改進型DC?AC電路分析與實現

蔣大玉+張一斌+李森濤

摘 要： 為改善傳統DC?AC系統功率小、效率低、系統自身損耗大等缺陷，提出了一種改進型的DC?AC系統實現方案，引入對稱式電壓控制型MOS型開關管推挽工作、軟開關驅動MOS管方案替代機械開關（如繼電器）、三極管（BJT）、可控硅（SCR）等傳統設計方案，改進的電路系統穩定性強、效率高、系統自身損耗極小。對電路進行工作原理分析，通過PSpice仿真軟件評估控制電路可行性并通過實驗驗證電路的實際使用及可靠性。

關鍵詞： DC?AC系統； 可控硅； 開關管； 軟開關

中圖分類號： TN710?34； TL503.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0139?03

Analysis and implementation of improved DC?AC circuits

JIANG Da?yu， ZHANG Yi?bin

（Changsha University of Science & Technology， Changsha 410004， China）

Abstract： For improving the defects of the traditional DC?AC system with low power， low efficiency and high loss， a scheme of the improved DC?AC system is presented. The symmetric voltage controlled MOS switch tube push?pull work mode and the scheme that MOS is driven by soft switch tube were adopted instead of mechanical switch （such as relay）， triode （BJT） and silicon controlled rectifier （SCR） in the traditional design scheme. The improved circuit system has high stability， high efficiency and low loss. The working principle of the circuit is analyzed. The PSpice?simulation software was used to evaluate the feasibility of the control circuit. The reliability of the circuit was verified by experiment.

Keywords： DC?AC systems； SCR； switch tube； soft switch

0 引 言

對現代科技而言，電源是所有電路的能量來源，是電子設備和機電設備的基礎。現行電工電子設備的正常使用都需要電源設備的支持。現行的電能變換電路主要有以下四類：AC/DC，DC/AC，DC/DC，AC/AC。各種電路有其各自的特點、功能及應用領域。本文主要討論的是DC/AC變換電路。

現行的DC/AC變換電路一般采用機械開關（如繼電器）、三極管（BJT）、可控硅（SCR）等器件控制電路導通、關斷時存在跳變沿（上升沿或下降沿），此時，電路中的開關器件兩端同時存在電流、電壓，器件產生能量損耗，降低了系統效率。而大功率開關管即使能承受較大的電流、電壓，卻存在體積大、價格高、自身的功率消耗大等缺點限制了實際應用。

由于以上的缺陷，導致現行的DC/AC變換電路存在功率小、效率低、系統自身損耗大的不足。為此，本文提出引入對稱電壓控制型MOS開關管推挽工作、軟開關驅動MOS管的方案。由于MOS管是壓控器件，所以MOS管只需保證柵極（G極）與源極（S極）電壓[UGS>UGS（th）]即可使MOS管導通。此外，MOS管導通電阻極小，軟開關的驅動方式使得開關管的自身損耗進一步減小，電路輸出級的推挽工作方式使得系統的功率進一步提高。

1 電路對比分析

1.1 傳統電路分析

傳統的DC/AC變換電路多采用機械開關（如繼電器）、三極管（BJT）、可控硅（SCR）等器件控制電路的通斷。此處，以傳統的電壓型單相半橋逆變電路為例進行分析比較，其主電路結構如上圖1（a） 所示，它由兩個導電臂組成，每個臂由可控開關器件和二極管反向并聯組成雙向不對稱開關，感應負載 [R0，][L0]分別連接A，B兩點間，當[CD1=CD2=CD，]電容量足夠大時可認為[UD1=UD2=UD2。]

開關器件的控制電壓[Ub1]和[Ub2]為脈寬π的方波，并互差π的電角度，如圖1（b） 所示，上下臂的可控開關輪流導通，理想情況下，忽略方波的邊沿跳變時間，則VT1，VT2再不會出現同時導通的現象。對開關管的驅動現在普遍采用脈沖寬度調制（PWM）或正弦脈沖寬度調制（SPWM）波。若忽略元器件本身壓降和換向所占的時間，則輸出電壓[u0]的大小為：

