趙凱強逆變電源設計

1、本科畢業(yè)論文（設計）(2014 屆) 題 目： 逆變電源設計 學 院： 信息工程學院 專 業(yè)： 電子信息工程 學生姓名： 趙凱強 學號： 21006021097 指導教師： 孫劍 職稱（學位）： 講師 完成時間： 2014 年 5 月 24 日 成 績： 黃山學院教務處制 學位論文原創(chuàng)性聲明茲呈交的學位論文，是本人在指導老師指導下獨立完成的研究成果。本人在論文寫作中參考的其他個人或集體的研究成果，均在文中以明確方式標明。本人依法享有和承擔由此論文而產(chǎn)生的權(quán)利和責任。聲明人（簽名）：年 月 日 目錄摘要 1英文摘要21 引言3 1.1 選題意義3 1.2 逆變電源的概述3 1.3 本課題的主要內(nèi)

2、容42 系統(tǒng)功能分析4 2.1 設計要求4 2.2 系統(tǒng)方案的比較與論證53 逆變電源器的整體電路設計5 3.1 系統(tǒng)框圖5 3.2 逆變電源原理6 3.2.1 推挽逆變原理6 3.2.2 全橋逆變原理64 逆變電源器元器件特性及各部分電路設計7 4.1 分立元件特性及參數(shù)7 4.1.1 場效應管7 4.1.2 光電耦和器9 4.2 集成芯片特性及參數(shù)9 4.2.1 TL494電源芯片10 4.2.2 KG3525電源芯片11 4.3 逆變電路設計及計算12 4.3.1 推挽電路設計12 4.3.2 全橋變換電路設計13 4.4 逆變電路整體設計圖14 4.5 高頻變壓器計算及繞制 155 系

3、統(tǒng)測試17參考文獻18致謝19逆變電源設計 信息工程學院 電子信息工程專業(yè) 趙凱強(21006021097)指導老師：孫劍摘要：逆變器是能夠直流電轉(zhuǎn)換成生活中能通用的的交流電的設備。例如：車用車載電源逆變器，是最常見的逆變電源電子設備；太陽能電池板可以產(chǎn)生直流電，但是如果要是并入電網(wǎng)投入使用的話，就必須轉(zhuǎn)換為交流電。電子產(chǎn)品中，像筆記本電腦、空調(diào)等都廣泛使用逆變器件。本設計整體采用第二逆變器的設計原理，前級使用推挽TL494升壓電路，輸出直流電壓經(jīng)二次逆變電路將高壓直流轉(zhuǎn)換成高壓低頻交流。 關(guān)鍵詞：逆變器；TL494；KG3525；推挽；全橋 Design of Inverter Power

4、Zhao Kaiqiang Director：Shun jian （School of Information Engineering, Huangshan University, Huangshan, China, 245041)Abstract:The inverter is capable of converting direct current into life energy common AC devices. For example：car car power inverter, power inverter is the most common electronic devic

5、es; solar panels can generate direct current, but if if put into the grid, then it must be converted to alternating current. Electronic products, such as notebook computers, air conditioners and so widely used in the inverter device. The design of the overall use of the second inverter design princi

6、ples, using push-pull TL494 pre-boost circuit, the output DC Pressed by the second inverter circuit converts the high voltage direct current high voltage low frequency AC.Keywords: inverter；TL494；KG3525；push and pull; Full-Bridge1 引言1.1 選題意義平常生活中逆變電源用途最廣的就數(shù)車載逆變器，在國外車載逆變器非常受歡迎，將汽車上的12伏直流電轉(zhuǎn)為交流電可以帶動家庭用

7、品，給戶外旅行帶來很大方便；還有所有軍艦上都需要高效的逆變器工作，以提供整個系統(tǒng)的電能。移動不止存在于通訊中，現(xiàn)在的社會就是移動的社會。在這樣的環(huán)境下，不在需要只有高壓線、電網(wǎng)，而是能提供交流電的可攜帶電源，而逆變電源就能滿足本設計求。 1.2 逆變電源的概述 一般逆變器分為三種，一種稱正弦波逆變器，一種稱方波逆變器。還有一種稱修正波逆變器；正弦波逆變器的輸出交流電波形很好，幾乎可以驅(qū)動任何負載，但是成本和技術(shù)要求都比較高。方波逆變器的輸出交流電則比較差些，由于輸出波形是方波，所以在電壓上升下降沒有緩沖段，直接升為最高、降為最低。因此驅(qū)動負載時不是很理想。方波逆變器電路原理是多諧振蕩器產(chǎn)生方波

