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原创 光伏逆变技术大赛

逆变器技术原理讲解

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飞鸿踏雪泥
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高级工程师
  • 2017-3-29 12:49:47
  世纪电源网注册很长时间了,一直默默的看着诸多技术达人分享的技术,自我感觉技术也提高了不少。  乘此机会,我也写一点自己关于逆变器技术的帖子,希望能够和大家共同探讨这方面的技术话题。
nc965
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版主
  • 2017-3-30 09:33:24
 
占座
飞鸿踏雪泥
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高级工程师
  • 2017-4-5 16:35:29
 
   本人一直从事开关电源以及嵌入式系统的电路研发工作,对于开关电源的原理及特性相对比较了解。通常开关电源是将dc转为dc,而逆变器只不过是又多了一个将dc转为AC的过程。
    开关电源和逆变器有很多的相似之处。首先讲讲二者电路结构的异同.
    开关电源的电路结构大致可以归纳为1,交流市电输入(低频交流110V或220V);2,整流滤波;3,DCDC功率变换;4整流输出(高频直流)    而逆变器的电路结构和开关电源的结构正好相反,大致可以归纳为1,直流电压输入(通常取自蓄电装置);2,滤波;3,DCDC功率变换;4,交流市电输出(通过低频变压器实现);


开关电源常规拓扑

开关电源常规拓扑

逆变电源常规拓扑

逆变电源常规拓扑
飞鸿踏雪泥
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高级工程师
  • 2017-4-5 16:46:14
 
    从拓扑结构可以看出二者的功能正好相反,开关电源是将交流电变为直流电,而逆变器则是将直流电变为交流电。二者功能正好相反。
    不过二者的核心是一样的,即DC-DC变换这一块。从电路结构我们可以看出其实逆变器也属于开关电源这一大范畴。了解到这一步,我们已经知道逆变器设计的核心其实就是DCDC功率变换器的设计。
    下一步要做的就是分析各种拓扑结构的优缺点,从中选择合适的功率拓扑应用于逆变器中。

luck2013
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高级工程师
  • 2017-4-12 11:23:00
 
期待楼主更新哈 来点有料的哈
飞鸿踏雪泥
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高级工程师
  • 2017-4-13 11:44:06
 
     今天继续更新讲解逆变器。
    我们都知道开关电源DCDC的常用拓扑分为反激式,正激式,推挽式,半桥,全桥等。
    在上一讲中我们说到逆变器和开关电源的核心均为DCDC。而由于逆变器本身的电气特性,所以它常用的拓扑结构就没有开关电源的拓扑结构多。逆变器常用的拓扑结构为推挽和全桥。下图分别为推挽拓扑和全桥拓扑:


推挽拓扑

推挽拓扑

全桥拓扑

全桥拓扑
飞鸿踏雪泥
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高级工程师
  • 2017-4-13 11:45:17
 
    下面讲一讲个人对于推挽拓扑和全桥拓扑的理解。
    首先说说二者的异同点。二者均属于经典的BUCK降压式拓扑结构。如下图所示:
    二者的不同点从其电路结构就能看出来。二者拓扑电路中的驱动信号均相差180度,也就是功率MOS均为交替导通工作。
同等电压输入条件下推挽式拓扑中每一个功率MOS承受的电压应力是全桥式拓扑结构的两倍。这是全桥拓扑相对与推挽拓扑的优点,但同时带来的缺点就是全桥拓扑的成本增加了,因为多用了两个功率MOS。



buck拓扑

buck拓扑
飞鸿踏雪泥
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高级工程师
  • 2017-4-17 12:42:14
 
    今天讲讲推挽以及半桥全桥的运行机理。推挽电源和半桥全桥原理基本相似,都是最大限度的使用变压器,将第一象限的磁复位与第三象限的磁复位均利用起来,从而大大提升了磁材的利用效率。不过这样也带来了一定的弊端,后面会详细说明。推挽拓扑工作原理




推挽.png
飞鸿踏雪泥
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高级工程师
  • 2017-4-17 12:50:00
 
