5kW小型逆变电源主体结构设计

交流电的逆变器。本文重点分析了前级高频DC/DC电路和后级DC/AC电路的工作原理-本设计的逆变电源可将48V的直流电流逆变为220V的交流电流。关键词：PWM ； DC/DC ； DC/AC中图分类号:TM464 文献标识码：A文章编号：2096-4390( 2019 )04-0189-021概述缺陷，已不能满足敏感型设备的供电要求，为此，本方案设计一

逆变电源在日常和工业应用也越来越广泛，它涵盖了电子， 种数字控制的单相逆变电源，以满足新型设备对高性能电源的

自动化，微控制器，电力等众多行业和学科领域。逆变技术广泛 实际需要。应用于航空航天，轨道车辆，电力网络，医疗通信，光伏电源，车

2主体结构设计指标载电源等多方面领域。同时随着信息科技的快速发展,通信机 设计的逆变电源性能指标如下：房，各类数字通信设备、信息网络系统服务器、交换机、智能平台 输入:Vin=DC48V系统等都对电源稳定提出了更高的要求,普通公用电网提供的

输出：Vout=AC220V、f=50Hz

交流电已经不能满足一些行业的用电设备。针对这些系统设备

额定输出功率:P0=5kW 的断电情况,需要提供可靠的备用电源。在一些偏远地区和一

工作温度：-20°C~60°C些特定的场合无法取得电网的电源供应。为了得到用电设备所

3主体结构设计需要的电源输入，可以将蓄电池直流电逆变为所需交流电能。低频链逆变系统的变换方式为DC—AC,由直流电源，逆变

国防和工业自动化设备的不断更新换代，对电源的要求也 电路，工频变压器，滤波电路等组成。其特点是拥有工频变压

相应提高，为了提高逆变电源的稳定性和输出质量，更需要研 器，工作频率等于输出电压的频率。全桥式工频逆变器大多数 究开发出高性能的逆变电源。传统模拟式电源所暴露出的固有 用于低频链逆变系统中。

(转下页)效的措施。建立FMS系统,将传统的刚性制造模式改变成为柔 理都有着巨大的引导作用，对其研究从不同反面出发，探讨其如 性的制造模式，提高生产制造的自动化水平。FMS系统是多个 何有效的应用在工业生产当中,促进我国工业智能化的发展、企 柔性模块制作而成的，其将存储运输装置、加工机械以及互联 业能够高效的运营。在新时代的发展中，生产制造业要充分发 网技术结合到一起，依据实际制造需要，能够高灵活的改善生 挥工业4.0的先进技术，将其与现有的技术相结合，不断强化工 产技术，实现批量生产的目的叫生产制造业的运营目的就是能 业生产制造的自动化水平。够最大的实现经济利益，先进的设备和自动化技术的引进，综 参考文献合所有方面,积极研究制造FMS系统,能够对设备进行改进，强 [1] 岩淑霞.工业4.0背景下电气自动化技术人才培养模式探析 化制造业整体效率，为自动化技术提供有力的支持。[J].广东交通职业技术学院学报,2018,17⑵:89-91.3.3阶段性向工业4.0发展[2] 卢风禄.工业4.0电气自动化技术介绍与应用[J].起重运输机

工业4.0是一个电气自动化也就是智能化的时代，我们应 械,2018,12⑷:65-69.当考虑现有的技术水平程度以及信息安全等，还要从环境保护 ⑶毕思武.赛摩电气打造“工业4.0”智能制造创新发展[J].衡器，

以及人才发展和制度体系等方面考虑。由此，工业4.0战略项目 2017,46(12):5-10.需要逐渐来完成，要实现工业4.0必须要建立优良的工业制造 [4] 卢万银，陈小林.面向工业4.0的专业系统性教学蔚究——

以 体系，将产品研究和生产制造进行全面完善，实现虚拟产品与 电气自动化技术专业为例[J].齐齐哈尔工程学院学报,2017,11实际产品的连通,达到提升产品质量的目的。还需要在同一业 (1):14-18.务过程和学习相关知识的基础上，明确信息交换的连接，展开 [5] 王旭，徐玲.德国工业4.0从概念走向实施——德国电气电子

业务系统水平研究，提升企业间共享信息的能力。在工业4.0的 制造业走在智能工厂的道路上[J].工业计量,2017,27(1):4-8.背景下，构建新的生产制作和商业网络的结构时，一定要做到 ⑹物联网.工业4.0：西门子通用电气谁能胜出[J!中国外资， 信息安全，保证产品在使用时自身不会对人民群众造成危害。 2016,15(1):60-61.同时，其设备和产品信息需要加强保护，防止滥用的情况发生 ⑺施耐德电气:探寻工业4.0的本质[J].信息化建设,2015,24(1): 叫20.结束语作者简介：张英超(1968,8,29-),男，民族:汉，籍贯:河南省

总而言之，工业4.0对我国工业生产制造业的发展与变迁 南阳市内乡县，职称：工程师，学位：专科，研究方向：电气自动 有着重要的影响，工业4.0电气自动化技术渗透到各行各业中， 化、电子技术。内容范围广泛，新的工业革命对信息、工业生产自动化以及管

