逆變電源設(shè)計(jì)

1、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽論文逆變電源的設(shè)計(jì)（D題）【第四組】2015年7月31日摘要該設(shè)計(jì)主要應(yīng)用開關(guān)電源電路技術(shù)有關(guān)知識(shí)，涉及模擬集成電路、電源集成電路、直流穩(wěn)壓電路、開關(guān)穩(wěn)壓電路等原理，充分運(yùn)用芯片TL494的固定頻率脈沖寬度調(diào)制電路及場效應(yīng)管（N溝道增強(qiáng)型MOSFET）的開關(guān)速度快、無二次擊穿、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)而組合設(shè)計(jì)的電路。該逆變電源的主要組成部分為：DC/DC電路、輸入過壓保護(hù)電路、輸出過壓保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路、DC/AC變換電路、振蕩電路、全橋電路。在工作時(shí)的持續(xù)輸出功率為2500W，具有工作正常指示燈、輸出過壓保護(hù)、輸入過壓保護(hù)以及過熱保護(hù)等功能。該電源的制造成本較為低廉，實(shí)用

2、性強(qiáng)，可作為多種便攜式電器通用的電源。 關(guān)鍵詞：過熱保護(hù)；過壓保護(hù)；集成電路；振蕩頻率；脈寬調(diào)制 目錄 1 逆變電源總體設(shè)計(jì)方案論證1 1.1 方案概述1 1.2 電路設(shè)計(jì)元件計(jì)算與選用：1 1.3 逆變電路及換流原理介紹2 1.4 電壓型逆變電路的特點(diǎn)及主要類型22 逆變器單元電路設(shè)計(jì)4 2.1 逆變電路的主電路設(shè)計(jì)4 2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)4 2.2.1 MOSFET介紹4 2.2.2 控制單元電路設(shè)計(jì):5 2.3 濾波電路以及電流檢測設(shè)計(jì)73 理論分析與計(jì)算9 3.1高頻變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)9 3.2 LC低通濾波參數(shù)設(shè)計(jì) 104 安裝與調(diào)試11 5 測試結(jié)果及分析13參考文獻(xiàn)14附錄1 總電路

3、原理圖15附錄2 PCB板16附錄3 實(shí)物圖17附錄4 元器件清單181 逆變電源總體設(shè)計(jì)方案論證1.1 方案概述 通過對設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)要求的具體分析，把電路分別設(shè)計(jì)成兩部分：一是主電路，即是采用高頻逆變電路和高頻變壓器的組合來實(shí)現(xiàn)，其中的濾波電路則是采用的線路濾波的方式，高頻逆變電路由于其要求的特殊性采用了電壓型半橋逆變電路和高頻開關(guān)IGBT相連接的方法，并且和高頻變壓器的組合高效的實(shí)現(xiàn)直流電向交流電的逆變過程。 第二部分控制電路，采用集成芯片TL494來實(shí)現(xiàn)，主要原因在于主電路的電流逆變過程中控制電路各單元的復(fù)雜性，而TL494本身包含了開關(guān)電路控制所需的全部功能和全部脈寬調(diào)制電路，同時(shí)片

4、內(nèi)置有線性誤差放大器和其他驅(qū)動(dòng)電路等，因此便可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)：正弦信號(hào)發(fā)生單元、脈寬調(diào)制PWM單元、電壓電流檢測單元和驅(qū)動(dòng)電路單元。由此確定本次設(shè)計(jì)電路框圖如圖1所示。 圖1 電路框圖1.2 電路設(shè)計(jì)元件計(jì)算與選用： 本次設(shè)計(jì)的單向正弦波逆變器中，最重要的就是高頻開關(guān)IGBT的選用，根據(jù)電路設(shè)計(jì)的主要參數(shù)：（1）輸入輸出電壓：輸入（DC）+12V、輸出220V（AC）（2）輸出電流：1A（3）電壓調(diào)整率：1%（4）負(fù)載調(diào)整率：1%（5）效率：0.8因此，管子電壓直流DC12V經(jīng)過半橋式逆變電路，加至逆變橋的電壓U約為100V，考慮余量通常選用600V等級(jí)的IGBT管，通常模塊結(jié)構(gòu)的IGBT，其電壓

