1、开 题 报 告论文题目： 高效DC-AC电源装置设计 学院： 动力与机械学院 学号： 200731470076 姓名： 纪 浩 一、 论文选题的目的和意义1.1 论文选题目的当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位和波形等基本参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效处理，特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力的支持。因此，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术的发展基础1。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响。逆变电源一般
2、用于重要设备的电源或控制电源2。由于交流电是不可存储的，所以一般通过蓄电池以直流电的方式储存，当重要设备或重要的设备的控制电源跳闸时，就自动切换至逆变输出的电源（电源相互冗余），以达到设备安全稳定运行的目的。随着网络技术的发展，对逆变电源的网络功能也提出了更高的要求。高性能的逆变电源必须满足:高的输入功率因数，低的输出阻抗;快速的暂态响应，稳态精度高;稳定性高，效率高，可靠性高;低的电磁干扰;智能化;完善的网络功能1。随着高性能的DSP控制器的出现，逆变电源的全数字控制成为现实。逆变是对电能进行变换和控制的一种基本形式，现代逆变技术是一门综合了现代电力电子开关器件的应用、现代功率变换、模拟和数
3、字电子技术、PWM技术、频率及相位调制技术、开关电源技术和控制技术等综合实用设计技术，己被广泛应用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。随着电力电子技术的飞速发展和各行业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛，相应对逆变电源的性能要求也越来越高。PWM软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实现电力电子技术高频化的最佳途径，也是一项理论性很强的研究工作。它的研究对于逆变器性能的提高和进一步推广应用，以及对电力电子学技术的发展，都有十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一。软开关是逆变器的重要组成部分，软开关并不是没有损耗的，它只是把开关器
4、件本身的一部分开关损耗转移到了为实现软开关而附加的谐振电路中的谐振元件上，总量上可能有所减少。软开关逆变技术研究的重要目的之一是，实现PWM软开关技术，也就是将软开关技术引进到PWM逆变器中使它既能保持原来的优点，又能实现软开关工作。为此，必须把LC与开关器件组成一个谐振网络，使PWM逆变器只有在开关切换过程中才产生谐振，实现开关的零电压开通和关断，一般工作情况下则不发生谐振，以保持PWM逆变器工作特点34。1.2论文选题意义电力电子变换器的数字控制是电力电子发展的趋势，也是现代逆变技术发展的趋势，目前国内期刊和国际会议已有很多的文献报道。虽然数字控制极大地简化了硬件电路，提高了系统的稳定性、
5、可靠性和控制精度，但数控变换器在实际使用中还存在许多待解决的问题，例如:变换器开关动作对采样的严重干扰;检测的量化误差导致控制精度显著下降;高速运行下数字化脉宽调制时间分辨率的下降;开关功率变换器数字化的数学模型研究不够深入等。在很多实际应用的场合，往往采用模拟控制和数字界面。根据电压调节器的实现方式，可以将逆变器的控制策略分为模拟控制和数字控制两种形式。传统的模拟控制在逆变器中应用广泛，技术成熟，控制性能优良，成本较低，但模拟控制也存在一些缺陷56:(1)控制电路的元器件比较多，体积庞大，结构复杂。(2)灵活性不够，硬件电路一旦设计完成，控制策略就不能改变。(3)调试比较麻烦，由于元器件特性
6、的差异，致使电源一致性差，且模拟器件的工作点漂移，会导致系统参数的漂移，从而给调试带来不便。(4)模拟控制方式比较单一，较难实现先进的复杂控制算法。(5)很难实现逆变器的网络化、智能化管理维护。数字化是逆变电源发展的主要方向，逆变电源采用数字控制，具有以下明显数字化是逆变电源发展的主要方向，逆变电源采用数字控制，具有以下明显优点78：(l)易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得逆变电源的智能化程度更高，性能更完美。(2)控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。(3)控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统，采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调