-190-科学技术创新2019.04全桥式电路由4个臂组成,成对的2对功率管一起导通，两 变压器的体积和噪音，为整个系统的布置环境节约了空间和降

对轮流各导通180%若采用双极性SPWM调制法驱动的话，两 低了对环境的污染。组的桥臂轮流导通,驱动每一组的导通信号的脉宽是随着正弦 综合以上三种方案的分析和对比，可以看出半桥式和全桥

波变化的脉冲波，即SPWM波。调制处理以后，等幅值的SPWM 式更适合于输入电压较高的场所，本方案逆变器输入电源为

波可由直流电压逆变形成,通过一般的工频变压器提升、滤波 48V直流电，所以前级DC-DC部分选择推挽式拓扑结构。处理后可以得到需要的交流电。在提倡环保节能低功耗的今 在半桥式和全桥式中，半桥式输出电压幅值仅为输入电压 天，研究新型高效率节能型的逆变器已经是主流。幅值的一半,若要使整个系统得到220V的交流电,则前级DC-

高频链逆变系统的工作方式是DCtAC—DC—AC,整个系 DC部分的高频变压器需要很高的变比。整个系统的拓扑结构 统经过了两次逆变，前级DC-DC部分将低压直流电逆变成低 如图所示：压高频交流电，然后通过高频变压器升压，再将高频变压器升 压后得到的高压高频交流电整流成高压直流电输送给后级

DC-AC部分。高频链逆变系统的变压器可以做的很小,减轻了

重量和节省了空间。体积的变小,使得高频链逆变器可以在便

携移动设备和对电源体积和重量有高要求的领域使用。高频变压器是DC-DC前级逆变升压的核心部件，其体积也 是相对较大的，整个电路的设计系统受高频变压器性能的影

响,升压结构的异常结构会引起一系列的后果，例如设备温度升

高、效率下降、产生的严重畸变波形。设计出一个合理高效的变

压器对于整个系统而言将大幅提高系统的逆变效率，相对于工

频电路，本文选择的是高频链逆变系统,此类设备结构可以简

4主电路拓扑结构选择化,但是变压器的工作频率可以持续在很高的状态下。为了得到

推挽式，两个功率开关管轮流导通交替工作,输出电压波形 较高的磁导率、较低的矫顽力，综合考虑后决定使用铁氧体磁性

对称,驱动电路简单。功率管的利用率高达90%以上，即使输入 的磁芯来设计本文中的高频变压器部分。业内常用的设计方法 的直流电压很低，依然可以保持较大的输出功率。缺点是功率 有两种:第一种是AP法，第二种是查表法，本方案选用的是AP 器件需要承受两倍工作电压的反压，因此在输入电压较高的场 法进行高频变压器的设计。合很少使用这种拓扑结构。5结论半桥拓扑存在两组由一个功率元件组成的桥臂结构，在直

基于设计条件下讨论了主体方案的选择和DC-DC升压前

流输入侧有两个串联使用的大电容，直流电源的中点为电容的 级以及DC-AC逆变后级的拓扑分析和选择，最终确定了主体 中间点，在电容连接的中点与两个桥臂联接点之间设置输出负 的方案为高频链逆变系统。使用高频链可以把升压变压器的体

载。所输出交流电压的幅值只能达到输入直流电压的一半，且 积减小，整个系统体积的关键就在变压器上，因此选择高频链可

需要串联联接2个大电容于直流输入端,运行时要时刻保持两 以节约空间和成本，功率器件的开关频率选择20kHzo DC-DC 个电容电压的均衡。因此,半桥式电路基本应用于小于几千瓦 升压前级选用的是推挽式拓扑,这种拓扑适合于低电压输入，并

功率的小型电源。且有很高的功率开关器件的利用率。DC-AC逆变后级选用的是

全桥式由4个桥臂结构组成,Q1管与Q4管组对,Q2管和 全桥拓扑结构。Q3管组对。全桥式工作时，功率管串联在一起，关断时,每个功

参考文献率管承受的反压只有单个功率管的50%o但由于导通时是串 [1] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社,2003.联，功率器件上的压降是推挽式的两倍，因此电源利用率要比 [2] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出 推挽式低，损耗也大。对开关管的耐压要求，全桥式比推挽式约 版社，199&低50左右，且控制电路结构复杂。[3] 林渭勋.现代电力电子电路[M].杭州：浙江大学出版社,2002.在电路工作时，两路互补的PWM控制信号分别控制Q1和

Q2轮流交替导通和关断，两个功率管的导通时间都是一样的，

所以高频变压器的输入波形非常对称，这有利于防止高频变压

器的偏磁。本设计选用的是MOSFET,特别适合在大电流，高频

率的场合。MOSFET的关断时间非常短，在ns级,因此即使在控 制信号PWM里加入了防止直通的死区时间，其占空比还是能 达到接近50%,也就是说电源在整个周期内都对负载提供功率 输出，电源利用率相当高。电路的输入和输出都有储能元件L

和C,在滤波整流的同时还能起到降低电压脉动的效果，电压输 岀特性好。功率开关器件的频率选择在20kHz,这能很好的降低升压