8、，因此輸出不是很穩(wěn)定，而且?guī)ж撦d能力差。而修正正弦波逆變器，就解決了方波逆變器的一些缺點。一般都設置一個死區(qū)時間，從而在最高和最低電壓之間有個緩沖，不至于突然升高降低。而且也不像正弦波逆變器那樣需要專門的SPWM波形發(fā)生器，價格也就降了下來。性能也得到了提升1。方波逆變器一般采用簡單的多諧振蕩器，作為驅(qū)動源驅(qū)動晶體管工作，電路更為復雜且不穩(wěn)定。修正波逆變器原理一般都分為兩級逆變。前級將低壓直流轉(zhuǎn)換為高壓高頻直流，次級將高壓直流轉(zhuǎn)為低壓低頻交流。前級部分一般采用推挽電路，次級一般采用全橋逆變2。而且準正弦波逆變器采用的都是專用的開關(guān)電源芯片，如：TL494，SG3525，KG7500等。其內(nèi)部自

9、帶的方波信號源都設有死區(qū)時間，這樣也使得方波交流正向最大值和負向最大值不會同時產(chǎn)生。芯片還設有保護電路，以防止電路損壞。正弦波逆變器需要復雜的電路產(chǎn)生產(chǎn)生SPWM波形，許多芯片不能集成這一功能，而且控制方法非常復雜。其余電路和準正弦波逆變器一樣，大多也是采用兩級逆變，前級轉(zhuǎn)為高壓高頻直流，次級轉(zhuǎn)為低壓低頻交流。1.3 本課題的主要內(nèi)容本課題內(nèi)容是制作一小功率逆變器。提供7.2伏的電池，并將電池轉(zhuǎn)為高壓交流電驅(qū)動一燈泡。輸出110伏50HZ。2 系統(tǒng)功能分析 2.1 設計要求本設計提供的電源為7.2伏，1.7安培，設計要求輸出交流110伏，能夠驅(qū)動5W 110伏燈泡。由于系統(tǒng)電源采用的是電池，而

10、且容量很小，因此整個系統(tǒng)無需加輸入過壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出過壓保護電路，整個系統(tǒng)只需加一輸入欠壓保護電路即可3。逆變器通常工作環(huán)境比較惡劣，因此不但要有良好的電氣特性，還要有強抗干擾性，此外低成本、重量輕、體積小也是需要考慮的因素。系統(tǒng)設計指標參數(shù)如表2-1所示。 表2-1 設計指標一覽表序號指標參數(shù)值1系統(tǒng)方案準正弦波逆變器2輸入電壓7.2直流3輸出電壓110伏交流4輸出功率驅(qū)動5W 110伏燈泡5電路保護輸入欠壓保護功能6電路性能良好的電磁兼容性和電氣特性7工作環(huán)境溫度-20-50 2.2 系統(tǒng)方案的比較與論證 系統(tǒng)采用的是修正波逆變器，修正波逆變器一般采用的有以下三種方案：

11、方案一：用TL494提供50HZ驅(qū)動源以及反饋保護，驅(qū)動推挽電路經(jīng)工頻變壓器升壓至110伏。該方案電路簡單，容易制作，而且不需要繞制復雜的高頻變壓器，只需要用工頻變壓器即可。但是這種設計由于頻率低的緣故需要用工頻變壓器，而工頻變壓器笨重、體積大，因此滿足不了本設計的條件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。 圖2-1 單級逆變電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 方案二：用AVR單片機mega16產(chǎn)生兩路相位相差180度的50HZ驅(qū)動信號，驅(qū)動單相半橋電路交替導通經(jīng)工頻變壓器升壓至110伏。采用數(shù)字化是以后的趨勢，具有可觀的前景。但是由于現(xiàn)在沒有公司開發(fā)出相應的單片機，集成雙路PWM輸出功能的單片機價格比較貴，低價位的單

