专利名称：一种电压源推挽式逆变器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于有源逆变技术领域，采用功率M0SFET(power Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor，功率金属氧化物半导体场效应晶体管，下同) 和普通电源变压器以及二重化技术，解决电网运行功率因数低，补偿电网无功，提高开关频 率，减少谐波分量，改善输出特性。
背景技术：
在直流-交流变换中有两个问题值得特别关注，一是换流问题，另一是输出电能 质量控制问题。换流伴随的是器件的导通与关断，在大功率逆变电路中，电流源型逆变器常 采用半控晶闸管器件作功率开关，半控器件存在关断问题，尤其是在电压极性不变的直流 电源条件下工作时存在较长时间换流过程，限制了开关频率，使输出电流为方波；高压、大 功率电压源型逆变器多采用门极可关断晶闸管作功率元件，虽然有自关断能力而可以采用 触发信号来控制器件的通断，但器件开关频率偏低，输出电压也多为方波。方波电压、电流 含有丰富的低次谐波，严重影响输出特性。如用于交流电机供电，会使电机附加损耗增加， 效率降低，运行功率因数恶化，产生谐波转矩，引起噪声与振动。逆变电路输出的是交流电 能，要求其波形正弦，输出谐波含量少。当前的有源逆变技术存在着前面所述的技术缺点， 而本实用新型所公开的一种电压源推挽式逆变器正是克服这些技术缺陷的关键环节。 发明内容本实用新型的目的就在于对逆变电路拓扑进行改造，缓冲无功，抑制谐波，提高开 关频率，提供一种具有恒频恒压特性的类似理想电网的逆变电源。一种电压源推挽式逆变器，主要由信号发生电路，功率放大电路，电源开关电路组 合构成，其特征在于信号发生电路采用六反相器产生振荡信号，并串有补偿电阻，备用的 反相器输入端接地；振荡信号经反相器与电容窄带补偿后输入放大电路，其中反相器输出 端直接与三极管基极偏置电阻连接；电源开关电路由场效应管和普通电源变压器两部分构 成，放大信号由三极管集电极引出后导入对称放置的两对对偶的增强型场效应管的栅极， 其中两对对偶的增强型场效应管的漏极分别串接在一起，而普通电源变压器的低压绕组跨 接在两对对偶的增强型场效应管的共漏输出端上，高压绕组直接连接整个电路的输出端 子。直流输入侧Fl处并入大电容C4作为储能和滤波元件用作无功功率缓冲环节和滤 波环节，构成逆变器低阻抗的电源内阻特性，将负载电压钳在电源电压水平上，降低浪涌过 电压，可使输出电压确定，其波形接近矩形，电流波形接近正弦。直流电压通过芯片IC2后 可使电压调整至所设定的信号幅值电压供给信号发生电路。芯片IC2可以根据需要选取， 如需要15V直流电压时可选取芯片7815，需要5V直流电压时可选取芯片7805，需要3. 3V 直流电压时可选取芯片W117等。信号发生电路由六反相器⑶4069、电阻器、电容器组合构成，可输出恒频恒压的方波。电阻Rl作为补偿电阻，可以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Cl的充放电过程完成的。其他备用的反相器的输入端接地避免影响其他 电路。由于元件的误差，信号电压频率的实际值会略有偏差。为此，信号电压在输入功率 放大电路之前先经过反相器与电容器进行滞后补偿。电容器接在时间常数最大的回路中， 可使上限频率降低，破坏幅度平衡条件，消除自激振荡，使电路能稳定工作。
