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（二 ○ ○ 七 年 六 月本科毕业设计说明书 题 目：便携式D C /A C 逆变电源设计 学生姓名：x x 学 院：x x 系 别：自动化系 专 业：自动化 班 级：自动化x x 指导教师：x x摘要随着电力电子技术的发展，尤其是功率MOSFET管和软开关技术的发展，便携式DC/AC逆变电源得以应用。
本课题设计的便携式DC\AC逆变器用于24V直流电变换成220V\50Hz的交流电。
在设计中，DC\DC部分采用反激式升压整流结构，变压器采用EI型功率铁氧体磁芯变压器，DC\AC侧采用半桥式逆变结构。
在本设计中还应用了100kHz PWM 波对直流升压侧进行调制。
在半桥逆变部分，用单片机生成50Hz SPWM波对逆变进行脉宽调制，其优点在于调制出来的电压信号谐波分量小、功率因数高、电压波形更接近正弦波。
本课题所设计的产品主要用于解决便携式数码产品和手机的充电问题。
因为在有些环境之下，并不能够找到可以为上述产品充电的交流电源，比如在汽车中和旅途中往往只能够提供直流电源。
本产品很好的解决了这类问题，所以本产品的市场推广前景很好。
关键词：DC\DC；DC\AC；变压器；PWM；SPWMAbstractWith the development of Power Electronics Technology and especially power MOSFET and soft-switch technology, DC / AC inverter power source for portable products was applied widely.This project design portable DC \ AC inverter for the usage of 24V DC converted into 220V \ 50Hz AC. Power demand load of 10 W, the output waveform for better quality sine wave. In the design, the part of DC \ DC uses the flyback booster rectifier structure. In this design it uses 100 kHz PWM wave to modulate the DC Boost right side. In the part of the half-bridge inverter, it generates 50 MCU Hz SPWM wave inverter for pulse width modulation, The advantage is that the sine wave modulation signal voltage harmonic components are small, the power factor is high, the voltage wave forms closer to the sine wave shape.The product used for resolving the portable digital products and cell phone charger problem. In some environment, we can not find the 220v AC power for charging. for instance, when you are on the trip .the train and the car don’t supply 220V AC power.This product solve those problems well, so the product will have a good prospects for promotion.Keywords: DC\DC；DC\AC；Transformer；PWM；SPWM目录第一章绪论 (1)1.1课题背景 (1)1.2课题研究的相关理论概述及方案的初选 (1)1.3系统框图的确定 (1)第二章 DC/DC 电路的设计 (3)2.1DC/DC电路的相关理论 (3)2.1.1 DC/DC变换器的拓扑类型 (3)2.1.2单管反激式变换器 (3)2.2反激式变压器的设计 (6)2.2.1设计用基本参数设置及 (6)2.2.2变压器的设计 (6)2.2.3 变压器设计的定量计算 (7)2.2.4 变压器材料 (11)2.3调制电路的设计 (12)2.3.1 TL494的介绍 (12)2.3.2 TL494的工作原理 (12)第三章 DC/AC电路设计 (15)3.1半桥型逆变电路 (15)3.1.1 半桥电路的定量分析 (16)3.1.2 半桥电路的元器件选择 (16)第四章 SPWM调制电路的设计 (17)4.1正弦波脉宽调制 (17)4.1.1正弦波脉宽调制简介 (17)4.1.2SPWM脉宽调制的优点 (17)4.1.3SPWM脉宽调制的生成方法 (18)4.2改进型SPWM生成技术的介绍 (19)4.3SPWM的软件实现 (20)4.4SPWM的硬件实现 (21)4.4.1硬件实现的方法 (21)4.4.2硬件电路的介绍 (21)第五章结论 (23)参考文献 (24)附录 (25)谢辞 (28)第一章绪论1.1 课题背景随着人们生活水平的提高，人身边的手机、MP3及数码类产品逐渐增多。
DC/AC逆变器,DC/AC逆变器的基本原理背景知识：DC/AC逆变技术能够实现直流电能到交流电能的转换，可以从蓄电池、太阳能电池等直流电能变换得到质量较高的、能满足负载对电压和频率要求的交流电能。
DC/AC逆变技术在交流电机的传动、不间断电源(UPS)、变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等许多场合得到了广泛的应用。
DC/AC逆变技术的基本原理是通过半导体功率开关器件(例如SCR,GTO，GTR,IGBT 和功率MOSFET模块等)的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。
由子是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高。
但转换输出的波形却很差，是含有相当多谐波成分的方波。
而多数应用场合要求逆变器输出的是理想的正弦波，因此如何利用半导体功率开关器件的开通和关断的转换，使逆变器输出正弦波和准正弦波就成了DC/AC逆变器技术发展中的一个主要问题。
基本原理：常用逆变器主电路的基本形式有两种分类方法：按照相数分类，可以分为单相和三相；按照直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器。
具体如下：DC/AC逆变器按拓扑结构划分，分为Buck型DC/AC逆变器，Boost型DC/AC逆变器，Buck-Boost型DC/AC逆变器。
1，Buck型DC/AC逆变器Buck型DC/AC逆变器电路基本拓扑如图所示。
采用了两组对称的Buck电路，负载跨接在两个Buck变换器的输出端，并以正弦的方式调节Buck变换器的输出电压，进行DC/AC的变换。
它包括直流供电电源Vm，输出滤波电感L1和L2，功率开关管S1-S4 。
滤波电容C1和C2，续流二极管D1-D4，以及负载电阻R。
通过滑模控制，使输出电容电压V1和V2随参考电压的变化而变化，从而使两个Buck变换器各产生一个有相同直流偏置的正弦波输出电压，并且V1和V2在相位上互差180度。
由于负载跨接在K和代的两端，则DC/AC变换器的输出电压玲为如下式所示的正弦波，图2所示即为逆变器的基本工作原理。
DC/A C逆变器的制作－工作原理2010-10-01 08:35:20这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。
方波信号发生器（见图3）图3这里采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。
电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。
电路的振荡是通过电容C1充放电完成的。
其振荡频率为f=1/2.2RC。
图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz。
由于元件的误差，实际值会略有差异。
其它多余的反相器，输入端接地避免影响其它电路。
场效应管驱动电路。
图4由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为0~5V，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至0~12V。
如图4所示。
MOS场效应管电源开关电路。
这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。