    由上文可以知道功率MOS是交替导通的,相当于两个单管正激电源。推挽式拓扑输入端两个功率管交替导通工作,输出采用全波整流,具体的工作状态大家可以看看书,书上都会讲解的比较详细。    个人说说推挽式拓扑大家讲的比较少的几点特性吧。第一,推挽式拓扑结构磁芯通常工作与一三象限,磁芯的利用率比较高,不同于反激电源,磁芯不需要开气隙。所以工艺上比较好实现。且由于该类拓扑相当于两个正激电源,所以其功率可以做的更大,但其体积却相比同功率的正激电源却小了不少。

    接下来是说说推挽电源的缺点吧。在早期的开关电源中,一般的功率器件通常采用三极管,而不是功率MOS。我们知道三极管是流控器件,而功率MOS是压控器件。三极管制作的推挽式电源有一个最大的问题,就是磁通不平衡的问题。导致的直接后果就是,电源工作一段时间就会出现炸鸡现象,而且通常只有一路罢工。
飞鸿踏雪泥
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高级工程师
  • 2017-4-17 12:57:05
 
    不过推挽式拓扑的功率器件替换为功率MOS后,这一问题便可以解决了。由于功率MOS是压控型器件,当出现一侧磁通不平衡时,功率MOS由于其自生的特性,可以矫正磁通不平衡的问题。这就是为什么现在推挽式拓扑大行其道的原因。
    对于磁通不平衡的原因,说的直接点,其实就是初始工作周期中激磁电流又微小的不平衡,而经过无数个工作周期后,激磁电流累加大足够大,导致变压器磁饱和,此时变压器失去其磁电转换特性,变成一导线,电压无穷小,电流无穷大,直接导致三极管烧坏。

    接下来讲讲半桥电路的工作原理吧。
飞鸿踏雪泥
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高级工程师
  • 2017-4-20 12:42:46
 
    今天开始讲讲半桥拓扑和全桥拓扑的电路原理,首先是半桥拓扑电路,如下图所示:

半桥1.png
飞鸿踏雪泥
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高级工程师
  • 2017-4-20 12:56:10
 
    在大功率开关电源及逆变电源中,半桥电路发挥的作用非常大。该类电源拓扑由两个功率开关器件和两个驱动电容组成,它们以图腾柱的形式连接,通过控制芯片输出的互补方波驱动两功率器件。由于功率MOS大行其道,过去半桥电路中功率器件通常是功率三极管,现在几乎都是功率MOS的天下。

    由于功率MOS本身是压控型器件,相对于三极管这类流控型器件而言,其驱动速度受限于栅极电容。不过其耐压可以做的更高,同时也可以避免偏磁问题。什么是偏磁问题,在前文中已经讲解,在此不罗嗦了。
飞鸿踏雪泥
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高级工程师
  • 2017-4-20 13:06:10
  • 倒数10
 
    从百度中找了一个半桥电路,针对该图详细讲讲半桥原理。在该电路中,功率管为三极管。
   该电路由电容器C1,C2与开关管Q1、Q2组成半桥电路拓扑。如果C1=C2,那么当某一开关管导通时,绕组上的电压只有电源电压的一半。当Q1开通,Q2关断,此时变压器两端所加的电压为母线电压的一半,同时能量由原边耦合至副边。此时变压器副边绕组得到能量,导致半波整流二极管导通,经过LC滤波电路实现电压输出。同理当Q1关断,Q2开通。此时变压器两端所加的电压也基本上是母线电压的一半,同时能量由原边向副边传递,副边两二极管完成电能输出。



半桥2.png
世纪电源网-恬恬
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社区站务
  • 2017-4-20 13:11:11
  • 倒数9
 