信号发生电路输出的振荡信号比较微弱，为充分驱动电源开关电路，还需要一个 功率放大的过程。调整直流输入电源以及基极偏置电阻R3与R5、集电极负载电阻R4与R6， 可使半导体三极管TRl和TR2分别满足外部偏置条件并将振荡信号电压放大到合适的倍 数，一般为20倍至200倍。电源开关电路是逆变器的核心部分，采用功率场效应管和普通电源变压器。对于 场效应管，在栅极没有电压时处于截止状态，当有正电压加在栅极上时，由于电场的作用而 导通。电路中将一个增强型P沟道MOSFET (TR3、TR5)和一个增强型N沟道MOSFET (TR4、 TR6)组合在一起使用，并且上下两路对称。当输入端为低电平时，P沟道MOSFET导通，输出 端与电源正极接通。当输入端为高电平时，N沟道MOSFET导通，输出端与电源地接通。电 源经一个变压器和两组功率开关交替向负载提供能量，通过变压器同名端和开关时序的安 排，输出电压极性在一个输出周期中可以改变一次或多次，属于推挽逆变结构。由于P沟道 MOSFET和N沟道MOSFET总是工作在相反的状态下，其相位输入端和输出端总是相反，可以 获得较大的电流输出；同时由于漏电流的影响，使得MOSFET在栅压小于IV或者2V时即被 关断，不同MOSFET的关断电压略有不同，避免了两管同时导通而造成电源短路的情况。功 率MOSFET作为开关工作时其开关切换速度很快，通常可达亚微秒数量级，大大提高了开 关频率，减少了谐波分量。再将所得到的低电压、大电流、频率稳定的交变信号通过保险丝 F2后引入普通电源变压器Tl的低压绕组，保险丝F2可以防止振荡部分停止工作时变压器 低压侧过流。然后在变压器的高压侧感应出高压稳频交流电压，完成直流到交流的转换。放 大电路与电源开关电路均采用上下对称的两路电路组合构成，属于二重化结构，输出矩形 波在相位上错开一定角度进行叠加，可以获得更接近正弦波的多阶梯波形，进一步改善了 输出谐波的性能。本实用新型的效果和益处是直流输入侧并有大电容用来缓冲无功功率，构成逆 变器低阻抗的电源内阻特性，可以防止逆变颠覆，稳定输出电压并使其波形接近矩形，电流 波形接近正弦。直流输入侧的辅助电源芯片IC2可以根据需要选取，扩大了电路参数的调 节范围。方波信号发生器串有补偿电阻，可以稳定振荡频率，提高了电路的稳定性。反相器 与电容器构成的窄带补偿环节基本消除了由于元件误差带来的偏差，同时也改善了后续放 大电路的稳定性。功率放大电路采用半导体三极管，可以获得较大的放大倍数，同时可以通 过调整直流输入电源以及基极偏置电阻、集电极负载电阻来调节放大倍数。电源开关电路 主要由MOSFET和普通电源变压器构成，其输出功率取决于MOSFET和电源变压器的功率，免 除了复杂的变压器绕制。MOSFET具有很高的输入阻抗，同时由于漏电流的影响，使其在栅压 小于IV或者2V时即被关断，不同MOSFET的关断电压略有不同，避免了两管同时导通而造 成短路，并且电源变压器的低压侧串有保险丝，提高了电路的安全性能。尤其是MOSFET没 有少数载流子参与导电，其开关切换速度很快，大大提高了开关频率，在时间维度上改善了谐波性能，降低了附加损耗，提高了功率因数。电源开关电路采用上下对称的二重化结构， 不仅控制相对简单，而且进一步从空间维度上实现了较好的输出谐波性能；推挽式结构也 大大降低了因器件压降导致的损耗。普通电源变压器漏感较小，具备匹配电压的能力，可以 滤波、平波，储能并传输能量，抑制尖峰电压或电流，输出高质量的电能。与现有的各种逆变 器相比，本实用新型中的逆变器电路结构简单、电源稳定、控制方便、效率高、参数可调、开 关频率高、输出波形更接近于正 弦，非常节约电能，安全系数高，电力污染小，对环境保护也 是很有利的。在提高电能质量方面有很大的应用价值，并且适用于大规模生产应用。
图1是逆变器电路的总体结构图。图2是信号发生电路的电路图。图3是功率放大电路的电路图。图4是电源开关电路的电路图。图5是逆变器的实现电路图。
具体实施方式