图5MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。
它一般有耗尽型和增强型两种。
本文使用的为增强型MOS 场效应管，其内部结构见图5。
它可分为NPN型PNP型。
NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。
由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。
我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。
但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。
图6为解释MOS 场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。
dcac逆变器工作原理
DC-AC逆变器是一种将直流电源转换为交流输出的装置。
其
工作原理基于以下几个步骤：
1. 直流输入：逆变器的输入是来自直流电源，如电池或太阳能电池板产生的直流电。
2. 调整和控制：逆变器先对输入直流电进行调整和控制，以确保电压和频率等符合交流电的要求。
3. 交流输出：调整后的直流电通过一个逆变器电路被转换为交流电。
逆变器电路通常由一组晶体管或场效应晶体管构成。
4. 输出过滤：输出的交流电通常需要进行滤波处理，以消除噪音和谐波，并确保电流和电压的稳定性。
总的来说，DC-AC逆变器的工作原理是将直流电转换为需要
的交流电输出，通过调整电压、频率和波形来满足应用的需求。
DCAC逆变器装置综述DC/AC逆变器装置综述1.使用背景DC/AC逆变器是应用功率半导体器件,将直流电能转换成恒压恒频交流电能的一种静止变流装置,供交流负载用电或与交流电网并网发电。
随着石油、煤和天然气等主要能源的大量使用,新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。
利用新能源的关键技术-逆变技术能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其它新能源转化的电能变换成交流电能与电网并网发电。
因此,逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。
2.逆变技术传统的DC/AC逆变器采用低频环节逆变技术,主要有方波逆变器、阶梯波合成逆变器、正弦脉宽调制SPWM逆变器。
1方波逆变器方波逆变器主要有推挽式、全桥式电路结构。
推挽式方波逆变器由推挽逆变器、交流调压开关和输出滤波器构成,如图1(a)所示。
推挽式方波逆变器主要是通过调节逆变器输出电压脉宽来实现调压功能的。
一种调压方法是调节功率开关S1、S2驱动信号占空比,从而改变输出电压uAB即uCD的脉宽,如图1(b)所示。
但这种调压方法存在明显缺点,即感性负载储能回馈到电网时,变压器T 副边绕组感应有阴影部分电压,这部分电压随感性负载电感分量加大而加宽,纯电感负载时有效脉宽调节范围为0～Ts/4,而纯电阻负载时有效脉宽调节范围为0～Ts/2。
另一种调压方法是在变压器副边与输出交流滤波器之间加交流调压开关S3,调节功率开关S3驱动信号占空比,即可调节输出矩形波脉宽,交流开关将方波电压变成脉宽可调的矩形波电压。
2阶梯波合成逆变器为了减小方波逆变器输出波形谐波含量,可采用DC/DC变换器和阶梯波合成逆变器级联式电路结构,如图2(a)所示。
阶梯波的阶高按正弦规律变化,如果每个周期阶梯波的阶梯数为2N,则需要N台单相逆变器或N/3台三相逆变器。
每个单相功率电路相同,可采用推挽、桥式或三相桥式电路。
大功率逆变器阶梯波合成常用的方法是移相迭加法,即将N个依次相移P/N、不同幅值的方波或矩形波迭加合成,最大限度地将某些低次谐波互相抵消,使合成波的谐波含量最小。
DC/AC逆变器,DC/AC逆变器的基本原理背景知识：DC/AC逆变技术能够实现直流电能到交流电能的转换，可以从蓄电池、太阳能电池等直流电能变换得到质量较高的、能满足负载对电压和频率要求的交流电能。
DC/AC逆变技术在交流电机的传动、不间断电源(UPS)、变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等许多场合得到了广泛的应用。
DC/AC逆变技术的基本原理是通过半导体功率开关器件(例如SCR,GTO，GTR,IGBT 和功率MOSF ET模块等)的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。
