專利名稱：一種電壓源推挽式逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于有源逆變技術(shù)領(lǐng)域，采用功率M0SFET(power Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor，功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，下同) 和普通電源變壓器以及二重化技術(shù)，解決電網(wǎng)運行功率因數(shù)低，補償電網(wǎng)無功，提高開關(guān)頻 率，減少諧波分量，改善輸出特性。
背景技術(shù)：
在直流-交流變換中有兩個問題值得特別關(guān)注，一是換流問題，另一是輸出電能 質(zhì)量控制問題。換流伴隨的是器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，在大功率逆變電路中，電流源型逆變器常 采用半控晶閘管器件作功率開關(guān)，半控器件存在關(guān)斷問題，尤其是在電壓極性不變的直流 電源條件下工作時存在較長時間換流過程，限制了開關(guān)頻率，使輸出電流為方波；高壓、大 功率電壓源型逆變器多采用門極可關(guān)斷晶閘管作功率元件，雖然有自關(guān)斷能力而可以采用 觸發(fā)信號來控制器件的通斷，但器件開關(guān)頻率偏低，輸出電壓也多為方波。方波電壓、電流 含有豐富的低次諧波，嚴重影響輸出特性。如用于交流電機供電，會使電機附加損耗增加， 效率降低，運行功率因數(shù)惡化，產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩，引起噪聲與振動。逆變電路輸出的是交流電 能，要求其波形正弦，輸出諧波含量少。當前的有源逆變技術(shù)存在著前面所述的技術(shù)缺點， 而本實用新型所公開的一種電壓源推挽式逆變器正是克服這些技術(shù)缺陷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就在于對逆變電路拓撲進行改造，緩沖無功，抑制諧波，提高開 關(guān)頻率，提供一種具有恒頻恒壓特性的類似理想電網(wǎng)的逆變電源。一種電壓源推挽式逆變器，主要由信號發(fā)生電路，功率放大電路，電源開關(guān)電路組 合構(gòu)成，其特征在于信號發(fā)生電路采用六反相器產(chǎn)生振蕩信號，并串有補償電阻，備用的 反相器輸入端接地；振蕩信號經(jīng)反相器與電容窄帶補償后輸入放大電路，其中反相器輸出 端直接與三極管基極偏置電阻連接；電源開關(guān)電路由場效應(yīng)管和普通電源變壓器兩部分構(gòu) 成，放大信號由三極管集電極引出后導(dǎo)入對稱放置的兩對對偶的增強型場效應(yīng)管的柵極， 其中兩對對偶的增強型場效應(yīng)管的漏極分別串接在一起，而普通電源變壓器的低壓繞組跨 接在兩對對偶的增強型場效應(yīng)管的共漏輸出端上，高壓繞組直接連接整個電路的輸出端 子。直流輸入側(cè)Fl處并入大電容C4作為儲能和濾波元件用作無功功率緩沖環(huán)節(jié)和濾 波環(huán)節(jié)，構(gòu)成逆變器低阻抗的電源內(nèi)阻特性，將負載電壓鉗在電源電壓水平上，降低浪涌過 電壓，可使輸出電壓確定，其波形接近矩形，電流波形接近正弦。直流電壓通過芯片IC2后 可使電壓調(diào)整至所設(shè)定的信號幅值電壓供給信號發(fā)生電路。芯片IC2可以根據(jù)需要選取， 如需要15V直流電壓時可選取芯片7815，需要5V直流電壓時可選取芯片7805，需要3. 3V 直流電壓時可選取芯片W117等。信號發(fā)生電路由六反相器⑶4069、電阻器、電容器組合構(gòu)成，可輸出恒頻恒壓的方波。電阻Rl作為補償電阻，可以改善由于電源電壓的變化而引起的振蕩頻率不穩(wěn)。電路的 振蕩是通過電容Cl的充放電過程完成的。其他備用的反相器的輸入端接地避免影響其他 電路。由于元件的誤差，信號電壓頻率的實際值會略有偏差。為此，信號電壓在輸入功率 放大電路之前先經(jīng)過反相器與電容器進行滯后補償。電容器接在時間常數(shù)最大的回路中， 可使上限頻率降低，破壞幅度平衡條件，消除自激振蕩，使電路能穩(wěn)定工作。