[U0=UD2，VT1或VD1導通-UD2，VT2或VD2導通] （1）

圖1 電壓型單相半橋逆變電路

此時，若負載呈感性，則負載電流將按指數曲線規律交變，負載電流的變化滯后電壓的變化，當負載電壓[u0]改變極性時，負載電流[i0]將延遲一段時間才能改變極性，因而在不同的時區中，[u0]和[i0]將存在同向和反向兩種關系[1]，如圖1（b）所示。

如上分析可知該電路將穩定的直流能量轉換為變化的交流能量，即實DC?AC的轉換。但實際使用時，由于上、下BJT管在任意時刻的電壓與電流的之積總不為零，而且BJT管為電流控制型器件，動態電阻大，自身損耗大，電路效率低，且性能受溫度影響大，實際輸出由方波至正弦波輸出端也存在部分能量損失。

若要使輸出部分在正常輸出情況下就為正弦波，則需要采用SPWM脈寬調制方波驅動開關管，使輸出波形基本接近正弦波輸出。

1.2 改進型電路拓撲分析

為克服以上缺陷，提出了使用MOS管作為開關控制器件，驅動波形與輸出端使用振蕩電路產生的正弦波替代傳統的方波，并使開關管工作在軟開關狀態，進一步減小開關管在使用中的能量損耗。具體電路拓撲如圖2所示。

拓撲圖中，主電源、輔助電源為電路提供能量，在實際電路中，采用單電源供電，輔助電源采用DC?DC降壓芯片直接獲取所需的電源值。改進的電路將振蕩回路與換能回路共用一個交感線圈，圖中的輔助電源為開關管提供靜態電壓，與振蕩部分的交流信號疊加共同控制開關管1與開關管2的通關。圖中的單向器件部分是避免開關管1與開關管2同時導通，保證兩個開關管工作在軟開關狀態，避免造成不必要的開關損耗。

圖2 電壓型單相半橋逆變電路

1.3 改進型電路拓撲分析

本次采用的主電路部分如圖3所示。振蕩部分采用的是改進型電容三點式振蕩電路，由于干路電感的電流不能突變，在上電瞬間，對應的MOS管導通，干路電感會感應出一個與電源電壓相當的電動勢，會使MOS管電流由0開始緩慢增加，而不會全部電壓施加于導通的MOS管。MOS管[Q1，][Q2]呈現互鎖的狀態，導通程度高的MOS管會使另外一個管子的柵極電壓繼續拉低，以至完全截止，而其自身則會至完全導通。

圖3 電壓型單相半橋逆變電路

由于電路中引入振蕩電路，所以在振蕩信號的作用下，MOS管會交替導通，形成周期性的振蕩。一個周期內，選通不同的開關管，主電源即可通過導通的開關管與變壓器初級線圈構成回路，從而在次級線圈上產生相應的感應電壓，即實現DC?AC轉換。由于變壓器初級電壓為正弦波電壓，則變壓器初級電壓與主電源電壓關系為：

[2×0πAsin xdxπ=VCC] （2）

式中：[A]為變壓器初級電壓幅值；[VCC]為主電源電壓值，求解積分方程后知二者的關系式為：

[A=π?VCC] （3）

電路中的功率變換部分為推挽輸出方式，主電源為功率級電源，通過干路的電感線圈與變壓器的初級相連，振蕩回路產生的正弦波由開關管Q1，開關管Q2分別放大其前半周期、后半周期，通過在一個周期內不同時刻選通不同的MOS管從而實現DC?AC變換。

分析電路拓撲知，變壓器功率變換部分的交流電壓變換呈現正弦波變化，因此次級線圈的感應電壓也呈正弦波變化，與傳統逆變電路相比，在功率的變換部分減少了有脈沖方波向正弦波變換環節，減少了變換時的能量損耗。在輸出端設置了兩路輸出，一路為未整流的交流輸出，一路為全波整流后的直流輸出。

由于交流輸出端為正弦波電壓輸出，所以可以通過修正電路參數、變頻技術使輸出的電壓變換為50 Hz，220 V正弦波輸出直接給予用電器供電。因為開關管被控制在軟開關狀態，所以其自身損耗極小，在實際電路工作時可以不加或外加較小的散熱片即可保證電路的正常工作。為提高輸出功率，在主開關管Q1，Q2兩端可并聯與之相匹配的MOS管用以提高初級線圈的最大電流，進而提高系統的輸出功率。