7、整即可。(4）系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过Rs232接口或Rs485接口或uSB接口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复，甚至控制参数的在线修改、调试，也可以通过MODEM远程操作。(5)系统的一致性较好，成本低，生产制造方便由于控制软件不像模拟器件那样存在差异，其一致性很好，由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。(6)易组成高可靠性的大规模逆变电源并联运行系统，为了得到高性能的并联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法，从而实现高可靠性，高冗
8、余度的逆变电源并联运行系统。数字式逆变电源是目前在居民中使用率比较高的逆变电源，可以完全解决传统逆变器的使用过程中的各种问题，它是计算机技术与电源技术相结合的实用型产品，是一种比较好的后备供电设备电源。大多数的数字式逆变电源都采用开关电源方案，其脉宽调制方式有电压型和电流型两种，后者在对输出电压作误差控制调整的同时也对电流进行调整，因此具有很好的瞬变响应能力，能迅速响应输入、输出的变化和短路或过载故障，不但效率高，而且灵活性好。电源技术的发展使得用新型、高效的开关电源取代传统电源已成为必然。传统的稳压电源一般都是线性电源，这种电源效率低、体积大9。随着技术的发展，开关电源的开关频率越来越高，使
9、得电源的小型化、轻量化成为可能。电源工作在开关状态，从原理上讲是低损耗的。本方案就是用新型的数字化开关电源取代传统电源，其特点就是采用数字控制、体积小、保护完善，以实现高效的DC-AC逆变电源装置设计。二、 国内外关于该论题的研究现状和发展趋势2.1国内外DC-AC电源研究现状国外电源发展大致经历了4代：第一代为直流电机电源，耗能大、效率低；第二代为自耦硅整流直流电源，使用自耦变压器调节输入电压，再由大功率硅整流管整流，效率较低、精度、纹波等技术指标差；第三代为可控硅电源效率较高、功率范围宽，是目前广泛使用的电源；第四代为开关型直流电源，体积小，精度、纹波系数高、可靠性高是未来直流电机驱动和电
10、镀行业的主体电源4。我国电源起步于1949年，经历了几个发展阶段，已经发展到各行各业，如机械、邮电、铁路、电子、竣工系统等都有电源开发和生产，还有大量国外产品公司进入我国，竞争逐步加剧。当前在电源产业与电源相关的技术有：高频变换技术、功率转换技术、数字化控制技术、全谐振高频软开关变换技术、同步整流技术、高度智能化技术，以及诸多的地磁兼容相关技术、各种形式的功率因数校正技术、各种保护技术、并联均流控制技术、脉宽调制技术、各种变频调速技术、各种智能监测技术、各种智能化充电技术、微机控制技术、各种集成化技术、网络技术、各种形式的驱动技术和先进的工艺技术要求。电子设备都是根据需要而发展的，由电源的发展
11、趋势得出电源技术研究内容的主题如何使电源设备小型化、高效率、低成本和绿化3。这也是电源与电源技术发展的趋势，但这些趋势并非是彼此独立不相干的，因为各个因素之间存在权衡取舍。数字电源控制技术的出现使更高功率密度和更高可靠性的实现成为可能。电源变换包括两个技术方向：一是交流电源转换为直流电源技术；二是直流电源转换为交流电源的技术，其变换装置称为逆变器。由于交流电源的各种优点，使它成为绝大多数用电设备的统一用电形式。因此，电源变换技术主要是指将直流电源转换为交流电源的逆变技术，使各种不同的形式的的电能适应于要求使用统一电源电压的各种用电设备，以及用于并网传输与灵活分配电源。如今逆变电源有偏电压脉冲电
12、压、周期间断或周期换向电流、交直流叠加等非常规直流电源；常用的特殊电源波形有：直流单向脉冲、交流叠加直流、间断电流等，有的最广泛的为直流单向脉冲技术，即IGBT逆变电源9。一般而言，DC-AC逆变器的发展可以分为如下阶段10： 1956-1980年为传统发展阶段。这个阶段的特点是：开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加为主，体积重量较 大，逆变效率低。正弦波逆变器开始出现。1960年以后，人们注意到改善逆变器波形的重要性，并开始进行研究。 1963年，F.G.Turnbull提出了“消除特定谐波法”，为后来的优化PWM法奠定了基础，以实现特定的优化目标，如谐波最小、效
