一种基于车载逆变电源的低成本实验系统设计

包广清， 任士康， 王晓兰， 杨新华

(兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050)



一种基于车载逆变电源的低成本实验系统设计

包广清， 任士康， 王晓兰， 杨新华

(兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050)

针对电气、自动化专业学生运动控制课程群的工程应用性强的突出特点，提出一种适用于本科电力电子实验教学的低成本车载逆变电源系统，主电路采用两级式级联拓扑结构，经过推挽升压电路后再进行全桥逆变，大大降低了系统硬件电路的体积及噪声污染。在此基础上，进一步拓展试验内容，将该电源系统引入单相交流电机运动控制综合训练任务，在丰富实验内容的同时，有效提升了学生的专业综合素质和创新能力。

电力电子技术； 运动控制； 逆变电源； 实验教学

0 引 言

电力电子技术是电气、自动化本科专业运动控制课程群的重要课程之一，其教学目的是在学生了解电力电子器件和熟悉变流技术的基础上，提高学生的实际设计与工程应用能力[1-3]。

电力电子技术实践教学项目的选择既要与课堂理论教学内容相互协调，又要有相对的独立性。原则上，其实验内容设置包括：① 以基本测试技能和基本电路知识训练为主的基础型实验；② 验证型实验，重点巩固学生对功率变换单元电路的原理验证和难点理解，从而实现从感性认识到理性认识的转变，并最终建立完整的电力电子知识体系[4]；③ 综合设计型实验，通过提出问题、查阅资料、方案对比、任务分配、设计实施以及分析总结等环节，使学生的综合分析、运行测试以及基于团队协作的应用系统研发等综合实践能力能得到充分锻炼和提升。

汽车已由最初的代步工具逐渐发展为集办公娱乐为一体的交通工具，除了常见的车载DVD音响系统外，对车载电视、冰箱、笔记本电脑等电器产品也有广泛需求，而这些电器产品大部分需要220 V/50 Hz的正弦交流电供电，因此设计性价比高的车载逆变电源，将汽车12 V的直流电转换成220 V/50 Hz的交流电具有十分重要的实际意义[5-7]。

1 工作原理与设计方案

1.1 主要技术指标

本系统设计要求将12 V的车载蓄电池电压转换成220 V/50 Hz的正弦交流电，以满足常见车载电器产品的用电需求[8]。系统输入直流电压的允许变化范围10～15 V；输出交流电压的允许变化范围210～230 V；输出电压频率的允许变化范围49.8～50.2 Hz；转换效率大于80%；波形畸变率≤5%；直流母线电压的阈值电压400 V；前级升压电路开关器件的工作频率30 kHz；高频变压器的工作频率60 kHz；后级逆变电路开关器件的工作频率16 kHz。

1.2 系统拓扑结构

传统车载逆变电源采用全桥逆变与工频变压器升压方案，其缺点是效率低、体积大、噪声高，且伴有严重的启动困难等问题。为此本系统采用两级式级联拓扑结构，将12 V蓄电池电压升压后再进行逆变输出，大大减小了系统硬件电路的体积及噪声污染，其硬件结构框图如图1所示。

图1 硬件结构框图

前级升压电路以TL494为主控芯片，对推挽电路进行控制，结合PC817与TL431组成的直流母线电压反馈控制电路[9]，确保母线电压在设定变化范围内。后级逆变电路以单片机STC12C5A60S2为主控芯片，采用正弦脉宽调制技术[10-12]，根据输出电压实时更新占空比，确保输出电压幅值满足设定要求。同时还设计了电池电压检测电路、输出电压检测电路、输出电流检测电路和桥臂短路保护电路，确保系统能够安全稳定运行[13-15]。

2 系统运行与测试

将两路12 V/1 A的开关电源并联后作为系统输入电源，在现有的实验条件下对系统的性能指标进行了测试。实验调试现场如图2所示。从示波器的输出可以看出，该逆变电源运行稳定，输出波形良好；在空载情况下，万用表测量值为229 V，由此看出，该逆变电源的输出电压指标符合系统设计标准。在输出端接10 kΩ纯阻性负载的运行状况下，对前级推挽升压电路及后级全桥逆变电路各关键工作点的波形进行了测试分析。并对该逆变电源的效率、谐波含量等性能指标进行了评价总结。

