能馈型逆变器负载试验系统的研究与设计

张荆沙 杨万华 张洁

摘 要：逆变器在出厂前都需要进行严格的老化测试和相关的动态、稳态带载试验。传统的测试方式大多选用能耗型器件作为负载，这样不仅会浪费大量的能源，而且会对环境造成一定的影响。本文中设计了一款能馈型逆变器负载试验系统，在保证测试结果精确度和降低管理维护成本的同时实现了节能环保。

关键词：逆变；整流；同步升压；能量回馈

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.08.083

0 引言

在电子电气产品的使用过程中，电源作为电能供应的装置是必不可少的，所以電源的性能指标对电子电气产品来说是至关重要的。根据国内和国外标准的要求，电源设备在出厂前都必须进行严格的检查与性能测试。例如，老化试验、负载试验、输出特性试验等，经过一系列的试验来保证电源的可靠性。在相应的测试环节中，负载是不可或缺的，它将电源提供的电能转换为其他形式的能量消耗掉或进行存储。传统的负载试验方式一般选择使用能耗型器件来进行测试，但这类方式有诸多不足之处。

（1）电能被单纯地转化成热能消耗掉，在浪费大量能源的同时还要配合考虑散热的问题。（2）负载自身特性受温度等因素影响较大，试验过程中负载发热会影响测试结果的精确度。（3）在对不同的电源进行测试时需要配备与其对应的负载，通用性差且增加了管理和维护的工作量。

随着电力电子技术的高速发展，基于全控型功率器件构成的电子负载在电源测试中应用的越来越广泛，电子负载可以通过控制电源的输出电流来模拟电源连接某一实际负载时的情况，如果电子负载兼有将能量回馈至输入级来供试验系统自身使用将使得能量得到最大化利用。与传统能耗型负载相比使用具有馈能效果的电子负载进行负载试验具有以下优势。

（1）节能环保。电能损耗主要在内部的开关器件及电路上，部分能量将回馈至输入级，实现电能的循环利用。内部不含发热量大的能耗型器件，无需设计体积庞大的散热设备。

（2）负载自身特性稳定。进行试验时，输出电流由电子负载控制，外界因素对其影响很小，负载的稳定性高，从而保证测试结果的精确度。

（3）通用性强。可根据实际测试情况对其进行控制，在一定范围内模拟不同特性的负载，降低了管理和维护成本。

通过上述比较可知，在电源负载试验中，采用具有馈能效果的电子负载可以有效改善采用能耗型负载的诸多不足之处。为了解决电源负载试验中能源浪费等问题，研究和设计电源领域的能馈型负载试验系统具有重要的意义。

1 系统原理与结构

系统原理如图1所示。待测逆变器测试所需的能量，由能量回馈单元和输入直流电源共同提供。整个系统既能满足以节能测试为主题的最终目标，也能完成待测逆变器全功率范围内的性能测试，从而可以打破传统的针对逆变器的能耗型负载测试方案，避免了能源浪费。由于逆变器的输出电压一般是恒定的或者设定的，所以要想控制逆变器的输出功率就必须增大或减小电流I4，而要想控制I4的大小，唯一的办法就是调节能量回馈单元。

隔离型功率变换能量回馈结构相比工频变压器+非隔离型功率变换能量回馈结构，尽管效率要高很多，但隔离型的DC-DC功率变换电路相比非隔离型的DC-DC功率变换电路所用的器件要更多。同时不管是采用隔离型功率变换能量回馈结构中的哪种隔离型的DC-DC功率变换拓扑，都需要进行复杂的高频变压器设计，如果漏感过大，会直接造成开关管开关过程中由变压器电感带来的反向电压尖峰过大，损坏MOS管。而工频变压器+非隔离型功率变换能量回馈结构并不影响对能馈型逆变器负载试验系统的研究，反而因为其结构相对简单，更容易获得研究结果。系统总体结构框图如图2所示。

2 系统电路设计

整个系统主要由逆变器电路、能量回馈单元电路等组成。逆变电路实现电压由DC-AC的转化，能量回馈单元电路实现负载模拟并完成能量回馈。

2.1 逆变器电路设计

逆变器主要由EG8010控制电路、驱动电路、逆变全桥电路组成。EG8010产生4路SPWM波控制由IR2110组成的驱动电路，实现控制信号的放大，以此驱动4个功率MOS管组成的逆变全桥电路，逆变全桥电路输出的电压经过LC滤波器后将输出纯正弦波电压。

2.1.1 逆变器功率电路设计

如图3所示，Q1、Q2、Q3、Q4是电压变换功率MOS管。当Q1、Q4导通时，Q2、Q3截至，SPWM控制Q1使输出电压的极性为上正下负。当Q1、Q4截至时，Q2、Q3导通，SPWM控制Q3使输出电压的极性为上负下正。经过N个周期中重复变换，使输出电压有正压有负压。L1、L2与C31、C32组成L、C滤波器，经过滤波器后输出电压变为纯正弦波电压。