5、等級(jí)為600V、1200V、1700V三種。 管子的電流：由于IGBT管較多工作于脈沖調(diào)制狀態(tài)，計(jì)算有效電流值較困難，器件的高頻開關(guān)損耗又與工作頻率和電路緩沖等結(jié)構(gòu)有關(guān)。IGBT管標(biāo)定的電流等級(jí)是集電極連續(xù)電流Ic，沒有考慮重復(fù)開關(guān)的損耗，工程計(jì)算是以實(shí)際流過管子的最大峰值電流（瞬時(shí)過流電流不考慮)。以本設(shè)計(jì)為例，輸出電流為100A，高頻整流變壓器電壓比為5.3：1，變壓器一次電流即IGBT管峰值電流約為1A/5.3=0.19A,考慮開關(guān)損耗選25A的管子。1.3 逆變電路及換流原理介紹與整流電路相比較，把直流電變成交流電的電路稱為逆變電路。當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載

6、相接時(shí)，稱為無源逆變。在不加說時(shí)，逆變電路一般指無源逆變。逆變電路在生活中有很廣泛的應(yīng)用。交流電路在工作過程中不斷發(fā)生電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路的轉(zhuǎn)移，這稱為換流。換流是實(shí)現(xiàn)逆變的基礎(chǔ)。通過控制開關(guān)器件的開通和關(guān)斷來控制電流通過支路，這是實(shí)現(xiàn)換流的基本原理。換流方式有多種，其中主要分為期間換流、電網(wǎng)換流、負(fù)載換流、和強(qiáng)迫換流四種方式。1.4 電壓型逆變電路的特點(diǎn)及主要類型 根據(jù)直流測電源的性質(zhì)不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。電壓型逆變電路有以下特點(diǎn)： (1)直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低

7、阻抗。 (2)由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)輸出電流波形和相位應(yīng)為負(fù)載阻抗的情況不同而不同。 （3）當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管，又稱為續(xù)流二極管。逆變電路分為三相和單相兩大類。其中，單相逆變電路主要采用橋式接法。主要有：單相半橋和單相全橋電路。而三相電壓型逆變電路則是由三個(gè)單相逆變電路組成。本設(shè)計(jì)采用單向逆變器。2 逆變器單元電路設(shè)計(jì)2.1 逆變電路的主電路設(shè)計(jì)主電路圖主要指的就是高頻逆變電路，所采用的是電壓型半橋式電路。其中包含有逆

8、變電路、高頻變壓器、濾波環(huán)節(jié)。電壓型逆變的特點(diǎn)是輸出電壓矩形波，輸出電流近似正弦波。逆變器輸出電壓波形為交變矩形波，幅值均為1/2U，如圖2所示。感性負(fù)載時(shí)，由于電流滯后電壓，IGBT管需接反并二極管（模塊內(nèi)部已有），提供無功功率與續(xù)流如圖2所示。實(shí)際工作時(shí)，由于IGBT管關(guān)斷需要時(shí)間，在兩管交替觸發(fā)時(shí)刻會(huì)造成兩管同時(shí)導(dǎo)通使直流電壓電路，這是絕對不允許的。為此通過觸發(fā)脈沖的脈寬調(diào)制控制是IGBT管導(dǎo)通時(shí)間小于1/2T，即出現(xiàn)兩管均不導(dǎo)通的死區(qū)，通常控制脈寬占空比范圍為0.850.9。在本次設(shè)計(jì)中，主要采用單相全橋式逆變電路作為設(shè)計(jì)的電路。圖2 單相全橋逆變電路主電路及升壓結(jié)構(gòu)圖 2.2 驅(qū)動(dòng)電