图2 样机调试现场

2.1 推挽升压电路

图3为推挽升压电路的测试波形，图3(a)为开关管的触发脉冲波形，与预先设置的频率30 kHz相吻合；图3(b)为触发脉冲的死区时间；图3(c)为高频变压器输出的脉冲电压波形，无明显偏磁现象，说明高频变压器的绕制合理；图3(d)为整流滤波后的直流母线电压波形。

2.2 全桥逆变电路

图4为全桥逆变电路的测试波形，图4(a)为单片机产生的SPWM触发脉冲，触发脉冲占空比从1～0呈正弦变化，后经死区电路、驱动电路对单相全桥逆变电路进行触发控制；图4(b)为左侧桥臂开关管的触发波形，伴有细小毛刺，说明系统驱动电路设计的正确性；图4(c)为触发脉冲的死区时间(任取1个周期)；图4(d)为单相全桥逆变电路LC滤波前的输出电压波形，波形顶端只带有细小毛刺，并没有因开关管的高频开关引起过冲电压，说明缓冲吸收电路设计合理；图4(e)为单相全桥逆变电路LC滤波后的输出电压波形，无论是在波形顶端还是在过零换相处，都过渡地很顺利，说明系统的触发控制策略正确，LC滤波器的参数设置合理。

2.3 系统性能分析

在现有的实验条件下，对该车载逆变电源的效率进行了测试，因输入端开关电源的输入功率有限，其最大输入电流不能超过2 A，且输入端的电压只能限制在12 V，即最大输入功率不会超过24 W。在输出端接纯阻性负载的条件下，对该车载逆变电源的效率进行了测试分析。其具体的输入输出数据关系如表1所示，效率曲线如图5所示。由于连接线过长及电磁干扰等问题，从效率曲线可以看出，该逆变电源的效率约为82%。

(a)开关管的触发脉冲波形

(b)触发脉冲的死区时间

(c)变压器输出的脉冲电压

(d)直流母线电压图3 推挽升压电路测试波形

对车载逆变电源的输出电压进行傅里叶级数展开，做幅频特性分析。如图6所示，从幅频特性曲线可以看出，在特别小的一个频率点有一个幅值约为50 dB的高脉冲，即50 Hz标准正弦波的基波幅值，其他高次谐波的幅值特别小，均小于0 dB，即输出电压的高次谐波含量特别低，该逆变电源的输出电压指标已达到系统的设计标准。

(a)单片机产生的触发波形

(b)左侧桥臂的触发波形

(c)触发脉冲的死区时间

(d)滤波前的输出电压波形

(e)滤波后的输出电压波形图4 全桥逆变电路测试波形

表1 输入电压12 V时样机效率测试数据

图5 效率曲线图

图6 幅频特性曲线

3 实验内容拓展与实施

本车载逆变电源系统具有结构简单、造价低及实用、灵活等优点，较好地解决了学院有限经费条件下的实验装置问题。在时间安排上，可以采用集中、分散两种方式进行，即直接在本科三年级第一学期电力电子课程结束之后的2周的时间内集中完成或者在不影响常规课堂教学的前提下在6～8周的时间内主要利用开放实验室在课余时间分散进行。

结合电气自动化专业本科生培养目标还可以进一步拓展试验内容，在该逆变电源系统的基础上引入单相交流电机运动控制综合训练任务，如图7所示。单相异步电动机是利用单相交流电源供电，其转速随负载变化略有变化的一种小容量交流电机。具有结构简单、价格低廉、维修方便的特点，在工、农业生产、办公场所、家用电器等方面得到广泛的应用，如吊扇、洗衣机、电冰箱、电钻、小型机床等。通过该试验环节，把“电力电子技术”、“自动控制原理”以及“电机拖动”等课程整合为一个系统，实现了机械、电子、电气等多学科有机融合，从而在拓宽专业知识面的同时，有效地提高学生的专业素质和就业适应能力。

图7 运动控制综合训练系统组成

如表2所示，该训练内容主要包括理论分析、器件选型、PCB电路图制作、系统样机调试等。系统设计任务包括硬件设计和软件设计两部分。硬件设计包括功率回路、控制回路的设计，具体包括升压、逆变电路拓扑结构的选择和主控芯片的确定，输出电流、电压检测电路，电池欠过压、过流、桥臂短路、缓冲吸收电路等保护电路的设计，几乎涵盖了电力电子课程群的所有教学内容。SPWM触发脉冲的产生、运行状态的监视及检测保护动作的完成均由软件设计来实现。另外，在分配过程中突出个性化整合模式，即学生可以根据自身的兴趣特长和未来发展方向选择相关子系统，这样不仅能调动学生学习的积极性更能提高学生的创新意识和创新能力。

