220 V逆變器用直流升壓電路的設(shè)計與特性分析

朱挺鋒，秦會斌（杭州電子科技大學(xué)新型電子器件研究所，浙江杭州310018）

0 引 言

傳統(tǒng)的逆變器在輸入電壓較小的情況下，一般采用先逆變再工頻升壓到市電交流220 V。由于采用體積笨重，轉(zhuǎn)換效率較低的工頻變壓器，實際使用效果往往低于預(yù)期。近幾年，科研工作者積極探索采用高頻鏈結(jié)構(gòu)實現(xiàn)逆變電路能量的高效轉(zhuǎn)換，前級升壓后級逆變的結(jié)構(gòu)逐漸被采用和完善。此結(jié)構(gòu)在逆變輸出220 V交流的時候，理論上前級升壓電路輸出端必須高于310 V。

本設(shè)計輸入端采用4節(jié)12 V 100 Ah的大容量鉛酸電池串聯(lián)供電，能滿足長時間穩(wěn)定輸出1 k W功率的要求。電路部分由驅(qū)動板、功率板和輔助電源三個模塊組成，經(jīng)過不斷調(diào)試和修正，各功能模塊工作穩(wěn)定，制作出來的樣機(jī)性能指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期。

1 直流升壓電路整體設(shè)計框架

本文所敘述的推挽升壓電路框架如圖1所示，輸入端光伏陣列（驗證時用電壓變化范圍在48～54 V之間的蓄電池組代替）額定電壓48 V，通過電容濾波電路后，由SG3525控制，采用推挽升壓拓?fù)湟约俺醪⒋未p變壓器結(jié)構(gòu)，通過高壓反饋調(diào)節(jié)，得到額定值在350 V左右的高壓直流。文中簡明扼要地分析了推挽升壓電路的工作原理以及變壓器的詳細(xì)參數(shù)設(shè)計，最后制作樣機(jī)加以驗證。研究結(jié)果表明，所設(shè)計的直流升壓具備體積小，電路工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率高，能夠長期輸出1 kW的功率。

圖1 推挽升壓電路框圖

2 推挽升壓驅(qū)動板和功率板的設(shè)計

2.1 SG3525驅(qū)動板電路設(shè)計［1，2］

SG3525是由美國Silicon General研發(fā)的一款用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET的PWM控制器。其突出的電流控制脈寬調(diào)制性能，使得設(shè)計出來的開關(guān)電源在電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性方面都有良好的表現(xiàn)。

如圖2所示，SG3525采用12 V直流電壓供電，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號FB為高壓反饋信號，Vref為5 V參考電壓，SHUT用于關(guān)斷PWM輸出，PWM1和PWM2為兩路互補(bǔ)輸出脈寬調(diào)制信號。PWM輸出頻率通過芯片引腳5（定時電容CT端）、引腳6（定時電阻RT端，初始值為12 kΩ）、引腳7（泄放電阻RD端）共同控制，計算公式為

理論計算值為56 k Hz，實測頻率為55.3 k Hz。死區(qū)時間根據(jù)MOS管的導(dǎo)通關(guān)斷時間設(shè)置在100 ns左右，經(jīng)驗證，符合設(shè)計要求。

圖2 SG3525驅(qū)動電路

針對本文設(shè)計的推挽升壓電路采用雙變壓器結(jié)構(gòu)，SG3525兩路互補(bǔ)輸出信號PWM1、PWM2在采用圖騰柱結(jié)構(gòu)增大驅(qū)動能力的同時，將每一路信號一分為二，如圖3所示。試驗證明，該驅(qū)動板運(yùn)轉(zhuǎn)良好，在大功率帶載的時候仍然能夠穩(wěn)定工作。

圖3 互補(bǔ)PWM驅(qū)動信號

2.2 升壓功率板設(shè)計［3］該設(shè)計主體采用推挽結(jié)構(gòu)

，并采用雙變壓器初并次串方式，輸出端接橋式整流電路和濾波電容，如圖4所示。其中變壓器的11和14引腳接MOSFET的D極，并通過PWM波控制MOS管的開關(guān)斷。

圖4 雙變壓器結(jié)構(gòu)

因網(wǎng)上有大量的推挽計算公式［4，5］，本文不再詳述。所述升壓電路主要為逆變器提供穩(wěn)定的直流高電壓，額定功率值為1 kW，兩個變壓器平均分配所需功率。兩個變壓器設(shè)計思路和過程完全一致，本文只對圖中的變壓器1進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

