李凯程， 荀 倩， 荀博洋， 符雁斌， 张银鑫

(1.湖州师范学院 工学院, 浙江 湖州 313000; 2. 内蒙古农业大学 机电工程学院, 内蒙古 呼和浩特 010018)

小功率车载逆变器研究

李凯程1， 荀 倩1， 荀博洋2， 符雁斌1， 张银鑫1

(1.湖州师范学院 工学院, 浙江 湖州 313000; 2. 内蒙古农业大学 机电工程学院, 内蒙古 呼和浩特 010018)

以车载逆变电源为研究对象，对小功率车载逆变器进行整体方案设计，并对逆变器功率电路进行研究，为保证逆变输出端交流电压具有较好的正弦度，对逆变输出端串联的LC滤波器的参数设计和电感设计进行重点论述，最后给出了实验结果及波形分析.实验表明该小功率车载逆变器具有较好的稳态性能.

车载逆变电源； LC滤波器； 小功率； 稳态性能

随着电力电子技术的发展，许多行业的用电设备对逆变器控制性能要求越来越高，逆变器技术的应用领域也越来越广泛[1].随着经济水平的提高，汽车由最原始的代步工具逐步成为生活中的必需品，有车族户外使用的电子产品越来越多，如车载音响、车载冰箱、手提电脑、手机充电器等[2].这类产品的供电就需要车载逆变器来实现.而目前国内配备车载逆变器的车辆还不足20%，加之每年汽车销量居高不下，因而车载逆变器在国内有很好的市场前景.

车载逆变电源原理与光伏发电系统类似，只是直流电的来源不同.光伏系统直流电来源于光伏阵列，而车载逆变系统的直流电由蓄电池提供.车载电源一般从点烟器获取直流电，由于受功率的限制，车载电源的功率一般都不大，若需要更大的功率则需要直接从蓄电池取电.本文采用正弦脉宽调制(SPWM)方法控制全桥逆变器，其输出额定功率为200 W、电压为220 V/50 Hz的交流电，对逆变器的各功能模块进行研究，研制一款小功率车载逆变器.

1 车载逆变器方案设计

本文研究的车载逆变器的总体设计方案如图1所示.

直流母线电压经过升压电路得到400 V直流电压，再经滤波后直接送到主功率电路，处理器产生的SPWM驱动信号经过驱动电路控制逆变电路中功率管的开通与关断.逆变的输出波形经由LC滤波电路滤波后得到220 V/50 Hz的交流电.在LC滤波电路中加入电压、电流采样电路，对输出电压、电流进行采样，并将采样信号反馈到处理器，处理器能够实时调整SPWM，使输出电压稳定.

主功率逆变电路是整个逆变系统的关键电路，承担了直流DC到交流AC的能量转换，在驱动信号的控制下，将输入的直流电压变成脉宽调制交流SPWM；LC滤波电路将从逆变电路输出的SPWM高频谐波部分滤除，只保留基波成分，保证输出正弦交流电的平滑度；处理器产生SPWM驱动信号送到驱动电路，信号经过驱动电路的隔离放大，送到主功率逆变电路；电流电压采样电路对输出电流电压隔离采样，变成单片机可以采集的信号，准确控制输出电压的大小.

2 主功率电路设计

由于直流母线电压是400 V，而输出交流电的有效值是220 V，其峰值达622 V.若采用半桥逆变电路，虽然它具有电路拓扑简单、使用开关元器件少的特点，但由于其直流电压利用率较低，导致输出电压不能达到220 V，需要升高母线直流电压，因此不选用半桥逆变电路.对于推挽式逆变电路来说，虽然比全桥电路少用一半的开关器件，但由于器件所承受的电压是电源电压的两倍，对开关器件的要求很高，因此推挽式逆变电路不合适.

全桥逆变电路相对于半桥逆变电路和推挽式逆变电路来说，虽然它需要的元器件较多，但这种拓扑结构的直流电压利用率较高，不需要将直流电压升得太高，并且在全桥电路中，每一只开关器件所承受的电压也只是电源电压.而多电平逆变电路大多用于高压大功率场合，对于小功率的车载逆变电源来说，成本太高.因此，本文确定选用全桥逆变电路作为主功率电路.

如图2所示，本文采用单相全桥逆变电路.当输出交流测带阻感负载时，需要提供无功功率，因此在每一个开关管旁边反并联一个快恢复二极管，给无功功率提供通道[3].开关管在关断时承受直流母线电压，由于直流母线电压为400 V，所以开关管的耐压值至少不低于400 V.考虑到关断电压尖峰的影响，再取2～3倍的余量，所以开关管的耐压取800 V以上.

3 滤波电路设计

为保证逆变输出端交流电压的正弦度，常在逆变输出端串联一个LC滤波器[4].目前，输出滤波电路仍沿用由Zoble和Campbell提出的LC滤波器参数设计方法.采用该方法进行滤波时，使基波分量处于通带内，高次谐波处于阻带内，从而使高次谐波衰减，基波得以通过，达到滤波的目的[5].

如图3所示，常用的滤波结构有C形滤波电路、Г形滤波电路和π形滤波电路.由于Г形滤波电路使用元件少，具有低通滤波的特性，所以被广泛应用于中小功率逆变电源或大功率逆变电路中.本文选择Г形滤波器作为逆变的输出滤波器.

