逆變器自己制作過程大全

./通用純正弦波逆變器制作概述本逆變器的PCB設計成12V、24V、36V、48V這幾種輸入電壓通用。制作樣機是12V輸入,輸出功率達到1000W功率時,可以連續(xù)長時間工作。該逆變器可應用于光伏等新能源,也可應用于車載供電,作為野外應急電源,還可以作為家用,即停電時使用蓄電池給家用電器供電。使用方便,并且本逆變器空載小,效率高,節(jié)能環(huán)保。設計目標1、PCB板對12V、24V、36V、48V低壓直流輸入通用；2、制作樣機在12V輸入時可長時間帶載1000W；3、12V輸入時最高效率大于90%；4、短路保護靈敏,可長時間短路輸出而不損壞機器。逆變器主要分為設計、制作、調試、總結四部分。下面一部分一部分的展現。第一部分設計1.1前級DC-DC驅動原理圖DC-DC驅動芯片使用SG3525,關于該芯片的具體情況就不多介紹了。其外圍電路按照pdf里面的典型應用搭起來就OK。震蕩元件Rt=15k,Ct=222時,震蕩頻率在21.5KHz左右。用20KHz左右的頻率較好,開關損耗小,整流管的壓力也小些,有利于效率的提高。不過頻率低,不利于器件的小型化,高壓直流紋波稍大些。電池欠壓保護,過壓保護以及過流保護在DC-DC驅動上實現。用比較器搭成自鎖電路,比較器輸出作用于SG3525的shut_down引腳即可。保護電路均是比較器搭建的常規(guī)電路。DC-DC驅動部分使用了準閉環(huán),輕載時,準閉環(huán)將高壓直流限制在380V左右,一旦負載加重前級立即進入開環(huán)模式,以最高效率運行。并且使用了光耦隔離,前級輸入和輸出在電氣上是隔離開的,這樣設計也是為了安全。如圖1.1所示,是DC-DC驅動電路原理圖。圖1.1DC-DC驅動電路原理圖1.2前級DC-DC功率主板原理圖DC-DC功率主板采用的是常規(guī)推挽電路,8只功率開關管,每只管子有單獨的柵極驅動電阻,分別用圖騰驅動這8只功率管。變壓器次級高壓繞組經整流濾波后得到直流高壓。輔助繞組經整流濾波穩(wěn)壓之后給后級SPWM驅動板以及反饋用的光耦提供電壓供電。從原理圖上可以看出,給前級驅動板供電,采用了電壓變換電路,輸入為12V時,為了保證在電池電壓較低時前級驅動也充足,用LM2577升到15V,輸入24V時,用LM7815降為15V,輸入電壓大于36V時,只能用LM2576HV來給驅動板供電了。大家都知道,像LM7815之類的線性電源容易受到干擾,所以建議24V的也用LM2576。從原理圖中可以看出,輔助電源也用了LM7815,建議最好換成LM2576。本次制作的時候也會用LM2576,把LM2576做在一塊小板子上,最后輸出三根線,和LM7815兼容。關于前級驅動變壓器的功率管選擇,耐壓值的經驗選擇為輸入最高電壓*2.4,即當12V的機器,輸入電壓最高為14.5V,14.5V*2.4=34.8V,所以,12V的機器可以選耐壓35V的MOS。當然,這么選擇是有前提的,就是你的變壓器繞制工藝不能太差,漏感、分布參數不能太大,否則MOS會被變壓器產生的尖峰擊穿損壞。如果變壓器繞制過關,可以選擇耐壓小點的管子,一般來說,電流相同,耐壓更高的管子輸入電容更大,內阻也更大。但如果變壓器繞的不咋樣,乖乖,還是選擇耐壓高些的MOS管更好。下面給出各種電壓選擇管子的參考：12V輸入,4對IRF4104；24V輸入,4對IRFP3710；36V輸入：3對IRFP3710；48V輸入：3對IXFH58N20。我給出的這些管子并不是最合適的,但是這些管子都是我用過的,并且留有足夠余量,實現本制作目標是沒啥問題的。圖1.2所示是DC-DC功率主板原理圖。圖1.2DC-DC功率主板原理圖關于變壓器,打算用一個EE55來完成。12V輸入時,初級2T+2T,單邊用1.0的漆包線14根并繞,截面積達到11*2=22平方毫米,過100A的電流沒問題了。次級1根1.0的漆包線繞60T,輔助繞組用0.8的漆包線繞4T。變壓器用XX治繞法,即次級、初級、次級、輔助。關于變壓器的具體繞制,后面再說。