12、片機輸出兩路相位相差180度的PWM程序設計相當復雜。而且單片機還有很大的缺點就是輸出電流不夠，因此后級還要加驅(qū)動電路，這無疑增加了電路的復雜度。還有就是單片機沒有像專用芯片那樣設置死區(qū)時間7。因此也滿足不了設計條件。電路框圖如圖2-2所示。 圖2-2 數(shù)字逆變電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 方案三：采用典型的雙級逆變電路，前級用推挽電路將7.2伏直流電經(jīng)高頻變壓器升壓到150伏直流電；次級全橋電路（又稱“H”）將150伏直流電轉(zhuǎn)換為110伏交流電。采用典型的雙級逆變電路，使用開關(guān)電源集成芯片，不但集成PWM輸出功能，內(nèi)部還設置了死區(qū)時間。由于前級可以用很高的頻率(幾十KHZ-幾百KHZ),因此需要的變壓器

13、體積則小了很多(高頻變壓器相對于工頻變壓器在同樣功率下體積要小很多)。后級全橋電路可以直接將150直流電轉(zhuǎn)換為交流電，中間無需再加變壓器等元件4。電路框圖如圖2-3所示。 圖2-3 雙級逆變電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 綜合三個方案雙級逆變電路相比于方案一和方案二有著兩者的優(yōu)點，方案一體積過大，方案二電路比較復雜，價格也比較高。因此本設計采用方案三作為整體方案。3 逆變電源器的整體電路設計3.1 系統(tǒng)框圖 雙級逆變電源設計如圖3-1所示。 圖3-1 雙級逆變電源系統(tǒng)詳細框圖7.2伏系統(tǒng)主要直流電經(jīng)過推挽逆變電路放大轉(zhuǎn)換為110伏30KHZ交流電,控制系統(tǒng)采用開關(guān)電源芯片TL494,提供PWM驅(qū)動源。110

14、伏交流電經(jīng)整流濾波過后變?yōu)?50伏左右直流電，為全橋電路輸入電源5。KG3525驅(qū)動全橋電路將直流轉(zhuǎn)換為110伏交流，頻率為50HZ左右。 3.2 逆變電源原理逆變器就是利用開關(guān)管導通與關(guān)閉，產(chǎn)生一正一負，從而將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能。3.2.1 推挽逆變原理推挽電路如圖3-2所示。電路中兩個晶體管的發(fā)射機接在一起并入地，集電極分別接入變壓器的初級輸入端。當VT1基極為高電平，VT2基極為低電平時，則VT1導通、VT2截止，輸出為正；當VT1基極為低電平，VT2基極高電平時，則VT1截止、VT2導通，輸出為負，這就形成了交流電6。 圖3-2 推挽逆變電路 推挽逆變電路輸出電壓電流波形如圖3-3

15、所示。 圖3-3 推挽電路輸出波形 3.2.2 全橋逆變原理 全橋電路如圖3-4所示。全橋電路由四個三極管組成，其中Q1和Q3是同時導通，Q2和Q4同時導通。即Q1和Q3 基極驅(qū)動源相位相同，Q2和Q4基極驅(qū)動源相位相同。當Q1與Q3同時導通時，輸出電壓為正的Ud；Q2與Q4同時導通時，輸出電壓為負的Ud。交替導通也就得到交流輸出。 圖3-4 全橋電路 全橋逆變電路輸出電壓電流波形如圖3-5所示。全橋輸出電壓為方波，電流為正弦波。 圖3-5全橋電路輸出波形4 逆變電源器元器件特性及各部分電路設計 4.1 分立元件特性及參數(shù)本設計分立元器件主要有：MOSFET、光耦、高壓三極管等。4.1.1 場

16、效應管本設計變換電路開關(guān)管采用的都是場效應管，場效應管英文縮寫MOSFET,即金屬氧化物半導體場效應晶體管。因為其具有很好的開關(guān)特性，功率場效應管幾乎全部應用于開關(guān)器件，只有個別器件用作放大功能，它的工作電流甚至能達到幾百安培。本設計所選用的場效應管為IRF840，其各項特性及參數(shù)如圖所示： 圖4-1 IRF840引腳排列及符號圖表4-1 IRF840性能參數(shù)表參數(shù)名稱參數(shù)值VDS(V)500RDS(on)(歐)VGS-10=100.85Qg(Max.)(nc)63Qgs(nC)9.3Qgd(nC)32ConfigurationSingle 圖4-2 IRF840 典型傳輸特性 圖4-1左邊顯

