3. 正弦波逆变器 LC 滤波器参数的计算要准确计算正弦波逆变器 LC 滤波器的参数确实是件繁琐的事,这里我介绍一套近似的 简便计算方法,在实际的检验中也证明是可行的。我的想法是 SPWM 的滤波电感和正激类 的开关电源的输出滤波电感类似,只是 SPWM 的脉宽是变化的,滤波后的电压是正弦波不 是直流电压。如果在半个正弦周期内我们按电感纹波电流最大的一点来计算我想是可行的。
下面以输出 1000W220V 正弦波逆变器为例进行 LC 滤波器的参数的计算,先引入以下 几个物理量:
Udc:输入逆变 H 桥的电压,变化范围约为 320V-420V; Uo:输出电压,0-311V 变化,有效值为 220V; D:SPWM 载波的占空比,是按正弦规律不断变化的; fsw: SPWM的开关频率,以 20kHz 为例; Io:输出电流,电感的峰值电流约为 1.4 Io;
Ton:开关管的导通时间,实际是按正弦规律不断变化的; L: LC 滤波器所需的电感量;
R:逆变器的负载电阻。 于是有:
L=( Udc- Uo) Ton/(1.4Io) (1)
D= Uo/ Udc (2)
Ton=D/ fsw= Uo/(Udc* fsw) ( 3) Io=Uo/R (4)
综合(1),(3),(4)有:
L=(Udc- Uo)* Uo/(1.4 Io* Udc*fsw)=R(1-Uo/Udc)/(1.4 fsw)
例如,一台输出功率 1000W 的逆变器,假设最小负载为满载的 15%则,
R=220*220/(1000*15%)=323Ω
从 L= R(1-Uo/Udc)/(1.4 fsw)可以看出,Uo=Udc 的瞬间 L=0,不需要电感;Uo 越小需要 的 L 越大我们可以折中取当 Uo=0.5Udc 时的 L=323*(1-0.5)/(1.4 *20000)=5.8 mH
这个值是按照输出 15% Io 时电感电流依然连续计算的,所以比较大,可以根据逆变器 的最小负载修正,如最小负载是半载 500W,L 只要 1.7 mH 了。
确定了滤波电感我们就可以确定滤波电容 C 了,滤波电容 C 的确定相对就比较容易, 基本就按滤波器的截止频率为基波的 5-10 倍计算就可以了。其计算公式为
f = 1/ 2p
五.逆变器的部分保护电路
1. 防反接保护电路: 如果逆变器没有防反接电路,在输入电池接反的情况下往往会造成灾难性的后果,轻则
烧毁保险丝,重则烧毁大部分电路。在逆变器中防反接保护电路主要有三种: 1). 反并肖特基二极管组成的防反接保护电路,基本电路如下图:
由图中可以看出,当电池接反时,肖特基二极管 D 导通,F 被烧毁。如果后面是推挽 结构的主变换电路,两推挽开关 MOS 管的寄生二极管的也相当于和 D 并联,但压降比肖特 基大得多,耐瞬间电流的冲击能力也低于肖特基二极管 D,这样就避免了大电流通过 MOS 管的寄生二极管,从而保护了两推挽开关 MOS 管。
这种防反接保护电路结构简单,不会影响效率,但保护后会烧毁保险丝 F,需要重新更换 才能恢复正常工作。
2).采用继电器的防反接保护电路,基本电路如下图:
由图中可以看出,如果电池接反,D 反偏,继电器 K 的线圈没有电流通过,触点不能吸合,逆变器供电被切断。
这种防反接保护电路效果比较好,不会烧毁保险丝 F,但体积比较大,继电器的触点的 寿命有限。
3).采用 MOS 管的防反接保护电路,基本电路如下图:
图中 D 为防反接 MOS 的寄生二极管,便于分析原理画出来了。当电池极性未接反时,D 正偏导通,Q 的GS 极由电池正极经过 F,R1,D 回到电池负极得到正偏而导通。Q 导通后的压降比 D 的压降小得多,所以Q 导通后会使 D 得不到足够的正向电压而截至;
当电池极性接反时,D 会由于反偏而截至,Q 也会由于 GS 反偏而截至,逆变器不能启 动。
这种防反接保护电路由于没有采用机械触点开关而具有比较长的使用寿命,也不会像反 并肖特基二极管组成的防反接保护电路那样烧毁保险丝 F.因而得到广泛应用,缺点是 MOS 导通时具有一定的损耗。但是随着半导体技术的发展,低导通内阻的 MOS 管层出不穷,像我们锐骏半导体新出的 RU4099,40V 的耐压,200A 的电流容量,低到2.8mΩ的导通内阻, 足够畅通无阻地通过比较大的电流还保持比较低的损耗。
2. 电池欠压保护: 为了防止电池过度放电而损坏电池,我们需要让电池在电压放电到一定电压的时候逆变
器停止工作,需要指出的一点是,电池欠压保护太灵敏的话会在启动冲击性负载时保护。这 样逆变器就难以起动这类负载了,尤其在电池电量不是很充足的情况下。请看下面的电池欠压保护电路。
可以看出这个电路由于加入了 D1,C1 能够使电池取样电压快速建立,延时保护。