2 仿真及實驗研究

對傳統的逆變電路，采用SPWM波形驅動開關管來獲得類似正弦波的輸出波形，其基本波形分析如圖4所示。

圖4 單、雙極性SPWM波形

由圖3可知，在一個正弦波輸出周期內，采用SPWM波驅動需使驅動方波跳變多次，而且輸出正弦波的好壞與其跳變次數呈正相關關系，而開關管的自身損耗大部分是在驅動波形發生跳變時產生，進而降低電路效率。因此傳統的逆變電路很難做到電路效率高、輸出正弦度好。

對改進后的電路采用PSpice軟件仿真，通過搭建模擬電路仿真結果如圖5所示。

圖5（a）中，上、下兩路波形分別為兩個主開關管的驅動波形，圖5（b）為將其翻轉拼合后的整體波形，圖5（c）為電路的輸出波形，其為較標準的正弦波輸出。

由圖5分析可知，在一個正弦波周期內，兩個主開關管交替導通一次且工作于軟開關狀態，交疊部分面積極小，即主開關的自身發熱極小，相對于傳統的SPWM驅動方式而言，開關管的自身損耗大幅減少，有效提高電路效率。實際電路得到的輸出波形如圖6所示，與仿真結果一致。

圖5 電壓型單相半橋逆變電路

圖6 實際電路輸出波形

3 結 論

本文提出了一種改進型DC?AC逆變電路的實現方案。利用控制工作軟開關狀態的MOS管通斷實現直流至交流的轉換。由仿真和實驗結果知，改進的DC?AC逆變方案是可行的，它與傳統的逆變電路相比，能有效地提高電路效率及減少開關管的損耗，改進的電路使開關管處于軟開關狀態，仿真結果中得到的輸出波形的正弦度較好，實際電路中得到的輸出波形與仿真結果一致。預期本電路可用于簡單的逆變系統和直流變換裝置中。可引入微控制單元（MCU）實現智能控制，為進一步提高電路的性能、提高系統穩定性、簡化電路的使用，具有更高的推廣價值。

參考文獻

[1] 楊碧石.電源設備中AC/DC和DC/AC變換電路[J].南通職業大學學報，2001（1）：15?18.

[2] 錢照明，張軍明，昌征宇，等.我國電力電子與電力傳動面臨的機遇與挑戰[J].電工技術學報，2004，19（8）：10?22.

[3] 陳榮.基于升降壓斬波電路的三相DC/AC逆變器研究[J].電子器件，2013（3）：401?403.

[4] 王議鋒，徐殿國，王懿杰，等.CLCL諧振軟開關DC?AC變換器[J].電子技術學報，2013（4）：56?60.

[5] 吳衛民，湯天浩，彭青松，等.兩電平自然軟開關AC/DC/AC變流器[J].電工技術學報，2008（3）：47?51.

[6] 商同，劉興榮，楊偉東.一種新型實用、性能穩定的正弦波發生器[J].計量技術，1998（6）：32?35.

[7] 張偉龍，謝新勝，李帥.PWM SPWM的應用與PSIM仿真[J].科技視界，2013（30）：97?98

[8] 湯定德.一種易忽略的單、雙極性SPWM波產生電路[J].計量技術，2013（31）：49?50.

[9] 張友軍.DC/AC逆變器技術及其應用綜述[J].電氣開關，2004（6）：18?22.

[10] DOU Chun?xia， ZHAO Fang， JIA Xing?bei， et al. H∞robust control of DC?AC interfaced microsource in microgrids [C]// 2011 IEEE Power Engineering and Automation Conference. Wuhan， China： IEEE， 2011， 2： 478?485.