17、示了IRF840的引腳排列，以及封裝TO-220AB。右邊則表明IRF840內(nèi)部集成了保護二極管。 表4-1 可得到：IRF840最大工作電壓500伏；在柵源極電壓為典型值10伏時，漏源極之間導通電阻僅為0.85歐，該參數(shù)是衡量場效應管好壞的重要指標，取值越小說明當通過同樣的電流，場效應管消耗的功率越??；Qg、Qgs、Qgd分別為柵極極間電容、柵源極極間電容、柵漏極極間電容，該參數(shù)影響場效應管的導通速度，形成的密勒效應更會影響場效應管的放大倍數(shù)8。 圖4-2 表明在室溫25攝氏度下，柵源極電壓至少需要4伏以上才能導通，4.5伏時只能通過1安培電流。也就是說驅(qū)動電壓要4伏以上。 4.1.2 光電

18、耦和器 光電耦合器起著隔離的作用，本設計用作驅(qū)動場效應管以及反饋?？梢苑乐勾渭壴p壞后導致前級元件損壞。本設計用的光耦型號為TLP521，引腳排列如圖4-3所示。 圖4-4中Iff為流過光耦內(nèi)部二極管的電流值(1和2腳之間)，Ic表示光耦內(nèi)部三極管的集電極電流(流過4腳電流)，從圖中可以看到在工作范圍內(nèi)Ic隨著If的增大成一定線性關(guān)系，這也是光耦的應用原理。更為重要的是內(nèi)部二極管和三極管完全隔離，因此在電路中能起到完全隔離作用。 圖4-3 TLP521符號及引腳 圖4-4 TLP521 If-IC 曲線 4.2 集成芯片特性及參數(shù) 本設計選用電源芯片為：TL494、KG3525。4.2.1

19、TL494電源芯片 TL494 是一種頻率固定、占空比可調(diào)的集成芯片，主要用作開關(guān)電源設計。輸出晶體管輸出和灌入電流可達 500mA；片上集成誤差放大器；片上集成5.0V 基準電壓。 圖4-5 TL494 引腳分布圖 表4-2 TL494 引腳功能表引腳1內(nèi)部集成誤差放大器同相端。引腳2內(nèi)部集成誤差放大器反相端。引腳3反饋端。誤差放大器的輸出端，與引腳1之間增加電阻電容可改變誤差放大器的增益。引腳4死區(qū)時間控制端。端口上加0到3.3伏的電壓可使輸出PWM占空比 從98到0。該端口還可以用做保護電路。引腳5和引腳6配合使用，決定PWM工作頻率，外接震蕩電容。引腳6和引腳5配合使用，決定PWM工作

20、頻率，外接震蕩電阻。公式為： F=1.1/Rt.Ct引腳7接地端。引腳8內(nèi)部集成輸出三極管集電極端C1。引腳9內(nèi)部集成輸出三極管發(fā)射極端E1。引腳10內(nèi)部集成輸出三極管發(fā)射極端E2。引腳11內(nèi)部集成輸出三極管集電極端C2。引腳12電源端口。引腳13輸出狀態(tài)控制端口，該端口決定輸出方式。端口接地，則為單端輸出模式；端口接電源，則為推挽輸出模式。引腳14內(nèi)部5伏基準源端口，最大輸出電流10MA引腳15內(nèi)部集成誤差放大器同相端。引腳16內(nèi)部集成誤差放大器反相端。 4.2.2 KG3525電源芯片KG3525和SG3525可以完全通用，電流控制型PWM芯片。由于使用了電流和電壓雙環(huán)系統(tǒng)，輸出更加穩(wěn)定。

