路
1.3 改进型电路拓扑分析
本次采用的主电路部分如图3所示。振荡部分采用的是改进型电容三点式振荡电路,由于干路电感的电流不能突变,在上电瞬间,对应的MOS管导通,干路电感会感应出一个与电源电压相当的电动势,会使MOS管电流由0开始缓慢增加,而不会全部电压施加于导通的MOS管。MOS管[Q1,][Q2]呈现互锁的状态,导通程度高的MOS管会使另外一个管子的栅极电压继续拉低,以至完全截止,而其自身则会至完全导通。
图3 电压型单相半桥逆变电路
由于电路中引入振荡电路,所以在振荡信号的作用下,MOS管会交替导通,形成周期性的振荡。一个周期内,选通不同的开关管,主电源即可通过导通的开关管与变压器初级线圈构成回路,从而在次级线圈上产生相应的感应电压,即实现DC?AC转换。由于变压器初级电压为正弦波电压,则变压器初级电压与主电源电压关系为:
[2×0πAsin xdxπ=VCC] (2)
式中:[A]为变压器初级电压幅值;[VCC]为主电源电压值,求解积分方程后知二者的关系式为:
[A=π?VCC] (3)
电路中的功率变换部分为推挽输出方式,主电源为功率级电源,通过干路的电感线圈与变压器的初级相连,振荡回路产生的正弦波由开关管Q1,开关管Q2分别放大其前半周期、后半周期,通过在一个周期内不同时刻选通不同的MOS管从而实现DC?AC变换。
分析电路拓扑知,变压器功率变换部分的交流电压变换呈现正弦波变化,因此次级线圈的感应电压也呈正弦波变化,与传统逆变电路相比,在功率的变换部分减少了有脉冲方波向正弦波变换环节,减少了变换时的能量损耗。在输出端设置了两路输出,一路为未整流的交流输出,一路为全波整流后的直流输出。
由于交流输出端为正弦波电压输出,所以可以通过修正电路参数、变频技术使输出的电压变换为50 Hz,220 V正弦波输出直接给予用电器供电。因为开关管被控制在软开关状态,所以其自身损耗极小,在实际电路工作时可以不加或外加较小的散热片即可保证电路的正常工作。为提高输出功率,在主开关管Q1,Q2两端可并联与之相匹配的MOS管用以提高初级线圈的最大电流,进而提高系统的输出功率。
2 仿真及实验研究
对传统的逆变电路,采用SPWM波形驱动开关管来获得类似正弦波的输出波形,其基本波形分析如图4所示。
图4 单、双极性SPWM波形
由图3可知,在一个正弦波输出周期内,采用SPWM波驱动需使驱动方波跳变多次,而且输出正弦波的好坏与其跳变次数呈正相关关系,而开关管的自身损耗大部分是在驱动波形发生跳变时产生,进而降低电路效率。因此传统的逆变电路很难做到电路效率高、输出正弦度好。
对改进后的电路采用PSpice软件仿真,通过搭建模拟电路仿真结果如图5所示。
图5(a)中,上、下两路波形分别为两个主开关管的驱动波形,图5(b)为将其翻转拼合后的整体波形,图5(c)为电路的输出波形,其为较标准的正弦波输出。
由图5分析可知,在一个正弦波周期内,两个主开关管交替导通一次且工作于软开关状态,交叠部分面积极小,即主开关的自身发热极小,相对于传统的SPWM驱动方式而言,开关管的自身损耗大幅减少,有效提高电路效率。实际电路得到的输出波形如图6所示,与仿真结果一致。
图5 电压型单相半桥逆变电路
图6 实际电路输出波形
3 结 论
本文提出了一种改进型DC?AC逆变电路的实现方案。利用控制工作软开关状态的MOS管通断实现直流至交流的转换。由仿真和实验结果知,改进的DC?AC逆变方案是可行的,它与传统的逆变电路相比,能有效地提高电路效率及减少开关管的损耗,改进的电路使开关管处于软开关状态,仿真结果中得到的输出波形的正弦度较好,实际电路中得到的输出波形与仿真结果一致。预期本电路可用于简单的逆变系统和直流变换装置中。可引入微控制单元(MCU)实现智能控制,为进一步提高电路的性能、提高系统稳定性、简化电路的使用,具有更高的推广价值。
参考文献
[1] 杨碧石.电源设备中AC/DC和DC/AC变换电路[J].南通职业大学学报,2001(1):15?18.
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[3] 陈荣.基于升降压斩波电路的三相DC/AC逆变器研究[J].电子器件,2013(3):401?403.
[4] 王议锋,徐殿国,王懿杰,等.CLCL谐振软开关DC?AC变换器[J].电子技术学报,2013(4):56?60.
[5] 吴卫民,汤天浩,彭青松,等.两电平自然软开关AC/DC/AC变流器[J].电工技术学报,2008(3):47?51.
[6] 商同,刘兴荣,杨伟东.一种新型实用、性能稳定的正弦波发生器[J].计量技术,1998(6):32?35.
[7] 张伟龙,谢新胜,李帅.PWM SPWM的应用与PSIM仿真[J].科技视界,2013(30):97?98
[8] 汤定德.一种易忽略的单、双极性SPWM波产生电路[J].计量技术,2013(31):49?50.
[9] 张友军.DC/AC逆变器技术及其应用综述[J].电气开关,2004(6):18?22.
[10] DOU Chun?xia, ZHAO Fang, JIA Xing?bei, et al. H∞robust control of DC?AC interfaced microsource in microgrids [C]// 2011 IEEE Power Engineering and Automation Conference. Wuhan, China: IEEE, 2011, 2: 478?485.