全桥逆变电路拓扑结构中,如何实现直流电能逆变为交流电能
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生活中需要一台小功率电源装置,以备在停电或户外旅行等应用场合应急使用。小功率电源(户外电源)架构包括了光伏发电、电池充电管理、USB/Type-C充电接口、逆变单元等部分。
整个电源系统结构比较复杂,这里主要谈谈逆变单元,逆变单元是将储存在电池包中的低压直流电能转换为市电AC220V,为交流负载供电。通常电池输出的电压为12V、24V和48V,这个根据设计需求进行选择,下面所谈到的是输入DC24V输出AC220V硬件方案。户外电源结构如图1所示。
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图1中逆变单元拓扑如图2所示。由于设计为小功率逆变器,前级采用谐振型推挽拓扑进行升压,将电池包中的低压转换为可以满足逆变标准的直流高压;前级推挽拓扑变压器副边增加电容元件,使高压侧工作在谐振状态。其目的:是实现原边开关管零电流(ZCS)关断。软开关技术可以提高变换器的工作频率,减小开关过程中开关管的开关损耗,提高变换器的功率密度,减小变换器体积。
后级采用全桥逆变电路拓扑结构,实现直流电能逆变为交流电能,以供交流负载使用。逆变采用SPWM调制方式,将直流电压逆变器幅值为311V,频率为50Hz的正弦波。后级逆变器采用全桥逆变主拓扑结构,采用单极性等效双极性SPWM调制方式,提高正弦波的电能质量。
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控制电路分为两部分,前级谐振型推挽变换器采用SG3525型PWM控制器控制,后级全桥逆变器采用单片机控制。SG3525脉宽调制器是利用模拟的方式实现的一种调制方式,设计中将PWM占空比为0.5,工作频率固定(与谐振频率相等)。
推挽电路工作在开环模式,保证在负载变化的情况下,电源始终工作在最佳工作点。后级逆变电路采用双PI调制,将前级变换的高压直流电逆变为用电器所需的交流电。本文中的功率级架构实现软开关,具有高的效率和功率密度,能够在实际中得到广泛的应用。
根据工作原理搭建的两级式逆变单元仿真模型如图3所示。模型主要包括四部分:推挽谐振变换器(PPSC)、推挽控制器(SG3525)单相逆变器(SIC)和双PI闭环调节器(DPI)。
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设置负载为阻性,输出功率为200W,仿真步长设置1×10e-7,仿真时间为0.2s。仿真波形如图4所示。
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图4中,a图中Vds为Q2漏源电压、Vgs为Q2门极驱动电压、Ids为Q2漏源电流。b图中Vo为推挽变换器输出电压、Ir为推挽变换器高压侧谐振电流。c图中Vo_ac为逆变器输出电压、Io_ac为逆变器输出电流。
推挽谐振变换器工作在谐振频率点处,开关管Q1、Q2均能实现软开关,变换器具有较高的变换效率。通过仿真证明所设置的参数合理。然后进行样机的设计,图5为是所设计的两级式逆变器。
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(1) 测试100W负载时,输入为24V,逆变器工作波形如图6所示。
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图6中,a图中,iin为直流输入电流。b图中,ids为流过Q2漏源电流、Vds为Q2漏源极电压。c图中,ir为推挽变换器谐振电流、Vbus为直流母线电压。d图中,io为输出电流、Vo为输出电压。
(2) 测试200W负载时,输入为24V,逆变器工作波形如图7所示。
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图7中,a图中,iin为直流输入电流。b图中,ids为流过Q2漏源电流、Vds为Q2漏源极电压。c图中,ir为推挽变换器谐振电流。d图中,Vbus为直流母线电压、io为输出电流、Vo为输出电压。
感兴趣的朋友想自己DIY一台户外电源可以与小编一起交流学习,做一台属于自己的电源,可留言。下面是500W户外电源方案,包括BMS板、逆变单元和DC接口控制板三部分。
基本参数:2个USB充电接口,最大均支持18W输出(5V3.4A,9V2A,12V1.5A) 支持BC1.2,Apple,三星协议,高通QC2.0,OC3.0,华为FCP,三星AFC
2个Type-C接口,接口1最大30W输出(支持5V,9V,12V,15V,20V)支持PD2.0/PD3.0(PPS)输出协议,QC2.0,QC3.0,MTK PE,华为FCP,SCP,三星AFC,展讯SFCP;接口2最大60W输出(20V3A),支持PD2.0/PD3.0/PPS/QC4+ /QC4/QC3.0/QC2.0/AFC,支持FCP/低压SCP/高压SCP/PE2.0/PE1.1/SFCP
DC输入:18V/3.5A,可以外接太阳能充电板(MPPT),AC输出500W/220V。
该方案具备完备的保护功能,比如输入输出过压、过流、短路保护;采用软/硬件多重保护机制等,最大限度保证电源安全。