9、路設(shè)計(jì)2.2.1 MOSFET介紹 MOSFET是一種電壓控制的單極性器件，它是由金屬氧化物和半導(dǎo)體組成的場效應(yīng)晶體管，所以也叫絕緣柵型場效應(yīng)管。應(yīng)用VMOSFET工藝，生產(chǎn)出了大功率的產(chǎn)效應(yīng)管，并在逆變電路中得到廣泛應(yīng)用。功率場效應(yīng)管簡稱VMOSFET,或VMOS，作為開關(guān)器件，其常態(tài)是阻斷狀態(tài)，即VMOS都是增強(qiáng)型MOSFET。MOSFET分為N溝道和P溝道兩類。N溝道VMOS的導(dǎo)通電流的方向是從漏極D到源極S；P溝道MOS的導(dǎo)通方向是從源極S到漏極D。VMOS管的工作原理是，源極S接零電位，漏極D接正電位，當(dāng)柵極接正電壓時(shí)，由于電荷感應(yīng)，在P區(qū)感應(yīng)出電子，電子的累積便形成N溝道。源極S和

10、漏極D之間便產(chǎn)生了電流。因此，柵極G上的電壓的大小，決定了源極S與漏極D之間的電流大小。圖3 MOFET結(jié)構(gòu)圖和電氣圖2.2.2 控制單元電路設(shè)計(jì) TL494集成芯片是控制電路的核心，也是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管室、半橋式、全橋式開關(guān)電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場合的要求。其主要特征：(1) 集成了全部的脈寬調(diào)制電路。 (2) 片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè)（一個(gè)電阻和一個(gè)電容），內(nèi)置誤差放大器。(3) 內(nèi)置5V參考基準(zhǔn)電壓源，可調(diào)整死區(qū)時(shí)間。 (4) 內(nèi)

11、置功率晶體管可提供500mV的驅(qū)動(dòng)能力。推或拉兩種輸出方式。 TL494的應(yīng)用集成電路包含了幾乎全部的控制電路，有正弦信號(hào)發(fā)生電路、脈寬調(diào)制電路PWM、電壓電流檢測單元、驅(qū)動(dòng)電路。TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)器振蕩頻率如式1： f(osc)=1.1/Rt*Ct （式1）輸出脈沖的寬度是通過電容CT 上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1 和Q2 受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將

12、減小?？刂菩盘?hào)由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mV 的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時(shí)，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的電壓（范圍在03.3V 之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V 變化到3.5 時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降到零。兩個(gè)誤差放大器具有從-0.3V 到（Vcc-2.0）的共模輸入范圍，這可能從電源的輸出電壓

13、和電流察覺得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進(jìn)行“或”運(yùn)算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。 當(dāng)比較器CT 放電，一個(gè)正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端，受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)停止輸出管Q1 和Q2 的工作。若輸出控制端連接到參考電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個(gè)輸出晶體管，輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于50%時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別從晶體管Q1 或Q2 取得。輸出變壓器一個(gè)反饋繞組及二極管提供反饋電壓。在單端工作模式下，當(dāng)需要更高的驅(qū)動(dòng)電流輸出，亦可將Q1 和Q2 并聯(lián)使用，這時(shí)，需將輸出模式

14、控制腳接地以關(guān)閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。TL494 內(nèi)置一個(gè)5.0V 的基準(zhǔn)電壓源，使用外置偏置電路時(shí)，可提供高達(dá)10mA 的負(fù)載電流，在典型的070溫度范圍50mV 溫漂條件下，該基準(zhǔn)電壓源能提供5%的精確度。在TL494正弦波逆變電路的設(shè)計(jì)中，電壓電流保護(hù)環(huán)節(jié)采用了比較來進(jìn)行輸入也就是先將比較器的兩個(gè)輸入端和電壓的輸入輸出向連接然后再將輸出連接到TL494芯片上的差分放大器的輸入端這樣可以更好的實(shí)現(xiàn)對電路的電壓保護(hù)，當(dāng)然電流的保護(hù)也是同理的。其引腳圖如圖2所示。圖4 TL494引腳圖2.3 濾波電路以及電流檢測設(shè)計(jì)： 高頻裝置必須考慮射頻干擾（RFI）與電