做24V輸入的,EE55,初級4T+4T,單邊用1.0的線8根并繞。次級1根1.0的漆包線繞60T,輔助繞組用0.8的漆包線繞4T。做36V輸入的,EE55,初級6T+6T,單邊用1.0的線8根并繞。次級2根0.9的漆包線繞60T,輔助繞組用0.8的漆包線繞4T。做48V輸入的,EE55,初級8T+8T,單邊用1.0的線8根并繞。次級2根1.0的漆包線繞60T,輔助繞組用0.8的漆包線繞4T。由于24V、36V、48V輸入時,功率可以大于1000W,因此漆包線的截面積〔即漆包線根數也應該增加,那樣才能扛得住更大的功率。按照我上面給的參數,24V時能到1500W,36V能到2000W,48V搞個2500W或者3000W沒啥問題。要說明的是,上面給出的參數我目前還沒實際做過,給出的參數只作為參考。1.3SPWM驅動板原理圖設計SPWM采用專用芯片EG8010產生。EG8010還是挺好用的,雖然精度差些,但是也沒有什么其他不好的,而且功能還挺多,最重要的是便宜,5元一片,都玩得起。關于EG8010的外圍電路,參照其數據手冊即可。MOS驅動用IR2110,IR2110便宜,一只2110就可以驅動兩只MOS,而且價格還比TLP250光耦便宜些,性能也不錯,我比較喜歡的就是IR2110有SHUT_DOWN引腳,內部有D觸發(fā)器,在做保護時,可以做成逐個周期限流。即一個50Hz的正弦周期保護后,要等到下一個正弦周期IR2110才會重新輸出。大家看我做的24V/2000W的那個機器短路波形可以發(fā)現,在短路的時候,頻率仍然為50Hz,這個就是IR2110內部有D觸發(fā)器的原因了。關于IR2110供電問題,就用自舉供電。1000W的功率不大,自舉供電完全OK,如果做獨立供電,需要至少三組隔離電源,比較麻煩,并且反激電源并不好做。后級MOS的保護集成在SPWM驅動板上,采用檢測管壓降,穩(wěn)定可靠,個人認為,比那種用電阻采樣的要更可靠。關于管壓降保護的,我不多講,這也是我從別處學過來的,有些東西不方便說,好像是涉及了別人專利問題。我只說,按照我原理圖里面的那些元件搭建起來,是完全可以的。該逆變器采用的是單極性調制,故只需要一只電感,電感可以用外徑47mm、磁導率小于90的鐵硅鋁來繞,繞120T左右。具體數字要等我繞電感時才能確定,現在磁環(huán)都還沒買好,電感的事就暫時放一放。如下面圖1.3所示是SPWM驅動板原理圖。圖1.3SPWM驅動板原理圖1.4后級DC-AC功率版原理圖設計DC-AC原理圖部分沒啥好講的,也就是MOS搭成的一個全橋,在輸出接LC濾波就OK。DC-AC部分加入了高壓檢測電路來控制SPWM驅動板的電源。即直流高壓大于240V時輔助電源才接通,后級開始工作。還有輔助電源下降時關掉SPWM驅動的電路,防止當輔助電源降低而高壓直流還較高時因為功率管驅動不足引起的炸管事故,增加這個功能后就可以安全的短路關機了,不然的話,短路關機是很危險的。如下圖1.4所示是DC-AC功率版原理圖。圖1.4DC-AC功率版原理圖1.5原理圖綜合由于有了做上一版24V逆變器的經驗,所以這次我不打算再像上次那樣做成幾個模塊了。這次我做成一個整體的,即把DC-DC升壓以及DC-AC逆變都做在一張板子上,所以還需要一個原理圖綜合的部分,把原理圖綜合起來,都弄好后,就可以開始布局布線了。這個原理圖是我這次做的機器的依據。這次的機器主體結構是下面一張大的主板,主板上面是功率器件,然后前級驅動、SPWM、溫控風扇等部分是小板子,做成立式都插在主板上面,甚至代替LM7815的LM2576的小板子也是插在主板上的,大伙覺得這樣設計如何？反正我是比較喜歡。如圖1.5所示,是整個機器的原理圖,和前面分開分析的電路是一樣的。原理圖里寫了注釋,我就不再多說了。第二部分PCB設計2.1PCB布局布線原理圖弄完了,下面開始PCB布局布線了。由于之前做了24V/2000W的機器,所以前級驅動板和SPWM驅動板可以直接用,不用重新做了。先上個前級驅動和SPWM驅動板的截圖上來。