表1 综合训练任务分配

4 结 语

实践教学是培养学生创新精神和实践能力的重要手段，是提高学生综合素质的关键环节。良好的方法可以收到事半功倍的效果。本系统充分考虑了实验装置的透明度、实验操作的灵活性以及实验功能的拓展性，较好地避免了传统挂件箱式实验台只能提供验证性实验内容和简单插拔操作的缺陷，同时，又具有更高的性价比，为电气自动化专业创新人才的培养提供了有效的解决方案。

[1] 雷大军，黄铁铁，姚 敏.应用型本科电工电子实践教学体系的构建[J]. 实验室研究与探索，2014，33(8): 178-180.

[2] 徐国利，盖功琪，苏冬妹.开放式实验教学模式的研究与实践[J]. 实验室研究与探索，2010，29(2): 91-93.

[3] 包广清，吴延明，杨新华. 面向工程实践的运动控制系统综合训练改革[J].实验技术与管理， 2014，31(4):150-154.

[4] 陈 坚. 电力电子学-电力电子变换和控制技术[M].3版.北京:高等教育出版社，2011: 56-93.

[5] 王树文，纪延超，马文川. 新型单相逆变电源及其调制方式的研究[J]. 中国电机工程学报，2006，26(17): 62-66.

[6] 范玲莉，邓 焰，石健将. 基于LM25037的车载逆变电源设计[J].电力电子技术，2009，43(6): 61-63.

[7] Wai R J, Lin C Y, Duan R Y,etal. High-efficiency power conversion system for kilowatt-level stand-alone generation unit with low input voltage[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(10): 3702-3714.

[8] 包广清，任士康. 基于STC系列单片机的车载逆变电源[J]. 机电工程，2014，31(4): 239-243.

[9] 赵世芳，蒲忠胜. TL431中基准补偿电路[J].现代电子技术，2014，37(6):140-142.

[10] 田 颍，陈培红，聂圣芳，等. 功率MOSFET驱动保护电路设计与应用[J]. 电力电子技术，2005，39(1)：73-75.

[11] 王文兵. 基于功率MOSFET导通压降的短路保护方法[J].电力电子技术，2009，43(8)：77-78.

[12] 孟志强，陈艳东. 基于EXB841的IGBT驱动电路优化设计[J]. 湖南大学学报，2006，33(6)：63-67.

[13] 张岐宁，王晓宝. IGBT模块的测试[J]. 电力电子技术，2005，39(1)：112-114.

[14] Kai Zhang, Yong Kang, Jian Xiong,etal. Direct repetitive control of SPWM inverters for UPS purpose[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2003，18(3): 784-792.

[15] Rech C, Pinheiro H, Grundling H A,etal. Comparison of digital control techniques with repetitive integral action for low cost PWM inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2003，18(1): 401-410.

A Design of Automotive Inverter Power Based on Low Cost Solution for Laboratory Experiments

BAOGuang-qing,RENShi-kang,WANGXiao-lan,YANGXin-hua

(School of Electric Engineering and Information Engineering,Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Project-based experimental teaching plays an important role in cultivating the abilities of practical and creative ability for science students. The task before us is how to setup effective experimental facilities and arrange rational integrated trainings. In the field of electrical engineering education, a project of automotive inverter power supply designed for undergraduate power electronics and drives group course is presented. Two-stage converter with push-pull booster and full-bridge inverter is included in the main circuit topology, it contributes to the reduction of hardware size and noise pollution. Based on this project, the power system can be expanded to the integrated training task of single-phase AC motor control. The basic concept and hands-on experience of the electrical drive can be gained by students, and hence, their independent innovation and practical skills are also improved.

power electronics; motion control; inverter; experimental teaching

2014-07-25

国家自然科学基金资助项目(51267011);甘肃省杰出青年基金资助项目(1111RJDA007)；兰州理工大学教学改革项目

包广清(1972-)，女，甘肃兰州人，教授，主要研究方向为可再生能源发电与电能转换、现代电力传动系统设计。

Tel.：0931-2976079；E-mail：baogq03@163.com

TM 464

A

1006-7167(2015)05-0055-04