又更新了 感谢楼主分享
飞鸿踏雪泥
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高级工程师
  • 2017-4-20 13:17:30
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    半桥拓扑除了存在偏磁问题,还存在三个问题。    第一是均压问题,需确保两功率电容上分得的电压是均衡的,否则很容易造成功率管烧毁。从半桥电路结构上看,桥臂上的两电容C1、C2容值需均等,尽量确保C1与C2的电容接近。当某一开关管导通时,绕组上的电压只有电源电压的一半,达到均压效果。一般情况下,还要在两个电容端各并联一等值电阻,即R1=R2进一步确保均压问题。选择该电阻阻值和功率时需降额处理。
    第二个存在的问题是直通问题,即两功率管在工作中出现同时导通的问题。两功率管交替导通,但是由于功率MOS本身存在寄生电容,导致其存在开关延时问题,从而不可避免的存在两功率直通问题。为了避免该类问题,需要设置合理的死区时间,从而避免直通问题的出现。
    第三个存在的问题便是悬浮驱动的问题。由于上管与下管不共地,所以驱动上管时,需要脉冲变压器驱动。这就又带来一个问题,便是脉冲变压器的设计问题。查找相关的资料,设计出合适的驱动变压器,才算真正掌握了半桥电路。
飞鸿踏雪泥
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高级工程师
  • 2017-4-27 16:35:16
  • 倒数7
 
    今天开始讲讲全桥拓扑的工作原理及其优缺点。全桥拓扑相比于半桥拓扑,只不过是将两均压电容替换为功率MOS。其工作原理如下:四个桥臂通过一对互补PWM信号控制其两两交替导通。至于说全桥拓扑的其它工作原理和半桥几乎一致。下图为全桥拓扑电路结构:

全桥拓扑.jpg
飞鸿踏雪泥
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高级工程师
  • 2017-4-27 16:47:55
  • 倒数6
 
    接下来讲讲全桥拓扑的优缺点,首先是优点,该拓扑输出功率较大,为正激电源输出功率的两倍,特别适合大功率输出场合使用。同时全桥拓扑其输出电压及输出电流脉动系数较小,所以可以选择较小的滤波电感及滤波电容便能得到相对较理想的输出特性。其次全桥拓扑可以采用耐压较低的功率MOS,相较于推挽式拓扑的功率MOS,全桥功率MOS耐压值可以降低一半。该类拓扑适合于输入电压较高,输出功率较大的场合。
    全桥拓扑的缺点首先是其成本,相较于推挽式拓扑,其多了两个功率MOS,自然成本上去了。同时由于两组功率MOS交替导通,所以开关损耗较大。由于上下管不共地,所以需要采用悬浮驱动,成本又上去了,工艺也复杂了。
    全桥拓扑最大的问题其实和半桥拓扑一样,就是必须避免上下管直通问题。怎么说呢,如果占空比达到50%,由于MOS管本身的关断延迟,必定会上下桥臂直通短路。所以设计全桥时一定要设定死区时间,或者将占空比最大限制在48%而不能是50%。根据MOS管本身的恢复时间来确定死区时间的长短。死区时间一定要大于MOS管的恢复时间,否则不可避免的会出现炸鸡现象。
乞力马扎罗的云
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本网技工
  • 2017-4-28 10:22:47
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本人大三在校生,前段时间做了个移相ZVZCS全桥,四个驱动测试麻烦又搁下了
世纪电源网雪花
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超级版主
  • 2017-5-9 09:54:51
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可以呀少年,欢迎发帖
liu1337
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副总工程师
  • 2017-5-12 18:40:33
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三组驱动电源就可以了。上面两个管子用一组悬地的
流光可惜
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助理工程师
  • 2017-8-2 16:34:34
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楼主能详细讲一下为什么MOS能矫正磁通不平衡的问题吗?
szstgcon
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本网技工
  • 2017-4-13 10:52:43
 
就喜欢这种科普帖,让我这种技术小白可以很容易的理解。
我是做电容的,哈哈,也想学点东西。
乞力马扎罗的云
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本网技工
最新回复
  • 2017-8-7 18:30:13
  • 倒数1
 
小弟大三在校生最近研究SPWM不亦乐乎,但具体有些问题不太明白,根据实测全桥逆变输出在占空比50%的时候是不是都是输入电压的一半呢,比较难难理解书上也看不太懂。

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