圖2.1前級驅動板PCB圖2.2前級驅動板背面的3D效果圖如圖2.1所示,是前級DC-DC驅動板的PCB圖。注意看標尺的尺寸：40.132mm*27.051mm,很迷你,但是功能是沒縮水。這就是用直插芯片和貼片阻容的效果,可以做到很小的體積,甚至比全貼片的還要小。如圖2.2所示,是前級驅動板的背面3D圖,說實話,不太好看,不過實物要漂亮些。如圖2.3所示,是SPWM驅動板的PCB圖,尺寸77.343mm*44.577mm,體積不算大。如圖2.4所示,是SPWM驅動板的3D效果圖。圖2.3后級SPWM驅動板的PVB圖圖2.4后級SPWM驅動板驅動板背面的3D效果圖2.2變壓器制作變壓器是EE55臥式磁芯,12V/20KHz左右時出1000W沒問題,并且還留有余量。初級2T+2T,用φ0.8的線20根并繞。次級60T,用φ0.8的線2跟并繞。輔助φ0.8的線繞4T。先繞兩層次級,大概是40T,然后是初級,初級完了之后是剩下的20T次級,最后是4T的輔助繞組。如圖2.5所示,是DC/DC部分主變壓器的繞組結構示意圖。圖2.5DC/DC部分主變壓器繞組結構示意圖這是骨架從旁邊看過去〔即骨架兩邊的引腳都在下面的示意圖,中間的方塊是磁芯中間那個部分。從里到外,依次是次級、初級、次級、輔助繞組。圖2.5中1和2繞組是最里面的2層次級繞組。3是初級的中間抽頭,4和5是初級的另外兩個抽頭,次級一共有2層。4和5是相交叉的,故圖中4和5的線疊在一起了。6和7是剩下的20T〔1層的次級。8和9是輔助繞組。1和2的次級繞組用φ0.8的線2條并繞,先繞40T即可,40T大概是2層。繞的時候注意將漆包線拉緊,以減小漏感,但不能太用力,不要把漆包線外面的絕緣漆弄掉了,還要注意將線繞平整,繞之前漆包線不平整的,先用工具弄直了再繞。注意每一層繞完后要用高溫膠帶粘好,要做好絕緣。絕緣不好,繞組之間短路就麻煩了。繞好之后把線頭弄到旁邊去,先不用固定在骨架的引腳上。2層次級的實物圖2.6所示。圖2.6變壓器1、2層繞組繞制次級繞好之后,加繞兩層絕緣膠帶,只需兩層就好了,太多了會增加漏感,太少絕緣性能又不達標。接下來就是繞制初級了。我繞初級是把漆包線當成銅帶來用的,就是把很多條漆包線都焊接在一個銅塊上,然后再繞到變壓器中,實踐證明,這種辦法較好,繞出來的變壓器效果還不錯。首先根據變壓器骨架尺寸,量好繞2T需要的漆包線的長度,注意要把接頭部分的考慮進去,然后乘以2〔另外一個繞組。我繞的時候取50cm左右,有點長了,浪費了一些漆包線。剪好20根這個長度的漆包線。下面我們需要把這20根漆包線焊接到一塊銅片上。就需要把這些線中間的絕緣漆刮掉一部分,刮好之后找個東西把這些漆包線壓起來,中間刮掉漆的放在一塊,開始焊接?？磮D吧——如圖2.7所示。圖片中的那個小的銅片是冰箱里面拆出來的銅管拍扁的。大家只要找差不多大小的就OK。圖2.7初級的繞制方法焊接好后就要開始繞初級了,初級是比較難搞的,大家都耐心點,仔細點。我繞這個變壓器差不多是花了一天,俗話說慢工出細活,大概就是這個道理吧。我花了接近一天,繞出來的變壓器效果還是蠻不錯的。啰嗦了,繼續(xù)。在變壓器一側的骨架上開個方形的口子,把那個銅片穿過去,如圖2.8所示。然后在銅片上方貼好絕緣膠帶。圖2.8初級的繞組小銅條的固定方法接下來就是把那些漆包線繞骨架上折,在另一邊先用螺絲刀作為臨時固定的裝置在繞的時候注意兩個繞組的相互交叉的,這樣有利于減小漏感,并且兩個繞組很對稱。以同樣的辦法,然后初級的第二層。抱歉,這里手不是很空,也沒記住,就沒拍照片了。接下來就是要焊接初級的另外兩個電極了。具體怎么搞的請看圖2.9所示。最后一個畫面是焊接好的效果圖。圖2.9初級繞組繞好的效果初級搞完了,粘好膠帶,繼續(xù)繞次級。由于后面的比較簡單,所以就沒拍照了,有問題的再問。最后需要把兩個次級連起來,注意里面的次級的同名端和外面次級的異名端相連,不能錯。有電感表的,分別測兩個次級的電感,兩個次級串聯好后,電感是兩個次級單獨的電感之和才對,否則就錯了。