13、率最优、 转矩脉动最小等。 1980年到现在为高频化新技术阶段。这个阶段的特点是：开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以PWM法为主，体积重量较小， 逆变效率高。正弦波逆变器技术发展日趋完善。 20世纪70年代后期，可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR及其模块相继实用化。80年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了多种高频 化的全控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应晶体管Power MOSFET，绝缘门极晶体管IGT或IGST,静电感应晶体管SIT,静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管MCT, MOS晶体管MGT、IEGT以及IGCT等11。这就使电力电子技术由传统发
14、展时代进入到高频化时代。在这个时代，具有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。2.2 DC-AC发展趋势今后，随着工业和科学技术的发展，对电能质量的要求将越来越高，包括市电电网在内的原始电能的质量可能满足不了设备的要求，必须经过电力电子装置变 换后才能使用，而DC/AC逆变技术在这种变换中将起到重要的作用。逆变电源可靠性高、稳定性好、调节特性优良、而且体积小、重量轻、功耗低，在电子和电气领域得到了极其广泛的应用12。随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛，对电源性能的要求越来越高。许多
15、行业的用电设备都不是直接使用电网提供的交流电作为电源，而是通过各种形式对电网交流电进行交换，从而得到各自所需要的电能形式。在电力电子的应用及各种电源系统中，逆变电源技术均处于核心地位13。而引入高频开关技术后，可使电源的体积和重量大幅度降低。同时开关电源技术可改变用电频率，从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。近年来，逆变电源技术主要表现出以下几种1高频化理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当把频率从工频50Hz提高到20kHz，提高400倍，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的510。将传统的电源进行改造，其主要材料可以节约90或更高
16、，还可节电30或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益，更可体现技术含量的价值。2模块化模块化有两方面的含义：其一是指功率器件的模块化；其二是指电源单元的模块化。常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准功率模块(SPM)。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化功率模块(IPM)，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。3数字化在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代
17、，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优势：便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。4绿色化电源系统的绿色化有两层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能(或少)对电网产生污染，国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准，如IEC555，IEC917，IECl000等。事实上，许多功率电子节电设备，往往会变成对
18、电网的污染源：向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种修正功率因数的方法。5并机冗余技术当今对供电系统的两个要求趋势一个是高可靠性，一个是大功率化，这两者都与电源的并联运行控制密切相关。并联运行系统在各种应用领域得到了广泛的推广和应用。总而言之，现代电力电子技术是电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下，由于功率器件性能的限制而使电源的性能受到影响。为了极大地发挥各种功率器件的特性，