15、磁干擾(EMI)以及諧波影響，本裝置在交流輸入端采用線路濾波器，用于有效抑制和吸收電網(wǎng)出現(xiàn)的強(qiáng)脈沖對電源的干擾，同時(shí)線路濾波器具有良好的共模和公差插入損耗，有效地抑制電源產(chǎn)生的高頻干擾信號(hào)影響電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電源與電網(wǎng)的隔離和減少電源對周圍環(huán)境的電磁干擾。同理，輸出端與負(fù)載之間亦加接濾波器。電路檢測單元的意義在于實(shí)現(xiàn)對電路的有效保護(hù)，它是穩(wěn)壓與過電壓、過電流保護(hù)的一部分，并將直接檢測到的電流信號(hào)街道TL494的芯片上，以此來對電路的電流、電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。電流檢測單元的構(gòu)造很簡單電阻和電容分別連接到分壓電容的中間和分壓電阻的中間，通過變壓器CT1穩(wěn)壓和電容濾波后輸出。本次課程設(shè)計(jì)中的電壓檢測環(huán)節(jié)和電流檢

16、測環(huán)節(jié)其實(shí)都是有TL494集成芯片一次完成的，因此這也大大簡化了電路，直接使用了TL494內(nèi)部的兩個(gè)放大器，通常放大器輸入“負(fù)”端接基準(zhǔn)電壓，可有14腳分壓供給，“正”端接開關(guān)電源的電壓，電流采樣信號(hào)。其局部電路圖如圖5所示。圖5 濾波以及電流檢測電路圖3 理論分析與計(jì)算3.1高頻變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)3.1.1 磁芯選擇與參數(shù)計(jì)算 選擇鐵氧體磁芯，先求出磁芯窗口面積AW與磁芯有效截面積Ae的乘積AP, 根據(jù)AP值, 查表找出所需磁芯材料之編號(hào)。由于輸出要求2500W,當(dāng)效率為0.8時(shí)，逆變器輸入端應(yīng)有3100W,考慮到溫升問題高頻變壓器功率預(yù)留6% 的裕度, 則設(shè)計(jì)輸出功率為Po= 1.06*120

17、= 3286W 。由于變壓器用于推挽變換電路當(dāng)中, 由 （式2） 其中J=400A/cm4, K =0.4,=0.8,=0.8,f=60KHZ,Bm =0.2。求得AP=0.7395cm4，查磁芯參數(shù)表知EC42符合設(shè)計(jì)要求，再根據(jù)型號(hào)查找對應(yīng)的有效截面積Ae=2.04cm2。3.1.2 變壓器匝數(shù)計(jì)算 初級(jí)繞組匝數(shù)為：1.43 （式3）取初級(jí)匝數(shù)N1=2。 次級(jí)繞組匝數(shù)為： （式4）取次級(jí)匝數(shù)為50匝。3.1.3 繞組導(dǎo)線線徑及股數(shù)計(jì)算采用銅線考慮集膚效應(yīng)，由于開關(guān)頻率為60KHZ,故穿透深度為：可知線徑不得超過0.54mm，取線徑為0.38mm。根據(jù)工程實(shí)際情況和繞組損耗, 取J= 4A/

18、mm2,導(dǎo)線直徑為=0.38mm,由設(shè)計(jì)要求知Iimax=12A,IOMAX=0.45A,由公式： （式5）可知初級(jí)線圈采用26股并繞，同理可求出次級(jí)線圈股數(shù)為1股。3.2 LC低通濾波參數(shù)設(shè)計(jì) 為了將SPWM波的諧波分量濾除，在逆變器的輸出端加了LC濾波器，從而得到正弦交流信號(hào)，濾波器的截止頻率一般都是開關(guān)頻率的1/101/2，設(shè)定SPWM波的頻率為20K，則f定為1.2kHZ，由公式 （式6）取電容C=4uF，電容選擇聚丙電容，得L=10mH。 4 安裝與調(diào)試4.1看板階段：（1） 先將PCB板的背面清洗干凈，看每一個(gè)焊點(diǎn)是否飽滿光亮，不能留有虛焊，假焊，各焊點(diǎn)之間不能有連錫以及錫渣（2）

