大功率车载逆变电源的设计与实现

程诗卿，黄海波，卢 军，隋纪祥，孙 帆，赵 熠

（湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002）

0 引 言

随着科技的发展，智能汽车逐渐普及，汽车上车载电视、车载电冰箱、车载音响等电子设备的增加使原有的蓄电池无法满足这些设备的用电需求。为了满足市场应用需求，对将低压直流电转换成适用于家用电器的220 V交流电的车载逆变电源进行研究，从而设计一款高效且性能良好的逆变电源[1-3]。

1 系统整体结构设计

系统整体设计采用两级式的变换电路结构，如图1所示。

图1 主电路结构

输入的24 V直流电压先通过前级直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）电路升 压到320 V，然后320 V直流电再通过后级直流/交流（Direct CurrentPower/Alternating Current，DC/AC）电路转换为交流电输出[3]。

控制模块对整个电路中的开关管起到驱动和保护的作用。前级DC/DC电路的金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）管由处理器生成的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制，通过图腾柱增强驱动能力。后级逆变电路的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）使用正弦脉冲宽度调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）控制。温度保护模块主要监测所有功率开关管的温度，当温度达到限值时，发光二极管（Light-Emittng Diode，LED）灯报警，并将过温信号传送至处理器端。与此同时，还设有电压、电流检测电路，可以实时采集输入和输出电压、电流值。

1.1 前级DC/DC电路

前级DC/DC变流电路分别有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路以及推挽电路，各电路的对比如表1所示[4]。

表1 DC/DC变流电路对比

通过比较表1中各类DC/DC变流电路的优点、缺点以及功率范围，前级电路设计选用推挽电路，如图2所示。

图2 推挽电路拓扑

根据图2，变压器前级的2个开关管Q1、Q2交替导通。在双端电路中，考虑到器件的耐压值和变压器绕组的结构复杂度，后级的整流环节采用全桥整流电路[5]。在变压器前级形成相位相反的交流电压，Q1导通时，D1、D4处于通态；Q2导通时，D2、D3处于通态。

1.2 后级DC/AC逆变电路

为了提高系统功率，后级DC/AC逆变电路的设计中选用全桥逆变电路，其拓扑结构如图3所示[6]。

图3 全桥逆变电路拓扑

当开关管Q1、Q4导通而Q2、Q3断开时，负载电压U为正；当开关管Q1、Q4断开而Q2、Q3导通时，负载电压U为负。通过以上操作，将直流电转换成交流电。

1.3 SPWM调制技术

为了适应大多数车载电器的工作状态，并尽可能减小交流电的谐波含量，需设计输出50 Hz的正弦波电压，利用SPWM方式生成的脉冲作为逆变部分的控制信号[7]。SPWM脉冲是调制波为正弦波、载波为三角波或锯齿波的一种脉宽调制信号，其中载波应用较多的是等腰三角波。由于等腰三角形上任意一点的水平宽度和高度成线性关系并且左右对称，因此当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲[8]。图4为双极性的SPWM调制方式。

图4 双极性SPWM调制方式

2 系统仿真及测试结果

2.1 系统电路结构搭建

车载逆变电源系统电路结构如图5所示。

图5 车载逆变电源系统电路结构

前级DC/DC电路中，推挽电路的工作效率影响最后的输出效率。为了实现整流过后能输出320 V的直流电压，同时提升电路的输出功率，将4路推挽电路串联。此时每一路变压器的输出电压为80 V，这样能减小变压器的体积，降低成本。每一个变压器原边的通断利用两两开关管并联的方式使通过每个开关管的电流减小为原来的一半，来降低开关管的损耗，延长其使用寿命。开关管的通断利用PWM波控制，每一路变压器原边的开关管的驱动脉冲互补。由于后级DC/AC电路需要将整流后输出的高压直流电转换成50 Hz的纯正弦交流电，因此逆变电路开关管的驱动信号采用频率为50Hz的SPWM波控制，同时设置死区时间。在死区时间内，桥臂的上、下开关都没有开关信号，对输出电压的利用率、电压与电流的相位关系有着重要影响[9]。最后，输出220 V/50 Hz的交流电。由于SPWM逆变电路输出的波形带有大量的高次谐波，因此为了使输出的波形接近正弦波，需要在逆变输出后设计一个电感电容（Inductor Capacitance，LC）滤波电路[10]。

2.2 测试结果分析

2.2.1 前级DC/DC测试

变压器原边输入的测试波形如图6所示，测试点分别为变压器原边的上下2个桥臂。

图6 变压器原边输入电压波形

从图6可以看到，经过控制开关管的通断，将输入的直流24 V电压翻转为+24～-24 V的交流电压。

图7为4个变压器串联后通过整流桥后输出的直流电压波形，图中电压的幅值为320 V。

图7 整流输出电压波形

从前级DC/DC升压电路的各个测试点的电压波形来看，前级电路的设计比较能接近预先设计的结果，即输入24 V直流电压，经过变压器升压和整流桥整流后能输出320 V的直流电压。

2.2.2 后级DC/AC测试结果

经过全桥逆变后输出的电压波形如图8所示。

图8 逆变桥输出电压波形

由于经过逆变桥输出的波形还不能满足输出正弦波电压，因此需要设计一个匹配电路来改善波形。通过设计匹配电路的电感和电容的参数，最终确定了一个比较合适的匹配电路，最终输出的电压波形如图9所示。

图9 输出电压波形

通过分析图9，最终输出的电压波形为220 V纯正弦波形，能够满足设计需求。

3 结 论

针对大功率车载逆变电源系统，提出一种由4个推挽电路串联组成的DC/DC升压电路的结构，在实现大功率逆变输出220 V/50 Hz交流电的同时，能够减小通过单个变压器的原边线圈和每个开关管的电流，提高了系统运行的稳定性，并大大减小了功率器件的损耗。输出结果表明，该设计能达到预期效果，对实际车载电源系统的设计有一定的参考价值。