信號發(fā)生電路輸出的振蕩信號比較微弱，為充分驅(qū)動電源開關(guān)電路，還需要一個 功率放大的過程。調(diào)整直流輸入電源以及基極偏置電阻R3與R5、集電極負載電阻R4與R6， 可使半導(dǎo)體三極管TRl和TR2分別滿足外部偏置條件并將振蕩信號電壓放大到合適的倍 數(shù)，一般為20倍至200倍。電源開關(guān)電路是逆變器的核心部分，采用功率場效應(yīng)管和普通電源變壓器。對于 場效應(yīng)管，在柵極沒有電壓時處于截止狀態(tài)，當有正電壓加在柵極上時，由于電場的作用而 導(dǎo)通。電路中將一個增強型P溝道MOSFET (TR3、TR5)和一個增強型N溝道MOSFET (TR4、 TR6)組合在一起使用，并且上下兩路對稱。當輸入端為低電平時，P溝道MOSFET導(dǎo)通，輸出 端與電源正極接通。當輸入端為高電平時，N溝道MOSFET導(dǎo)通，輸出端與電源地接通。電 源經(jīng)一個變壓器和兩組功率開關(guān)交替向負載提供能量，通過變壓器同名端和開關(guān)時序的安 排，輸出電壓極性在一個輸出周期中可以改變一次或多次，屬于推挽逆變結(jié)構(gòu)。由于P溝道 MOSFET和N溝道MOSFET總是工作在相反的狀態(tài)下，其相位輸入端和輸出端總是相反，可以 獲得較大的電流輸出；同時由于漏電流的影響，使得MOSFET在柵壓小于IV或者2V時即被 關(guān)斷，不同MOSFET的關(guān)斷電壓略有不同，避免了兩管同時導(dǎo)通而造成電源短路的情況。功 率MOSFET作為開關(guān)工作時其開關(guān)切換速度很快，通?？蛇_亞微秒數(shù)量級，大大提高了開 關(guān)頻率，減少了諧波分量。再將所得到的低電壓、大電流、頻率穩(wěn)定的交變信號通過保險絲 F2后引入普通電源變壓器Tl的低壓繞組，保險絲F2可以防止振蕩部分停止工作時變壓器 低壓側(cè)過流。然后在變壓器的高壓側(cè)感應(yīng)出高壓穩(wěn)頻交流電壓，完成直流到交流的轉(zhuǎn)換。放 大電路與電源開關(guān)電路均采用上下對稱的兩路電路組合構(gòu)成，屬于二重化結(jié)構(gòu)，輸出矩形 波在相位上錯開一定角度進行疊加，可以獲得更接近正弦波的多階梯波形，進一步改善了 輸出諧波的性能。本實用新型的效果和益處是直流輸入側(cè)并有大電容用來緩沖無功功率，構(gòu)成逆 變器低阻抗的電源內(nèi)阻特性，可以防止逆變顛覆，穩(wěn)定輸出電壓并使其波形接近矩形，電流 波形接近正弦。直流輸入側(cè)的輔助電源芯片IC2可以根據(jù)需要選取，擴大了電路參數(shù)的調(diào) 節(jié)范圍。方波信號發(fā)生器串有補償電阻，可以穩(wěn)定振蕩頻率，提高了電路的穩(wěn)定性。反相器 與電容器構(gòu)成的窄帶補償環(huán)節(jié)基本消除了由于元件誤差帶來的偏差，同時也改善了后續(xù)放 大電路的穩(wěn)定性。功率放大電路采用半導(dǎo)體三極管，可以獲得較大的放大倍數(shù)，同時可以通 過調(diào)整直流輸入電源以及基極偏置電阻、集電極負載電阻來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。