19、 看完板的背面后，貼上絕緣粘塊，再看板的正面，首先要用攝子扶正元器件，并檢查有極性的元器件是否插反，再裝上所需的IC 到板上，要清楚的知道哪個(gè)位置裝哪個(gè)IC。 用萬用表的電阻檔測量前、后極的MOS 管的阻值是否為正常的參數(shù)。單獨(dú)的MOS管的G、S極之間阻值為無窮大，裝到PCB板上之后，G、S極之間的阻值其實(shí)就是偏置電阻的阻值。所以不同類型的逆變器就有不同的G、S極間阻值。（3） 其它類型逆變器的MOS管阻值都差不多。 （4） 用萬用表的二極管檔測量整流用的IN4004管，正向?qū)ǎ聪蚪刂?，用二極管的檔位測量驅(qū)動(dòng)變壓器前的DB3管，正向?qū)?，反向截止。?） 用萬用表的電阻檔測量有帶絕緣墊的M

20、OS管與散熱器之間是否已絕緣。 4.2 初步上電階段：（1） 先裝輔助電源板，再接對應(yīng)機(jī)型的電壓在直流輸入端，在開環(huán)狀態(tài)下測試電池檢測電路，即參考電壓：220V對應(yīng)4.0V、110V對應(yīng)4.0、48V對應(yīng)4.5V。 （2）再裝控制板，用示波器的低壓探頭測量前極每一個(gè)橋臂MOS管的驅(qū)動(dòng)波形：要求是示波器的伏格是50mV，秒格是10uS，為5V的脈沖波。用示波器的低壓探頭測量后極每個(gè)橋臂MOS管的驅(qū)動(dòng)波形：要求是示波器的伏格是50mV，秒格是5mS，為5V的脈沖波。 （3） 在JP2的位置裝在跳線，初步上電階段完成。 4.3 正式上電階段： （1） 跳線裝完之后，是在閉環(huán)的狀態(tài)下上電，在正負(fù)極接對

21、應(yīng)機(jī)型的直流電，注意直流電的極性，不能接反，否則可能會(huì)炸壞前極管。（2） 用示波器的高壓探頭接在輸出端的零線，火線上。開機(jī)，逆變器進(jìn)入巡檢狀態(tài)，此時(shí)逆變器的蜂鳴器三秒一響，三聲之后靜音。在示波器的屏幕上顯示逆變器交流輸出波形。 （3） 用萬用表的交流檔位測量逆變器交流輸出的電壓，調(diào)節(jié)控制板上的電位器，使輸出電壓為220V。用直流檔位測量逆變器的風(fēng)扇電壓為15V。（4） 用萬用表的電阻檔，調(diào)整為蜂鳴器檔測試干節(jié)點(diǎn)。（5） 關(guān)機(jī)放電后，接上市電在交流輸入的插片上，上交流電，測試BATT.INS電壓為正常范圍（220V為214V左右、110V為90V左右、48V為52V左右）。（6） 上交流之后，逆

22、變器切換到市電狀態(tài)，兩個(gè)旁路繼電器吸合。開機(jī)，逆變器進(jìn)入巡檢狀態(tài)，蜂鳴器三秒一響，三聲之后蜂鳴器一秒一響。此時(shí)交流輸出的為市電電壓，不是逆變輸出的電壓。 （7） 保持這種狀態(tài)，上直流電后，蜂鳴器靜音。作幾次市電切換動(dòng)作，檢查逆變器的切換功能。（8） 在交、直流都上電之后，加負(fù)載直至過載，對應(yīng)功率的機(jī)器加對應(yīng)的功率。（9） 在閉環(huán)狀態(tài)下重復(fù)檢查前極驅(qū)動(dòng)波形。此時(shí)一臺(tái)逆變器就全部測好。5 測試結(jié)果及分析 當(dāng)輸入電壓為9V-16V時(shí)，輸出電壓基本穩(wěn)定，當(dāng)輸入為12V時(shí)，輸出電壓達(dá)最大值536V。所設(shè)計(jì)電路具有過壓、欠壓保護(hù)功能，欠壓保護(hù)點(diǎn)8.5v9.5V,過壓保護(hù)點(diǎn)為15.516.5V,當(dāng)滿足過壓、欠壓條件時(shí)，關(guān)閉輸出；輸出過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流點(diǎn)為1.551.65A。通過實(shí)物測試結(jié)果可知，本次設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。能將12V的電壓經(jīng)高頻變壓器得到530V左右的高壓直流電，并經(jīng)過逆變得到220V的工頻交流電,前級(jí)高頻推挽升壓效率可達(dá)80%。 參考