由子是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高。
但转换输出的波形却很差，是含有相当多谐波成分的方波。
而多数应用场合要求逆变器输出的是理想的正弦波，因此如何利用半导体功率开关器件的开通和关断的转换，使逆变器输出正弦波和准正弦波就成了DC/AC逆变器技术发展中的一个主要问题。
基本原理：常用逆变器主电路的基本形式有两种分类方法：按照相数分类，可以分为单相和三相；按照直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器。
具体如下：DC/AC逆变器按拓扑结构划分，分为Buck型DC/AC逆变器，Boost型DC/AC逆变器，Buck-Boost型DC/AC逆变器。
1，Buck型D C/AC逆变器Buck型D C/AC逆变器电路基本拓扑如图所示。
采用了两组对称的Buc k电路，负载跨接在两个Buck变换器的输出端，并以正弦的方式调节Bu ck变换器的输出电压，进行DC/AC的变换。
它包括直流供电电源Vm，输出滤波电感L1和L2，功率开关管S1-S4 。
滤波电容C1和C2，续流二极管D1-D4，以及负载电阻R。
第三章逆变控制器得组成及工作原理DC-AC变换结构:DC-AC全桥变换得基本原理如上图所示,Ud为直流电压,V1,V2,V3,V4为可控开关。
当V1,V4导通V2,V3断开时,负载端电压Us为上正下负。
反之,当V2,V3导通V1,V4断开时,负载端电压Us为下正上负。
Spwm调制介绍随着逆变器控制技术得发展,电压型逆变器出现了多种变压、变频控制方法。
目前采用较多得就是正弦脉宽调制调制技术,即SPWM 控制技术。
SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)技术,就是指调制信号正弦化得PWM技术。
由于其具有开关频率固定、输出电压只含有固定频率得高次谐波分量、滤波器设计简单等一系列优点,SPWM 技术已成为目前应用最为广泛得逆变用 PWM 技术。
SPWM (正弦脉宽调制)应用于正弦波逆变器主要基于采样控制理论中得一个结论:冲量相等而形状不同得窄脉冲加在具有惯性得环节上,效果基本相同。
图3-1就是将正弦波得半个周期分成等宽(π/N)得N个脉冲,(b)就是N个宽度不等得矩形脉冲,但矩形中点与正弦等分脉冲中点重合,并且矩形脉冲得面积与相应正弦脉冲面积相等。
图3-1 数字PWM控制基本原理SPWM 技术按工作原理可以分为单极性调制与双极性调制。
单极性调制得原理如图3-2(a),其特点就是在一个开关周期内两只功率管以较高得开关频率互补开关,保证可以得到理想得正弦输出电压;另两只功率管以较低得输出电压基波频率工作,从而在很大程度上减少了开关损耗。
但并不就是固定其中以个桥臂始终工作在低频,而就是每半个周期切换工作,即同一桥臂在前半个周期工作在低频,而后半个周期工作在高频。
这样可以使两个桥臂得工作状态均衡,器件使用寿命更均衡,有利于增加可靠性。
2) 双极性调制双极性调制得原理如3-2(b),其特点就是四个功率管都工作在较高得频率(载波频率),虽然能够=得到较好得输出电压波形,但就是其代价就是产生了较大得开关损耗。
DC/AC逆变器装置综述
1.使用背景
DC/AC逆变器是应用功率半导体器件,将直流电能转换成恒压恒频交流电能的一种静止变流装置,供交流负载用电或与交流电网并网发电。
随着石油、煤和天然气等主要能源的大量使用,新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。
利用新能源的关键技术-逆变技术能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其它新能源转化的电能变换成交流电能与电网并网发电。
因此,逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。
2.逆变技术
传统的DC/AC逆变器采用低频环节逆变技术,主要有方波逆变器、阶梯波合成逆变器、正弦脉宽调制SPWM逆变器。
1方波逆变器方波逆变器主要有推挽式、全桥式电路结构。
推挽式方波逆变器由推挽逆变器、交流调压开关和输出滤波器构成,如图1(a)所示。
推挽式方波逆变器主要是通过调节逆变器输出电压脉宽来实现调压功能的。
一种调压方法是调节功率开关S1、S2驱动信号占空比,从而改变输出电压uAB即uCD的脉宽,如图1(b)所示。