電源開關(guān)電路 主要由MOSFET和普通電源變壓器構(gòu)成，其輸出功率取決于MOSFET和電源變壓器的功率，免 除了復(fù)雜的變壓器繞制。MOSFET具有很高的輸入阻抗，同時由于漏電流的影響，使其在柵壓 小于IV或者2V時即被關(guān)斷，不同MOSFET的關(guān)斷電壓略有不同，避免了兩管同時導(dǎo)通而造 成短路，并且電源變壓器的低壓側(cè)串有保險絲，提高了電路的安全性能。尤其是MOSFET沒 有少數(shù)載流子參與導(dǎo)電，其開關(guān)切換速度很快，大大提高了開關(guān)頻率，在時間維度上改善了諧波性能，降低了附加損耗，提高了功率因數(shù)。電源開關(guān)電路采用上下對稱的二重化結(jié)構(gòu)， 不僅控制相對簡單，而且進一步從空間維度上實現(xiàn)了較好的輸出諧波性能；推挽式結(jié)構(gòu)也 大大降低了因器件壓降導(dǎo)致的損耗。普通電源變壓器漏感較小，具備匹配電壓的能力，可以 濾波、平波，儲能并傳輸能量，抑制尖峰電壓或電流，輸出高質(zhì)量的電能。與現(xiàn)有的各種逆變 器相比，本實用新型中的逆變器電路結(jié)構(gòu)簡單、電源穩(wěn)定、控制方便、效率高、參數(shù)可調(diào)、開 關(guān)頻率高、輸出波形更接近于正 弦，非常節(jié)約電能，安全系數(shù)高，電力污染小，對環(huán)境保護也 是很有利的。在提高電能質(zhì)量方面有很大的應(yīng)用價值，并且適用于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。

圖1是逆變器電路的總體結(jié)構(gòu)圖。圖2是信號發(fā)生電路的電路圖。圖3是功率放大電路的電路圖。圖4是電源開關(guān)電路的電路圖。圖5是逆變器的實現(xiàn)電路圖。
具體實施方式
本實用新型涉及的逆變器結(jié)構(gòu)主要由信號發(fā)生電路，功率放大電路，電源開關(guān)電 路組合構(gòu)成。直流輸入側(cè)并入大電容用作無功功率緩沖環(huán)節(jié)和濾波環(huán)節(jié)，構(gòu)成逆變器低阻 抗的電源內(nèi)阻特性，穩(wěn)定輸出電壓，使其波形接近矩形，電流波形接近正弦。直流電壓通過 芯片IC2后可使電壓調(diào)整至需要的信號幅值電壓供給信號發(fā)生電路。芯片IC2可以根據(jù)需 要選取，如需要15V直流電壓時可選取芯片7815，需要5V直流電壓時可選取芯片7805，需 要3. 3V直流電壓時可選取芯片W117等。信號發(fā)生電路利用反相器輸出恒頻恒壓的方波， 電阻Rl作為補償電阻，可以穩(wěn)定振蕩頻率，而電路的振蕩是通過電容Cl的充放電過程完成 的。備用的反相器的輸入端接地避免影響其他電路。后續(xù)的反相器與電容器組成的滯后補 償環(huán)節(jié)可以消除由于元件誤差所導(dǎo)致的信號電壓頻率的偏差，其中電容器接在時間常數(shù)最 大的回路中，可以降低上限頻率，消除自激振蕩，使電路能穩(wěn)定工作。信號發(fā)生電路輸出的 振蕩信號比較微弱，為充分驅(qū)動電源開關(guān)電路，還需要對信號進行功率放大。調(diào)整直流輸入 電源以及基極偏置電阻R3與R5、集電極負載電阻R4與R6，可使半導(dǎo)體三極管TRl和TR2 分別滿足外部偏置條件并將振蕩信號電壓放大到合適的倍數(shù)。電源開關(guān)電路是逆變器的核 心部分，采用功率場效應(yīng)管和普通電源變壓器。電路中將一個增強型P溝道MOSFET和一個 增強型N溝道MOSFET組合在一起使用，并且上下兩路對稱。當輸入端為低電平時，P溝道 MOSFET導(dǎo)通，輸出端與電源正極接通。