如上分析可知該電路將穩定的直流能量轉換為變化的交流能量，即實DC?AC的轉換。但實際使用時，由于上、下BJT管在任意時刻的電壓與電流的之積總不為零，而且BJT管為電流控制型器件，動態電阻大，自身損耗大，電路效率低，且性能受溫度影響大，實際輸出由方波至正弦波輸出端也存在部分能量損失。

若要使輸出部分在正常輸出情況下就為正弦波，則需要采用SPWM脈寬調制方波驅動開關管，使輸出波形基本接近正弦波輸出。

1.2 改進型電路拓撲分析

為克服以上缺陷，提出了使用MOS管作為開關控制器件，驅動波形與輸出端使用振蕩電路產生的正弦波替代傳統的方波，并使開關管工作在軟開關狀態，進一步減小開關管在使用中的能量損耗。具體電路拓撲如圖2所示。

拓撲圖中，主電源、輔助電源為電路提供能量，在實際電路中，采用單電源供電，輔助電源采用DC?DC降壓芯片直接獲取所需的電源值。改進的電路將振蕩回路與換能回路共用一個交感線圈，圖中的輔助電源為開關管提供靜態電壓，與振蕩部分的交流信號疊加共同控制開關管1與開關管2的通關。圖中的單向器件部分是避免開關管1與開關管2同時導通，保證兩個開關管工作在軟開關狀態，避免造成不必要的開關損耗。

圖2 電壓型單相半橋逆變電路

1.3 改進型電路拓撲分析

本次采用的主電路部分如圖3所示。振蕩部分采用的是改進型電容三點式振蕩電路，由于干路電感的電流不能突變，在上電瞬間，對應的MOS管導通，干路電感會感應出一個與電源電壓相當的電動勢，會使MOS管電流由0開始緩慢增加，而不會全部電壓施加于導通的MOS管。MOS管[Q1，][Q2]呈現互鎖的狀態，導通程度高的MOS管會使另外一個管子的柵極電壓繼續拉低，以至完全截止，而其自身則會至完全導通。

圖3 電壓型單相半橋逆變電路

由于電路中引入振蕩電路，所以在振蕩信號的作用下，MOS管會交替導通，形成周期性的振蕩。一個周期內，選通不同的開關管，主電源即可通過導通的開關管與變壓器初級線圈構成回路，從而在次級線圈上產生相應的感應電壓，即實現DC?AC轉換。由于變壓器初級電壓為正弦波電壓，則變壓器初級電壓與主電源電壓關系為：

[2×0πAsin xdxπ=VCC] （2）

式中：[A]為變壓器初級電壓幅值；[VCC]為主電源電壓值，求解積分方程后知二者的關系式為：

[A=π?VCC] （3）

電路中的功率變換部分為推挽輸出方式，主電源為功率級電源，通過干路的電感線圈與變壓器的初級相連，振蕩回路產生的正弦波由開關管Q1，開關管Q2分別放大其前半周期、后半周期，通過在一個周期內不同時刻選通不同的MOS管從而實現DC?AC變換。

分析電路拓撲知，變壓器功率變換部分的交流電壓變換呈現正弦波變化，因此次級線圈的感應電壓也呈正弦波變化，與傳統逆變電路相比，在功率的變換部分減少了有脈沖方波向正弦波變換環節，減少了變換時的能量損耗。在輸出端設置了兩路輸出，一路為未整流的交流輸出，一路為全波整流后的直流輸出。

由于交流輸出端為正弦波電壓輸出，所以可以通過修正電路參數、變頻技術使輸出的電壓變換為50 Hz，220 V正弦波輸出直接給予用電器供電。因為開關管被控制在軟開關狀態，所以其自身損耗極小，在實際電路工作時可以不加或外加較小的散熱片即可保證電路的正常工作。為提高輸出功率，在主開關管Q1，Q2兩端可并聯與之相匹配的MOS管用以提高初級線圈的最大電流，進而提高系統的輸出功率。

2 仿真及實驗研究

對傳統的逆變電路，采用SPWM波形驅動開關管來獲得類似正弦波的輸出波形，其基本波形分析如圖4所示。

圖4 單、雙極性SPWM波形

由圖3可知，在一個正弦波輸出周期內，采用SPWM波驅動需使驅動方波跳變多次，而且輸出正弦波的好壞與其跳變次數呈正相關關系，而開關管的自身損耗大部分是在驅動波形發生跳變時產生，進而降低電路效率。因此傳統的逆變電路很難做到電路效率高、輸出正弦度好。