但这种调压方法存在明显缺点,即感性负载储能回馈到电网时,变压器T 副边绕组感应有阴影部分电压,这部分电压随感性负载电感分量加大而加宽,纯电感负载时有效脉宽调节范围为0～Ts/4,而纯电阻负载时有效脉宽调节范围为0～Ts/2。
另一种调压方法是在变压器副边与输
出交流滤波器之间加交流调压开关S3,调节功率开关S3驱动信号占空比,即可调节输出矩形波脉宽,交流开关将方波电压变成脉宽可调的矩形波电压。
2阶梯波合成逆变器为了减小方波逆变器输出波形谐波含量,可采用DC/DC变换器和阶梯波合成逆变器级联式电路结构,如图2(a)所示。
阶梯波的阶高按正弦规律变化,如果每个周期阶梯波的阶梯数为2N,则需要N台单相逆变器或N/3台三相逆变器。
每个单相功率电路相同,可采用推挽、桥式或三相桥式电路。
大功率逆变器阶梯波合成常用的方法是移相迭加法,即将N个依次相移P/N、不同幅值的方波或矩形波迭加合成,最大限度地将某些低次谐波互相抵消,使合成波的谐波含量最小。
因此,阶梯波合成逆变器又称为应用“谐波抵消”(Har-monic cancellation)的逆变器。
每相输出变压器变比和绕组的联接
方式由“谐波抵消”理论确定,N=6时变压器绕组联接方式及阶梯波合成波形,如图2(b)、(c)所示。
图2 阶梯波合成逆变器电路结构及其原理波形
3正弦脉宽调制SPWM逆变器将正弦波(调制波)与高频载波(三角波)相交生成的正弦脉宽调制信号用来控制驱动逆变桥功率开关,便
可得到脉宽宽度按正弦规律分布的SPWM波uAB,如图3所示。
图3(b)为单极性正弦脉宽调制波,图3(c)为双极性正弦脉宽调制波。
正弦脉宽调制SPWM逆变器电路的特点为:
1)变压器仍工作在工频,体积大且笨重,体积与重量仅和输出电压频率有关,与逆变器开关频率无关,提高逆变器开关频率并不能减小变压器体积和重量;
2)输出滤波器体积、重量小;
3)对于输入电压和负载的波动,系统的动态响应特性好;
4)变压器和输出滤波电感产生的音频噪音得到改善;
5)功率器件开关频率高,开关损耗增加,降低了系统变换效率。
在低频环节DC/AC逆变技术中,由于工频变压器的体积和逆变器的开关频率无关,只和输出电压的频率有关。
为克服此缺点,必须采用高频环节逆变技术。
图3 正弦脉宽调制逆变器电路拓扑及其原理波形
3.发展现状
DC/AC逆变器具有广泛的应用前景,可应用到如下领域:
（1）以直流发电机、蓄电池、太阳能电池和燃料电池为主直流电源的场合,如航空静止变流器(27V或70VDC/115V400HzAC)、通讯静止变流器(48VDC/220V50HzAC);
（2）以变频或恒频交流电为主交流电源且采用交-直-交变换方案的场合,如飞机变速恒频电源(变频交流电/115V400HzAC)、新型风力发电电源(变频交流电/220V50HzAC )和变频电源( 220V50HzAC/115V400HzAC或115V400HzAC/220V50HzAC); （3）不间断电源UPS中的核心环节-逆变器;
（4）作为校表台产品的电压、电流标准源-电压功
率放大器、电流功率放大器。
4.未来趋势
1.太阳能发系统：太阳能发电系统在资源贫乏的国家利用取之不尽的大阳能是很重要的。
但是以前由于太阳能电池等价格高,一般来说还没有普及。
最近,为了促进普及在系统中因被认为是反潮流的可不要蓄电池。
采用逆变器技术可以将太阳能电池发出的直流变成交流后返回系统。
2.有源滤波器：近年来,以电视摄像机和个人计算机为代表的电子设备增加了由于这些设负是依靠直流电源工作的因此需将系统电源的交流变成直流来利用。
为此流向系统的低高次谐波增加了针。
对这一点需确定抑制高次皆波的控制线并制定规范。
在国外也在进行这一工作。
特别是欧洲的规范更严。
因此用户必须对导线采用对应措施。
另外在进相电容与系统变压器等的电感之问,由于低高次波共振引起的过大电压和过大电流问题,在电源侧应有必要的措施。
为改善电源质鱼仅采用无源滤波器并不能满足要求必须采用有源滤波器。
所以
需要检测流过系统的高次谐波电流用逆变器技术使补偿电流通过系
统。
5.总结
DC/AC逆变技术具有广泛的应用前景。
DC/AC逆变技术可分为低频环节逆变技术和高频环节逆变技术,后者取代前者是发展的必然趋势。
高频逆变环节是实现高功率密度、高变换效率逆变器的合理方案。
参考文献：
[1]张友军、陈道炼.UC3875在正弦脉位调制高频交流环节逆变器中的应用研究.电工技术杂志[J],2001,No.12,pp.30～32.
[2] 张友军.高频脉冲交流环节航空静止变流器研究.南京航空航天大学硕士学位论文,2002.。