當輸入端為高電平時，N溝道MOSFET導(dǎo)通，輸出端與 電源地接通。電源經(jīng)一個變壓器和兩組功率開關(guān)交替向負載提供能量，屬于推挽逆變結(jié)構(gòu)。 由于P溝道MOSFET和N溝道MOSFET總是工作在相反的狀態(tài)下，其相位輸入端和輸出端總 是相反，可以獲得較大的電流輸出；同時由于漏電流的影響，使得MOSFET在柵壓小于IV或 者2V時即被關(guān)斷，不同MOSFET的關(guān)斷電壓略有不同，又避免了兩管同時導(dǎo)通而造成電源短 路的情況。功率MOSFET作為開關(guān)工作時其開關(guān)切換速度很快，提高了開關(guān)頻率，減少了諧 波分量。放大電路與電源開關(guān)電路均采用上下對稱的兩路電路組合構(gòu)成，屬于二重化結(jié)構(gòu)， 輸出矩形波在相位上錯開一定角度進行疊加，可以獲得更接近正弦波的多階梯波形，進一步改善了輸出諧波 的性能。再將所得到的低電壓、大電流、頻率穩(wěn)定的交變信號通過保險絲 F2后引入普通電源變壓器的低壓繞組，保險絲F2可以防止振蕩部分停止工作時變壓器低 壓側(cè)過流。即可在變壓器的高壓側(cè)感應(yīng)出高壓穩(wěn)頻交流電壓，完成直流到交流的轉(zhuǎn)換。 上述詳細說明為針對本實用新型的一種較佳的可行實施例說明而已，惟該實施例 并非用以限定本實用新型的申請范圍，凡其它未脫離本實用新型所揭示的技藝精神下所完 成的均等變化與修飾變更，均應(yīng)包含于本實用新型所涵蓋的專利范圍中。
權(quán)利要求1. 一種電壓源推挽式逆變器，主要由信號發(fā)生電路，功率放大電路，電源開關(guān)電路組 合構(gòu)成，其特征在于信號發(fā)生電路采用六反相器產(chǎn)生振蕩信號，并串有補償電阻，備用的 反相器輸入端接地；振蕩信號經(jīng)反相器與電容窄帶補償后輸入放大電路，其中反相器輸出 端直接與三極管基極偏置電阻連接；電源開關(guān)電路由場效應(yīng)管和普通電源變壓器兩部分構(gòu) 成，放大信號由三極管集電極引出后導(dǎo)入對稱放置的兩對對偶的增強型場效應(yīng)管的柵極， 其中兩對對偶的增強型場效應(yīng)管的漏極分別串接在一起，而普通電源變壓器的低壓繞組跨 接在兩對對偶的增強型場效應(yīng)管的共漏輸出端上，高壓繞組直接連接整個電路的輸出端 子。
專利摘要本實用新型公開了一種電壓源推挽式逆變器，主要由信號發(fā)生電路，功率放大電路，電源開關(guān)電路組合構(gòu)成，屬于有源逆變技術(shù)領(lǐng)域。信號發(fā)生電路采用反相器產(chǎn)生振蕩信號，并有補償電阻穩(wěn)定振蕩頻率。振蕩信號先通過反相器與電容進行窄帶補償，消除元件誤差后送入三極管基極。經(jīng)三極管放大后驅(qū)動電源開關(guān)電路，采用增強型功率場效應(yīng)管作為開關(guān)工作，再將所得低壓穩(wěn)頻交變信號通過保險絲后引入普通電源變壓器的低壓繞組，然后在變壓器的高壓側(cè)感應(yīng)出高壓交流電壓。與現(xiàn)有各種逆變器相比，本實用新型通過對逆變電路拓撲進行改造，緩沖無功，抑制諧波，提高開關(guān)頻率，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、電源穩(wěn)定、功率因數(shù)高、開關(guān)頻率高、諧波分量少、輸出特性好等優(yōu)點。
文檔編號H02M7/538GK201878037SQ20102026595
公開日2011年6月22日 申請日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月13日
發(fā)明者李平, 楊傳斌, 柏德勝, 沈華榮 申請人:李平, 楊傳斌, 柏德勝, 沈華榮