對改進后的電路采用PSpice軟件仿真，通過搭建模擬電路仿真結果如圖5所示。

圖5（a）中，上、下兩路波形分別為兩個主開關管的驅動波形，圖5（b）為將其翻轉拼合后的整體波形，圖5（c）為電路的輸出波形，其為較標準的正弦波輸出。

由圖5分析可知，在一個正弦波周期內，兩個主開關管交替導通一次且工作于軟開關狀態，交疊部分面積極小，即主開關的自身發熱極小，相對于傳統的SPWM驅動方式而言，開關管的自身損耗大幅減少，有效提高電路效率。實際電路得到的輸出波形如圖6所示，與仿真結果一致。

圖5 電壓型單相半橋逆變電路

圖6 實際電路輸出波形

3 結 論

本文提出了一種改進型DC?AC逆變電路的實現方案。利用控制工作軟開關狀態的MOS管通斷實現直流至交流的轉換。由仿真和實驗結果知，改進的DC?AC逆變方案是可行的，它與傳統的逆變電路相比，能有效地提高電路效率及減少開關管的損耗，改進的電路使開關管處于軟開關狀態，仿真結果中得到的輸出波形的正弦度較好，實際電路中得到的輸出波形與仿真結果一致。預期本電路可用于簡單的逆變系統和直流變換裝置中。可引入微控制單元（MCU）實現智能控制，為進一步提高電路的性能、提高系統穩定性、簡化電路的使用，具有更高的推廣價值。

參考文獻

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[5] 吳衛民，湯天浩，彭青松，等.兩電平自然軟開關AC/DC/AC變流器[J].電工技術學報，2008（3）：47?51.

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[9] 張友軍.DC/AC逆變器技術及其應用綜述[J].電氣開關，2004（6）：18?22.

[10] DOU Chun?xia， ZHAO Fang， JIA Xing?bei， et al. H∞robust control of DC?AC interfaced microsource in microgrids [C]// 2011 IEEE Power Engineering and Automation Conference. Wuhan， China： IEEE， 2011， 2： 478?485.

如上分析可知該電路將穩定的直流能量轉換為變化的交流能量，即實DC?AC的轉換。但實際使用時，由于上、下BJT管在任意時刻的電壓與電流的之積總不為零，而且BJT管為電流控制型器件，動態電阻大，自身損耗大，電路效率低，且性能受溫度影響大，實際輸出由方波至正弦波輸出端也存在部分能量損失。

若要使輸出部分在正常輸出情況下就為正弦波，則需要采用SPWM脈寬調制方波驅動開關管，使輸出波形基本接近正弦波輸出。

1.2 改進型電路拓撲分析

為克服以上缺陷，提出了使用MOS管作為開關控制器件，驅動波形與輸出端使用振蕩電路產生的正弦波替代傳統的方波，并使開關管工作在軟開關狀態，進一步減小開關管在使用中的能量損耗。具體電路拓撲如圖2所示。

拓撲圖中，主電源、輔助電源為電路提供能量，在實際電路中，采用單電源供電，輔助電源采用DC?DC降壓芯片直接獲取所需的電源值。改進的電路將振蕩回路與換能回路共用一個交感線圈，圖中的輔助電源為開關管提供靜態電壓，與振蕩部分的交流信號疊加共同控制開關管1與開關管2的通關。圖中的單向器件部分是避免開關管1與開關管2同時導通，保證兩個開關管工作在軟開關狀態，避免造成不必要的開關損耗。

圖2 電壓型單相半橋逆變電路

1.3 改進型電路拓撲分析

本次采用的主電路部分如圖3所示。振蕩部分采用的是改進型電容三點式振蕩電路，由于干路電感的電流不能突變，在上電瞬間，對應的MOS管導通，干路電感會感應出一個與電源電壓相當的電動勢，會使MOS管電流由0開始緩慢增加，而不會全部電壓施加于導通的MOS管。MOS管[Q1，][Q2]呈現互鎖的狀態，導通程度高的MOS管會使另外一個管子的柵極電壓繼續拉低，以至完全截止，而其自身則會至完全導通。