19、使器件性能对电源性能的影响减至最小，新型的电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关工作在零电压或零电流状态，从而大大提高工作频率，提高电源工作效率，设计出性能优良的电源。随着电力电子及电源技术因应用需求不断向前发展，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志着这些技术的成熟，实现高效率用电和高品质用电相结合。三、 论文的主攻方向、主要内容、研究方法及技术路线3.1研究主攻方向及其主要内容数字电源具有以下主要特征：可编程性、监控性能的可知性，响应性和数字环路控制7。采用数字电源控制技术的电源没有调谐环路元件，可避免故障
20、和误调，具有较宽的文档工作范围，部件重复性更好，有更好的自诊断能力14。传统的模拟电路控制存在电路复杂，调试困难，元件易老化，输出特性地等缺点。为了克服这些弊端，发展了各种现代电源技术，包括开关电源，UPS电源，净化电源等。作为下一代电源，采用DSP控制的数字电源已经开发成功，进入产品化阶段。采用DSP作为逆变器控制核心，集成度高、抗干扰能力强，可以用软件很容易的实现灵活、准确的在线控制与全部故障检测，便于实时控制15。本课题采用逆变技术与数字信号处理技术相结合，研制一台高效DC-AC电源装置。具体制方案：上电后，先进行参数预置，经DSP内部编程输出两路频率不同的PwM(Pulse width
21、 Modulation)脉冲，经两个分频电路分成四路有死区的脉冲开关信号，经驱动、放大后分别提供给前后级功率开关管，输出预期的交直流波形。本文拟完成主要内容包括：1)设计以功率开关管IGBT和高频变压器为核心的逆变交直流主电路系统，绘制出电路图，购置器件并安装调试。2)设计以TI公司DSPTMS320C5509A为核心的控制电路系统，绘制出电路原理图与PCB布线图，加工出印刷电路板，购置元器件并安装调试。3)在主电路和控制电路中设计多种保护措施，以保证IGBT的安全工作。4)设计多种抗干扰措施，保证控制系统能够在复杂的干扰环境中正常工作。5)绘制电源装置的控制系统软件流程图，并用DSP专用的汇
22、编语言编写控制程序。6)对所设计的焊机进行脱机与联机、空载与负载调试，测试其静特性、动特性以及调节特性。所设计的高效DC-AC电源装置基本参数：输入电压： 三相380V10，50Hz输出最大空载电压： 220V，50Hz输出最大功率3000W逆变频率： 20KHz3.2研究方法和技术路线3.2.1电源系统电路设计采用TI公司DSPTMS32C5509A芯片构成的高效DC-AC电源系统，既要控制系统的输出特性，又要实时监控输出过程。基于DSPTMS32C5509A控制的高效DC-AC电源系统流程图如图1所示。1 主电路由H桥逆变主电路和滤波电路组成H桥在DC-AC电源中它实质上是电路选通功率系统
23、，即逆变主电路(或称逆变器)，其作用是根据外界因素影响导致输出量偏离标准量变化的特性（变大或者变小）选通相应的回路来减小误差，系统中S1-S4和VD1-VD4的通、断由正弦脉宽调制产生的信号控制。滤波电路主要滤去谐波，获得无谐波的交流电16。2 控制系统由主控电路DsP控制电路完成对H桥中开关管的控制，并使输出交流电(电压、频率和渡形)稳定。由于采用正弦波调制波()与三角波载波(幅值为U的正三角波，频率为)相交而获得的SPWM渡具有基波频率为调制渡的频率，基波幅值与调制比M(M=uU)成正比关系，谐波少等优点。正弦逆变器多采用SPWM控制，利用调制波控制输出波形频率，调整M来控制输出电压幅值。
24、对逆变器的控制主要包括SPWM的控制方式(即H桥开关管开关方式)和对SPWM脉宽的控制(即调整Mt使输出电压稳定的反馈控制，且一般采用平均电压控制技术，即Pl控制，逆变器一般不对波形和频率进行控制)两部分17。3.3.2主要器件选型1.DSP选型随着数字化、智能化、网络化技术的不断发展，现代生产质量过程控制日趋凸现重要地位，焊接技术也必然随之相应发展。为了满足这些要求，焊接电源的控制器件应该能实时处理、控制焊接的信息流。数字信号处理器（DSP）的出现为焊接电源数字化研究提供了物质基础。DSP芯片自80年代初出现以来，就以其稳定性、可重复性、实时数字信号处理、柔性化编程、大规模集成等特点给数字信
25、号处理的发展带来了巨大的机遇，并使信号处理手段更灵活、功能更复杂，应用领域也扩展到国民经济生活的各个方面。随着DSP运算速度的不断提高，能够实时处理的信号带宽大大增加，数字信号处理也为高速实时控制带来可能，如目前TI推出的最新C64XX DSP，其单片处理能力已达到9000MIPS(MIPS指每秒执行百万条指令)，目前DSP已广泛用于许多电子产品上2。随着集成电路制造工艺、微电子等技术的不断提高，数字信号处理技术也得到了广泛应用，AMI公司于1978年发布了世界上第一个单片DSP芯片s2811；1979 年，美国Intel公司公布了商用可编程器件2920，这两种芯片就是最早期的DSP 处理器。