本实用新型涉及的逆变器结构主要由信号发生电路，功率放大电路，电源开关电 路组合构成。直流输入侧并入大电容用作无功功率缓冲环节和滤波环节，构成逆变器低阻 抗的电源内阻特性，稳定输出电压，使其波形接近矩形，电流波形接近正弦。直流电压通过 芯片IC2后可使电压调整至需要的信号幅值电压供给信号发生电路。芯片IC2可以根据需 要选取，如需要15V直流电压时可选取芯片7815，需要5V直流电压时可选取芯片7805，需 要3. 3V直流电压时可选取芯片W117等。信号发生电路利用反相器输出恒频恒压的方波， 电阻Rl作为补偿电阻，可以稳定振荡频率，而电路的振荡是通过电容Cl的充放电过程完成 的。备用的反相器的输入端接地避免影响其他电路。后续的反相器与电容器组成的滞后补 偿环节可以消除由于元件误差所导致的信号电压频率的偏差，其中电容器接在时间常数最 大的回路中，可以降低上限频率，消除自激振荡，使电路能稳定工作。信号发生电路输出的 振荡信号比较微弱，为充分驱动电源开关电路，还需要对信号进行功率放大。调整直流输入 电源以及基极偏置电阻R3与R5、集电极负载电阻R4与R6，可使半导体三极管TRl和TR2 分别满足外部偏置条件并将振荡信号电压放大到合适的倍数。电源开关电路是逆变器的核 心部分，采用功率场效应管和普通电源变压器。电路中将一个增强型P沟道MOSFET和一个 增强型N沟道MOSFET组合在一起使用，并且上下两路对称。当输入端为低电平时，P沟道 MOSFET导通，输出端与电源正极接通。当输入端为高电平时，N沟道MOSFET导通，输出端与 电源地接通。电源经一个变压器和两组功率开关交替向负载提供能量，属于推挽逆变结构。 由于P沟道MOSFET和N沟道MOSFET总是工作在相反的状态下，其相位输入端和输出端总 是相反，可以获得较大的电流输出；同时由于漏电流的影响，使得MOSFET在栅压小于IV或 者2V时即被关断，不同MOSFET的关断电压略有不同，又避免了两管同时导通而造成电源短 路的情况。功率MOSFET作为开关工作时其开关切换速度很快，提高了开关频率，减少了谐 波分量。放大电路与电源开关电路均采用上下对称的两路电路组合构成，属于二重化结构， 输出矩形波在相位上错开一定角度进行叠加，可以获得更接近正弦波的多阶梯波形，进一步改善了输出谐波 的性能。再将所得到的低电压、大电流、频率稳定的交变信号通过保险丝 F2后引入普通电源变压器的低压绕组，保险丝F2可以防止振荡部分停止工作时变压器低 压侧过流。即可在变压器的高压侧感应出高压稳频交流电压，完成直流到交流的转换。 上述详细说明为针对本实用新型的一种较佳的可行实施例说明而已，惟该实施例 并非用以限定本实用新型的申请范围，凡其它未脱离本实用新型所揭示的技艺精神下所完 成的均等变化与修饰变更，均应包含于本实用新型所涵盖的专利范围中。
权利要求1. 一种电压源推挽式逆变器，主要由信号发生电路，功率放大电路，电源开关电路组 合构成，其特征在于信号发生电路采用六反相器产生振荡信号，并串有补偿电阻，备用的 反相器输入端接地；振荡信号经反相器与电容窄带补偿后输入放大电路，其中反相器输出 端直接与三极管基极偏置电阻连接；电源开关电路由场效应管和普通电源变压器两部分构 成，放大信号由三极管集电极引出后导入对称放置的两对对偶的增强型场效应管的栅极， 其中两对对偶的增强型场效应管的漏极分别串接在一起，而普通电源变压器的低压绕组跨 接在两对对偶的增强型场效应管的共漏输出端上，高压绕组直接连接整个电路的输出端 子。
专利摘要本实用新型公开了一种电压源推挽式逆变器，主要由信号发生电路，功率放大电路，电源开关电路组合构成，属于有源逆变技术领域。信号发生电路采用反相器产生振荡信号，并有补偿电阻稳定振荡频率。振荡信号先通过反相器与电容进行窄带补偿，消除元件误差后送入三极管基极。经三极管放大后驱动电源开关电路，采用增强型功率场效应管作为开关工作，再将所得低压稳频交变信号通过保险丝后引入普通电源变压器的低压绕组，然后在变压器的高压侧感应出高压交流电压。与现有各种逆变器相比，本实用新型通过对逆变电路拓扑进行改造，缓冲无功，抑制谐波，提高开关频率，具有电路结构简单、电源稳定、功率因数高、开关频率高、谐波分量少、输出特性好等优点。
文档编号H02M7/538GK201878037SQ20102026595
公开日2011年6月22日 申请日期2010年7月13日 优先权日2010年7月13日
发明者李平, 杨传斌, 柏德胜, 沈华荣 申请人:李平, 杨传斌, 柏德胜, 沈华荣