圖3 電壓型單相半橋逆變電路

由于電路中引入振蕩電路，所以在振蕩信號的作用下，MOS管會交替導通，形成周期性的振蕩。一個周期內，選通不同的開關管，主電源即可通過導通的開關管與變壓器初級線圈構成回路，從而在次級線圈上產生相應的感應電壓，即實現DC?AC轉換。由于變壓器初級電壓為正弦波電壓，則變壓器初級電壓與主電源電壓關系為：

[2×0πAsin xdxπ=VCC] （2）

式中：[A]為變壓器初級電壓幅值；[VCC]為主電源電壓值，求解積分方程后知二者的關系式為：

[A=π?VCC] （3）

電路中的功率變換部分為推挽輸出方式，主電源為功率級電源，通過干路的電感線圈與變壓器的初級相連，振蕩回路產生的正弦波由開關管Q1，開關管Q2分別放大其前半周期、后半周期，通過在一個周期內不同時刻選通不同的MOS管從而實現DC?AC變換。

分析電路拓撲知，變壓器功率變換部分的交流電壓變換呈現正弦波變化，因此次級線圈的感應電壓也呈正弦波變化，與傳統逆變電路相比，在功率的變換部分減少了有脈沖方波向正弦波變換環節，減少了變換時的能量損耗。在輸出端設置了兩路輸出，一路為未整流的交流輸出，一路為全波整流后的直流輸出。

由于交流輸出端為正弦波電壓輸出，所以可以通過修正電路參數、變頻技術使輸出的電壓變換為50 Hz，220 V正弦波輸出直接給予用電器供電。因為開關管被控制在軟開關狀態，所以其自身損耗極小，在實際電路工作時可以不加或外加較小的散熱片即可保證電路的正常工作。為提高輸出功率，在主開關管Q1，Q2兩端可并聯與之相匹配的MOS管用以提高初級線圈的最大電流，進而提高系統的輸出功率。

2 仿真及實驗研究

對傳統的逆變電路，采用SPWM波形驅動開關管來獲得類似正弦波的輸出波形，其基本波形分析如圖4所示。

圖4 單、雙極性SPWM波形

由圖3可知，在一個正弦波輸出周期內，采用SPWM波驅動需使驅動方波跳變多次，而且輸出正弦波的好壞與其跳變次數呈正相關關系，而開關管的自身損耗大部分是在驅動波形發生跳變時產生，進而降低電路效率。因此傳統的逆變電路很難做到電路效率高、輸出正弦度好。

對改進后的電路采用PSpice軟件仿真，通過搭建模擬電路仿真結果如圖5所示。

圖5（a）中，上、下兩路波形分別為兩個主開關管的驅動波形，圖5（b）為將其翻轉拼合后的整體波形，圖5（c）為電路的輸出波形，其為較標準的正弦波輸出。

由圖5分析可知，在一個正弦波周期內，兩個主開關管交替導通一次且工作于軟開關狀態，交疊部分面積極小，即主開關的自身發熱極小，相對于傳統的SPWM驅動方式而言，開關管的自身損耗大幅減少，有效提高電路效率。實際電路得到的輸出波形如圖6所示，與仿真結果一致。

圖5 電壓型單相半橋逆變電路

圖6 實際電路輸出波形

3 結 論

本文提出了一種改進型DC?AC逆變電路的實現方案。利用控制工作軟開關狀態的MOS管通斷實現直流至交流的轉換。由仿真和實驗結果知，改進的DC?AC逆變方案是可行的，它與傳統的逆變電路相比，能有效地提高電路效率及減少開關管的損耗，改進的電路使開關管處于軟開關狀態，仿真結果中得到的輸出波形的正弦度較好，實際電路中得到的輸出波形與仿真結果一致。預期本電路可用于簡單的逆變系統和直流變換裝置中。可引入微控制單元（MCU）實現智能控制，為進一步提高電路的性能、提高系統穩定性、簡化電路的使用，具有更高的推廣價值。

參考文獻

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[9] 張友軍.DC/AC逆變器技術及其應用綜述[J].電氣開關，2004（6）：18?22.

[10] DOU Chun?xia， ZHAO Fang， JIA Xing?bei， et al. H∞robust control of DC?AC interfaced microsource in microgrids [C]// 2011 IEEE Power Engineering and Automation Conference. Wuhan， China： IEEE， 2011， 2： 478?485.