21、輸出頻率可以低至50HZ,這是TL494不能達到的。 圖4-6 KG3525 引腳分布圖 表4-3 KG3525 引腳功能表引腳1內(nèi)部集成誤差放大器反相端。引腳2內(nèi)部集成誤差放大器同相端。引腳3該引腳和內(nèi)部振蕩器信號能夠同步。引腳4振蕩器輸出端。引腳5和引腳6配合使用，決定PWM工作頻率，外接震蕩電容。引腳6和引腳5配合使用，決定PWM工作頻率，外接震蕩電阻。引腳7振蕩器放電段。該端口與5端口之間要加放電電阻。輸出頻率公式： F=1/Ct.(0.67Rt1.3Rd)引腳8外部軟啟動電容連接端口。該端口接一電容，可構(gòu)成軟啟動電容。引腳9反饋端。誤差放大器的輸出端，與引腳1之間增加電阻電容可改變誤

22、差放大器的增益。引腳10外界信號關(guān)閉端口。該端口接高電平，則無輸出。通常接地。引腳11輸出端A。引腳12接地端。引腳13電源端。引腳14輸出端A。引腳15偏置電源接入端。引腳16內(nèi)部5伏基準源端口。 4.3 逆變電路設計及計算 逆變電路設計分為推完電路設計和全橋電路設計。4.3.1 推挽電路設計推挽電路如圖4-7所示 ，電路主控芯片為TL494，提供兩路相位相差180度的PWM驅(qū)動方波。經(jīng)過兩個TLP521隔離驅(qū)動場效應管IRF840產(chǎn)生振蕩，經(jīng)過高頻變壓器升壓，再經(jīng)過整流濾波得到150伏左右直流電，為下一級電路提供輸入電源。芯片內(nèi)帶反饋功能，通過內(nèi)部誤差放大器反饋端口與內(nèi)部基準源相比較，穩(wěn)定

23、輸出電壓。另外一誤差放大器則構(gòu)成欠壓保護電路。芯片輸出方式為推挽輸出，最大占空比0.459。 圖4-7 推挽逆變電路 4.3.2 全橋變換電路設計 KG3525芯片周圍電路連接如圖4-8所示。同樣提供兩路相位相差180度的PWM驅(qū)動方波。芯片內(nèi)帶一個誤差放大器，通過誤差放大器反饋端口與內(nèi)部基準源相比較，穩(wěn)定輸出電壓。芯片輸出方式為推挽輸出，最大占空比0.45。芯片還自帶閉鎖功能。 圖4-8 KG3525控制器電路 全橋電路如圖4-9所示：由4個IRF840構(gòu)成。KG3525輸出一路信號PWM1分別輸入Q2和Q7，另一路信號PWM2輸入Q3和Q8。由于VSS1是輸出110交流值，而柵極驅(qū)動電壓只

24、有7V，因此當Q7關(guān)閉時，Q2不能被驅(qū)動。而Q4 、D5、 C14構(gòu)成自居升壓電路就能解決這個問題11。自居升壓過程：Q7導通期間，VCC經(jīng)過D5給C14充電，當Q7關(guān)閉時，此時柵極的電壓就會被電容抬高，為110電容兩端電壓，就可以非常容易的驅(qū)動Q2導通。Q4 的作用是防止高壓進入輸入端，燒壞器件，因此Q4 要選用耐高壓的三極管，本設計選用KSP44。D3的作用是防止Q7關(guān)閉期間場效應管漏極電壓高于柵極從而損壞場效應管，D3起到鉗位作用，用1N4148就可以。D5要快速切換，因此選用快恢復二極管FR107。Q3、 Q8工作過程和Q2、Q7一樣。 圖4-9 全橋電路 圖4-10為反饋電路110伏

25、交流電經(jīng)過分壓大約5伏左右，D10是5.1V穩(wěn)壓二極管，當輸出電壓變高，反饋分壓高于5.1V，則D10導通，KG3525輸出占空比減小，完成穩(wěn)壓作用。 圖4-10 反饋電路4.4 逆變電路整體設計圖 7.2伏直流電經(jīng)TL494推挽逆變電路,變壓器輸出交流，再整流濾波得到高壓直流。高壓直流加到由KG3525構(gòu)成的全橋逆變電路上橋漏極端，經(jīng)全橋逆變?yōu)榻涣?10伏。整體設計原理圖如圖4-11所示。 圖4-11 逆變電路整體設計圖4.5 高頻變壓器計算及繞制 高頻變壓器的制作不但計算麻煩，繞制過程更加麻煩。不但要計算復雜的磁學公式，考慮磁芯大小、功率，更要自己動手繞制，繞線的質(zhì)量直接決定電路能不能工作