2.1.2 逆变器驱动电路设计

如图4所示，电路中的悬浮电源采用由二极管和电容组成的自举电路，利用了钳位二极管的单向导通性来实现。当输出电压较低时自举二极管导通并给自举电容供电；当输出电压较高时截至，防止自举电容放电。二极管耐压要大于电源电压和自举电容最高电压之和，因此选用了最大通过电流2A，最大反向击穿电压是40V的SS24二极管。设计中还使用了2个47μF和1个100nF的电容进行并联来充当滤波退耦电容，从而为全桥驱动电路提供稳定的电压源。

2.1.3 逆变器控制电路设计

（1）控制电路

如图5所示，SPWM1、SPWM2分别作为右桥臂上管、下管的基波输出，SPWM3、SPWM4分别作为左桥臂上管、下管的调制波输出。要实现DC-AC电压的逆变，电路中的功率MOS管需要工作在开关状态下，在全桥逆变拓扑中，需要分别给4个功率MOS管不同的SPWM信号。当EG8010的SPWM波产生器启动输出后，状态控制器开始自检初始化配置，内部软起动开始工作，SPWM发生器开始输出波形，输出电压逐渐升高。

（2）反馈电压采样电路

输出电压反馈电路将信号传送至反馈信号处理模块，反馈来的电压和反馈信号处理模块内部基准正弦波峰值电压3V进行误差比较计算，其后对输出电压进行相应调整。如图6所示，R15、R16、R20、R21、R22、R19构成了正弦波电压反馈网络，对输出的正弦波电压进行采集，EG8010控制器接收到反馈电压后内部幅度因子乘法器做出相应调整来控制输出电压。

2.2 能量回馈单元电路设计

能量回馈单元主要由同步整流电路、同步升压电路组成。逆变器输出的正弦波電压进入同步整流电路后变为脉动的直流电，然后通过同步升压电路控制电流来模拟负载并实现能量的回馈。

2.2.1 整流电路设计

同步整理电路如图7所示。DK5V45R10同步整流芯片的内部结构类似功率MOS管，由漏极、源极、栅极组成。与普通的整流二极管不同，DK5V45R10同步整流芯片由栅极驱动信号来控制管子的开通与关断。在工作过程中，随着通过芯片电流的增加以及时间增加、内部阻值会慢慢增大、器件温度逐渐升高、迫使系统效率会降低，因此要适当的增加散热面积，降低芯片聚集温度。

2.2.2 同步升压电路设计

同步升压功率电路如图8所示。C61、C62是储能滤波电容，当输入电压有较大波动时，储能电容可以适当储存能量与释放能量使电压波动减小，C63、C64、C65、C66为滤波电容主要是除去电源中的高频杂波。

由D10、D11组成了钳位保护电路，当电源上电一瞬间电流将通过D10、D11给后级电容充电，不会造成由于Q7的导通而烧毁功率MOS管。C60、R47组成RC吸收电路，能够降低纹波噪声且也有对降低传导EMI有着一定的作用。

3 数据测试与结果分析

3.1 逆变器的输出电压和频率

在逆变器满载时且输入电压变动的情况下，输出电压和频率的变化幅度大小可以体现出一个逆变器质量的优劣。将逆变器输出频率设置在50Hz时的满载输出电压及实际频率测量结果如表1所示。

由表中数据可知，在逆变器满载（负载电流3A时）且输入电压变动的情况下，输出电压和频率的变化幅度较小，电压误差在0.3%以下，频率误差在0.1%以下，表明该逆变器输出稳定性强。

3.2 系统的能量回馈效果

将直流电源、逆变器和能量回馈单元组合成逆变器负载试验系统。在直流电源输出电压为30V时，分别测量了直流电源输出端的电压、电流和逆变器输出端的电压、电流。计算出直流电源和逆变器的输出功率以此来评价系统能量回馈的效果。

源输出功率。从表中数据可以看出逆变器的输出功率大于直流电源的输出功率，两者的差值即为能量回馈单元回馈的功率。由此可以得出结论，系统在进行负载试验时存在明显能量回馈。

4 结语

随着电源设备需求的不断增加，在电源测试环节中损耗的能量也不容小觑。本文中所设计的系统将部分能量回馈至输入级供自身使用体现出了可观的节能效果。

参考文献

［1］冯魁星.能馈型电子负载的研究[D].郑州大学，2013.

[2]王成，廖冬初，蔡华锋.直流回馈型直流电子负载的设计与研究[J].电测与仪表，2017，54（06）：2329.

[3]汤飞球.PWM控制技术在逆变电路中的应用[J].电子技术，2015，44（10）：4446.

[4]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2010.

[5]郭石垒，秦会斌.一种新型单相全桥SPWM逆变器设计方法[J].电子器件，2016，39（05）：12611264.

[6]薛开昶，罗宗鑫.单极性PWM方式逆变器输出失真度和效率分析[J].电力电子技术，2019，53（07）：115117.

[7]任敏，谢驰，李佳驹，等.同步整流功率MOSFET特性及研究现状[J].微电子学，2018，48（03）：390394.

[8]张芳，熊和虎，于飞龙，等.基于变流器的能量回馈装置设计实现[J].智能计算机与应用，2019，9（03）：223227+231.