3.1 参数设计

单相逆变电源的额定功率为200 W，输出正弦波为220 V/50 Hz，输出采用Г型低通滤波器.下面确定Г形滤波器中电感、电容参数.

(1) 确定特性阻抗ρ.根据输出额定功率和额定电压计算额定负载：

(1)

取ρ=0.5RL=121 Ω.

(2)确定截止频率fc.在SPWM控制的逆变器中，高次谐波都来自载波，通常取载波频率的5%～10%作为截止频率.本文采用的波频率为20kHz，所以截止频率为1～2kHz，取截止频率为2kHz.

(3)确定滤波电感和电容的值.滤波的电感和电容分别为:

(2)

(3)

由于逆变输出调制波形中的高次谐波主要降在滤波电感两端，因此增加电感量可更好地抑制低次谐波，但电感量的增大也会增加电感体积.同时，电感量的大小不仅影响稳态时输出电压的波形，还会影响逆变器的动态特性.电感量越大，逆变器的动态性能越差，电感电流变化缓慢，波形畸变严重.减小电感量可以增加它的动态性能，但会增加电感中电流的脉动量.因此，电感值的选取需要进行折中考虑.

输出电容的选取原则是在保证输出电压波形畸变率(THD)的情况下尽可能小.电容与感一样，选取原则都是从减少高次谐波出发.从减小波形畸变率考虑，电容值越大越好.但滤波电容的加大会增加无功功率，使系统效率降低.综合考虑，最终选定的实际电感为L=10mH，电容为C= 2μF.

3.2 电感设计

电感的一般设计步骤如下[6]：

(1) 根据电路拓扑决定电路设计参数，如电感量L、满载时电感电流IL、最大纹波电流ΔI等；

(2) 根据工作频率和使用场合选择合适的磁芯材料；

(3) 粗选磁芯的形状和尺寸一般参照公司的产品手册；

(4) 由所需电感量计算线圈匝数N.

本文选用EI40磁芯，其中柱面积(Ae)为1.48 cm2，每匝电感量(AL)为4.7 μF/N2,具体规格参数如图4所示.上文已确定电感量为10 mH，根据电感匝数计算公式：

(4)

计算得圈匝数为46.1匝，取47匝.

根据要求，电感中流过的额定电流为0.9A，每平方毫米可以流过的安全电流为3A.因此，选用单股直径为1mm的漆包线，其横截面积为0.785mm2.47匝漆包线所需要的面积为36.89mm2，磁芯的窗口面积为174.3mm2.窗口系数的利用率一般控制在20%～40%，所以可利用面积为34.86～69.72mm2，可以绕下47匝线圈.因此，电感最终确定电感量为10mH，选用EI40磁芯，用直径为1mm漆包线绕47匝.

4 性能测试

全桥逆变器同一桥臂的MOSFET驱动信号如图5所示.

由图5可知，驱动信号正常.加上直流电进行测试，相关的测试波形如图6所示.

从图6可以看出，逆变器的输出电压波形在空载到满载变化过程中，输出电压的幅值有些衰减，但输出电压的波形基本保持平滑.

5 结 论

本文对小功率车载逆变器进行整体方案设计，并对其主功率电路进行了研究，同时对输出滤波器的电感电容参数进行了设计.实验波形表明，本文设计的车载逆变器具有较好的稳态性能，在空载和满载工况下，输出电压波形具有较好的正弦度.

[1]李栋，易映萍，谢明，等.基于HPWM调制技术的车载逆变器设计[J].电源技术，2016，40(1)：180-183.

[2]邓嘉，张辉，马皓.基于PIC单片机车载逆变电源逆变器的研究[J].机电工程，2008，25(6)：88-90.

[3]洪宝棣，钱珊珠，田德.风电逆变器的研究与设计[J].内蒙古农业大学学报(自然科学版)，2007，28(1)：117-120.

[4]洪宝棣，赵罡，苏亚南，等.基于SG3524车载逆变电源的设计与实现[J].内蒙古农业大学学报(自然科学版)，2015，36(4)：96-99.

[5]郑昕昕，肖岚，王长宝，等.三相变流器LCL滤波器参数优化新方法[J].中国电机工程学报，2013，33(12)：55-63.

[6]陆庆，张建，郑崇伟，等.LCL滤波器参数性能的比较[J].现代电子技术，2015，38(2)：121-123.

[责任编辑 高俊娥]

A Research on Small Power Vehicle Mounted Inverter

LI Kaicheng1, XUN Qian1, XUN Boyang2, FU Yanbin1, ZHANG Yinxin1

(1.School of Engineering, Huzhou University, Huzhou 313000, China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China)

The overall design scheme of the full-bridge inverter is designed based on the vehicle inverter power supply. The power circuit of the inverter is studied, and in order to ensure the AC voltage at the output terminals of the inverter has good sine wave, parameter design of the LC filter of the inverter is discussed, as well as the inductor design. Finally, the paper gives the experimental results and waveform analysis, and the experimental results show that the small power vehicle inverter has good dynamic and steady performance.

vehicle mounted inverter; LC filter; low power; steady performance

2016-06-07

湖州市“公益性技术应用研究计划”项目(2015GZ05);湖州师范学院“大学生创新创业训练计划”项目 (2016-137).

荀倩，硕士，研究方向：电力电子与电力传动.E-mail：xunq520@hotmail.com

TM464

A

1009-1734(2017)02-0037-05