26、。參考系統(tǒng)要求，選擇材質(zhì)PC40、大小EE19的磁芯，參數(shù)如表4-4所示。經(jīng)計算得：初級線徑為0.6mm、匝數(shù)為6，2對；次級線徑0.13mm、匝數(shù)178。計算方法如下： 表4-4 磁芯參數(shù)表TYPEMATERIAL材料Dimensions(mm)外形尺寸Ap 磁芯面積乘積Ae磁芯有效面積Aw 磁芯窗口面積 ALLeVeWtA * B * C( cm4 )(mm2 )(mm2)(nH/N2)(mm)(mm)( g )EE16PC4016*7.2*4.80.076519.2039.85114035672.3.30EE19PC4019.1*7.95*5.00.124323.0054.0412503

27、9.49004.80 用AP法選擇磁心規(guī)格的公式推導過程：高頻變壓器的的輸入可能是正弦波、方波等規(guī)則波形，也可能是梯形波、鋸齒波等不規(guī)則波形，因此高頻變壓器的波形非常復雜。表示高頻變壓器的有3個波形參數(shù)：波峰因數(shù)（）、波形因數(shù)（）、波形系數(shù)（）。波形系數(shù)：先以正弦波為例，假設理想情況下，變壓器輸入正弦波，2次繞組就會產(chǎn)生電動勢。由法拉第電磁感應定律 。其中N為繞組、A為變壓器磁芯面積、B為磁感應強度，。正弦波的電壓有效值為： （4-1）在開關(guān)電源中定義4.44為正弦波的波形因數(shù)。同理可得方波波形因數(shù)為4。波形系數(shù)：開關(guān)電源中為了區(qū)分方波、鋸齒波等非正弦波，定義了慨念，表示有效值電壓與平均值電壓

28、之比。以正弦波為例： 1 （4-2） 同時，可得到 =4* （4-3） 方波=1。 令一次繞組的有效值電壓為，一次繞組的匝數(shù)為Np，所選磁心的交流磁通密度為。磁通量為 ，開關(guān)周期為T，開關(guān)頻率為 f,一次側(cè)電流的波形系數(shù)為,磁心有效截面積為。(單位是cm )，有關(guān)系式 （4-4）結(jié)合=4*，可推導出 （4-5） 同理，設二次繞組的有效值電壓為，二次繞組的匝數(shù)為 ，可得 （4-6）電流密度取值300（Acm )，則導線截面積S等于IJ。令高頻變壓器的窗口面積利用系數(shù)為 ，一次、二次繞組的有效值電流分別為 、，繞組面積被完全利用時可推導出 （4-7）即 （4-8）再將(5)式和(6)式代入(8)式

29、中整理后得到 （4-9） （4-10） 這樣就得到了用AP法選擇磁心規(guī)格的公式10。取=0.8，Po=5,Kw=0.4,=4,f=38000,Bac=0.2T,J=366,得Ap0.0060 EE19磁芯完全滿足要求。 選擇好磁芯后，次級I2=5/110=0.045A,初級電流I1=0.87A，以每平方毫米3安培電流計算次級線徑約為0.13mm，初級線徑約為0.6mm。匝數(shù)根據(jù)實驗先試繞一小段測得匝比，再經(jīng)過計算得初級6匝，次級178匝。實際效果圖如圖4-12所示。 圖4-12 手繞變壓器實際效果圖5 系統(tǒng)測試用萬用表對輸入電壓、初級輸出直流電壓、次級輸出交流電壓分別測試，測試點如圖5-1所示。實驗測量6次，對六次測量取平均值，得：輸入電壓VIN=7.41V,初級輸出直流電壓VOU1=150.1V，次級輸出交流電壓VOUT2=109.3V。測試數(shù)據(jù)如表5-1所示。測量結(jié)果完全滿足系統(tǒng)要求。測量過程中次級輸出電壓有些許抖動，經(jīng)分析應該是反饋的原因，反饋走線受到變壓器的干擾。輸出電壓抖動在很小范圍內(nèi)，不影響正常使用。表5-1 實際測試結(jié)果一覽表(含輸