26、1980年，日本NEC公司推出的妒D7720是第一个具有片上硬件乘法器的商用DSP芯片；1981年，美国的贝尔实验室推出了同样具有片内硬件乘法器和存储器、16位字长的DSP芯片DSPI；1982年，美国TI公司成功推出了其第一代DSP 芯片TMS32010，这是DSP应用历史上的一个里程碑”.。在TMS320lO在市场大获成功的基础上，TI公司陆续推出了其TMS320系列DSP芯片。由于TMS320系列DSP 芯片具有价格低廉、简单易用、功能强大等特点，所以逐渐为目前最有影响、最为成功的DSP系列处理器18。为了适应市场的需要，TI公司又陆续推出了它的三大系列产品：(1)TMS320C2000
27、系列一一作为优化控制的最佳DsP，该系列提供了业界成本最低，涉及最广的数字化控制解决方案，自然成为家电、空调(HVAC)系统、厂房自动化系统、电机控制和电力电子的首选控制器件。主要包括TMS320C24xF24x、TMS320LC240xLF240x、TMS320LC240xALF240xA等。(2)TMS320C5000系列一一是最节能的DSP。16位定点，速度40200MIPS，基于DsP控制的交直流方波逆变电源系统研究主要面向低功耗、个人便携产品(如数码音乐播放器、3G蜂窝电话、数码相机等)、无线终端应用等。该系列主要包括TMs320c54x、TMs320c54xx、TMs320c55x
28、等。(3)TMS320C6000系列一一是高性能、最快的DSP，最高的可达11GHz。要面向高性能、多功能、复杂的应用领域(如有线无线宽带网络、组合Modem、GPS导航、ADSL Modem、医学图像处理等)。该系列主要包括TMSC62xxTMS320C64xx、MS320C67xx等。无论微处理器、单片机还是DSP控制器，它们的工作原理是基本一致的，其基本原理图如图2所示，所做的工作不外乎：从存储器、I0接口等地方读取数，按某种规律运算，再把运算结果放到存储器、IO接口等地方。在其工作过程中， 数据流和地址流占统治地位。为了实现数据流和地址流有序的管理和控制，采用数据总线和地址总线是一种最
29、佳的结构方式19。数据总线和地址总线就像两条高速公路，数据信息和地址信息分别在其上快速地流动。程序存储器、数据存储器和内部外设等功能模块分别挂接在数据总线和地址总线上。中央处理单元是控制中心，由它指挥当前时刻谁可以占用数据总线和地址总线， 同时它还可以进行有关的运算；程序存储器是物理芯片与人的接口，由人编写的程序指令写入到程序存储器中，体现了人的意志，中央处理单元只能根据程序的流程进行指挥而不能随意发挥；数据存储器用于记录工作过程中的原始数据、中间结果和最后结论；内部外设是集成在芯片内部与外部世界进行信息交换的功能模块，一般包含I0、AD、串行通讯等。 DSPTMS320C5509A芯片的总体
30、结构 DSPTMS320C5509芯片在总体结构上有很多独特的地方，一是采用多组总线结构实现并行处理机制，允许cPu同时进行程序指令和存储数据的访问；二是采用独立的累加器和乘法器，使得复杂的乘法运算能迅速进行；三是累加器和乘法器分别连接了比例移位器，使得许多复杂运算和运算后的定标能在一条指令中完成；四是有丰富的寻址方式，可方便灵活的编程；五是有完善的片内外设，可以构成完整的控制系统系统资源18。 DSP 处理器TMS320C5509A，16 位数据总线，最高工作频率200M； 片内内置 128K * 16 位 SRAM； 片内内置 32K * 16 位 双通道RAM； 片内内置 96K * 1
31、6 位 单通道RAM； 片内内置 32K * 16 位 ROM； 扩展 4M * 16 位 同步动态SDRAM，HY57V641620； 扩展 512Kb EEPROM，AT25F1024N，可通过SPI bootlodaer，可烧写用户程序；2.逆变器逆变器是一种采用开关关断进行电能变换的装置，它将直流输出通过开关的关断变换而获得交流输出19。本文研究背景主要从以下几个方面来考虑。(1)从逆变器设计制作的本身来说，高性能的正弦波逆变器,代表了逆变器设计的最高水平。本课题研究的出发点是研究标准正弦波逆变器的控制策略以及设计实现。若按照输出波形的不同，可将逆变器产品可分为三种：方波逆变器、修正正
32、弦波逆变器（也叫准正弦波逆变器或称改良方波、模拟正弦波等等）、以及标准正弦波逆变器（也叫纯正正弦波逆变器）。方波逆变器输出为50Hz，极性相反的方波。由于方波逆变器与正弦波逆变器均输出有效值相等的电压，但它们的峰值电压却相差和大，对于某些电容性负载（如开关电源、电子节能灯），均是先将正弦交流电压U的有效值整流滤波后，得到1.414U的峰值电压，再供给后续电路使用，而方波交流电压的有效值在整流滤波后，得到的峰值仍为其有效值12。由于其结构简单,生产成本低,接容性和阻性负载使用不大影响,但如果接感性负载使用不当会损坏逆变器或用电器,比如接音频功放会对音频干扰,长时间接变压器会使变压器产生磁变等情况。同时，方波逆变器的负载能力差，仅为额定负载的4060，如所带的负载过大，方波电流中包含的高次谐