（1）初級線圈匝數(shù)計算

取Bm＝0.15 T，Ae＝354 mm2（EE55磁芯截面積），Uin取額定值48 V，Ton以SG3525振蕩頻率兩倍的倒數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，取值Np＝8。

（2）次級線圈匝數(shù)計算

式中，Uh為輸出的母線高壓，設(shè)置為350 V，求得Ns＝30匝。

（3）1 k W滿負(fù)荷工作時，流經(jīng)變壓器初級線圈的電流值計算公式為

經(jīng)計算可得Ipft＝14.5 A。

（4）原邊線圈電流有效值

占空比D取經(jīng)驗值0.9，求得Irms＝9.7 A，變壓器線圈電流密度設(shè)定為5 A／mm2，經(jīng)計算可得初級采用0.1 mm×120利茲線2根并繞，次級采用0.1 mm×90利茲線單根繞制。為盡量減小初級漏感，變壓器采用夾層繞法。

實驗中發(fā)現(xiàn)，所采用的變壓器在滿足額定輸出功率的情況下，上述繞制方式仍存在較多的窗口面積。為提高變壓器的窗口利用率以及盡可能地保證變壓器工作在不飽和狀態(tài)，本設(shè)計采取了同比例增加初次級線圈的方式，經(jīng)調(diào)試，最終取Np＝11，Ns＝40。

3 實物圖和實驗結(jié)果

3.1 實物

如圖5所示，本文所述設(shè)計由輔助電源（左側(cè)）、升壓功率板（右上）、升壓驅(qū)動板（右下）三部分組成。由SG3525芯片控制的驅(qū)動板在輔助電源（輸出DC12 V）的供電下，對功率板電路的MOSFET進(jìn)行開關(guān)控制，輸出端經(jīng)過整流濾波后輸出穩(wěn)定的高壓直流電。

圖5 升壓電路實物圖

3.2 實驗結(jié)果

輸入端采用4個12 V鉛酸蓄電池串聯(lián)供電（每個容量為100 Ah，完全滿足本實驗要求），經(jīng)反復(fù)調(diào)試，達(dá)到千瓦級別輸出要求，輸出直流高壓變化范圍在341～360 V之間。電路空載時，損耗為5.76 W，隨著輸出功率的進(jìn)一步增大，輸出電壓逐漸從360 V減小至341 V，輸出效率呈現(xiàn)上升趨勢，峰值效率在97.6%左右。

SG3525的兩路互補(bǔ)PWM信號經(jīng)驅(qū)動增強(qiáng)電路輸出波形如圖6所示。

圖6 互補(bǔ)PWM波形

從圖6可以看出，兩路PWM信號因帶死區(qū)時間設(shè)置（防止同時導(dǎo)通），占空比均小于50%，輸出該P(yáng)WM波有一個上升高度為1.2 V，時間跨度為2.5μs的小毛刺，因不影響電路正常工作，為簡化電路，未做特殊處理［6］。

實驗過程中通過觀察MOS管DS兩端的電壓波形發(fā)現(xiàn)，DS兩端電壓在MOS管關(guān)斷瞬間出現(xiàn)毛刺，并且隨著輸出功率地不斷增大，DS兩端峰值電壓略有上升，在1 kW輸出時，經(jīng)檢測達(dá)到162 V的峰值電壓，因樣機(jī)選擇MOS管的耐壓值為200 V，為簡化電路設(shè)計，未對變壓器進(jìn)行RCD鉗位設(shè)計［7］。

表1列舉了樣機(jī)在不同負(fù)載情況下輸入輸出電壓電流大小以及效率計算，因?qū)嶒灄l件和當(dāng)時環(huán)境的影響，結(jié)果存在一定的誤差，僅供參考［8］。

表1 樣機(jī)輸入輸出特性

4 結(jié) 論

本設(shè)計主電路采用DC-DC推挽升壓拓?fù)洌儔浩鞑扇〕醪⒋未Y(jié)構(gòu)，通過SG3525芯片的高效PWM控制，所設(shè)計的直流升壓電路輸出電壓穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率高，在光伏逆變以及車載逆變領(lǐng)域有著重要的實際應(yīng)用價值。

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