比較可惜的是連繞好的變壓器我都忘拍照了,現在變壓器正在享受"油浴"〔浸絕緣漆,我就不去打擾它了,等泡好漆干了再補照片。下面是小測試了一下變壓器,只拍了波形,其他的都忘記了,其他的也不重要,測試的是一塊3525搭的小板,兩對IRF3205功率MOS管,負載是一只200W的白熾燈。白熾燈直接接到變壓器的次級繞組上,不加整流濾波電路。白熾燈雪亮,實際功率大概350W左右,如圖2.10所示,是場管D級波形,很好看吧,尖峰震蕩都比較小,證明變壓器效果還蠻好。圖2.10MOS管D級波形圖我說下我自己理解的繞這種高頻變壓器的難點吧。這種高頻變壓器難點就在初級上,因為初級電流很大,12V/1000W的機器初級電流要接近100A,100A的電流得用足夠截面積的銅線來繞,由于趨膚效應的存在,還不能用直徑太大的線繞,所以只能用多條細線并繞,要想把這么多線繞好,繞漂亮,并且高頻變壓器對漏感、還有分布參數以及絕緣性要求都比較高,所以要把這么多線處理好,是真的比較困難。當然,高頻變壓器的這種難只會由我這種菜鳥級別的人物說出來,對那些大師來說,就完全是小菜了。好多天沒來了,現在更新下。PCB正在布局布線中,這么多元件,看著頭還是有點小痛。圖2.11PCB飛線效果圖圖2.12散熱片結構浦和尺寸這次把前級、后級都搞到一張板子上了,并且盡量縮小PCB尺寸,做個迷你版本的。如圖2.12所示,是散熱器的外形及尺寸：長240mm,高50mm,寬30mm,基板厚4.75mm。我很喜歡這種形狀的,做機器很好。經過幾天的努力,終于把PCB畫好了?，F在發(fā)上來讓大家瞧瞧,請大家多多指點。原理圖跟之前發(fā)的有些修改,以這個為準。圖2.13整體SCH圖PCB圖和3D效果圖如圖2.14所示,是已經做出來的板子,尺寸是：105*240mm2。圖2.14已經做好的空板經過昨天下午以及今天一天的努力,板子終于焊的差不多了,板子的安裝和焊接部分就不多說了,地球人都會的。安裝焊接好的板子如圖2.15所示。圖2.15安裝焊好的板子第三部分調試部分焊接完之后就開始調試了,調試分為前級dc-dc驅動板調試、SPWM驅動板調試、主板調試以及溫控風扇調試。3.1前級dc-dc驅動板調試將3525的shut-down腳,即第10腳接地,1腳也接地,然后給驅動板通12V電源,用示波器看有沒有PWM輸出。只要元器件是好的,焊接無誤,就會有22kHz左右的PWM輸出。如果沒有PWM輸出也不要著急,一步一步慢慢檢測、排查。首先檢查焊接有沒有錯誤,確認焊接沒問題后,檢查3525供電,供電正常的話,就看下3525的基準5V是否正常,如果3525的基準5V不正常,那基本可以宣判3525死刑了,換吧。如圖3.1所示,是測試連線以及3525的輸出波形。出現了下面的波形就差不多可以判斷DC-DC驅動板沒問題了,至于欠壓、過壓、過流保護,后面再慢慢調。圖3.1測試連接及3525的輸出波形3.2SPWM驅動板調試把SPWM驅動板的電壓反饋和電流反饋都接地,然后在電源端接入15V直流穩(wěn)定電壓,示波器接兩個下管的驅動,看有沒有輸出。如果電路焊接無誤,元件都是好的,那是肯定可以觀察到輸出的SPWM波的。如果出不了SPWM波也別著急,同樣,慢慢檢查。首先檢查焊接有沒有問題,焊接沒問題就檢查芯片供電,檢查EG8010輸出SPWM沒,再檢查2110有沒有問題,總之,順著信號的方向一步一步檢查。如圖3.3所示,是SPWM驅動板測試接線以及兩個下管驅動波形。出現了下面的波形就差不多可以判斷SPWM驅動板沒問題了。圖3.3SPWM驅動板測試接線以及兩個下管驅動波形3.3主板調試主板調試也要分步驟,先調試升壓部分,后調試逆變部分,最后再把這兩個都結合起來一起調。1.先說升壓部分。裝一對IRF3205試機,把DC-DC驅動板插在主板上,去掉高壓保險,檢查沒其他問題就可以通電了。先用一個小功率的12V電源供電,當然,您要是非常自信,不怕危險也可以用大電流的。通電→用萬用表檢測直流高壓。如果沒有什么問題的話,就可以出370V左右的直流高壓了。變壓器會響,這是正常的,因為前級處于斷續(xù)工作狀態(tài)。出直流高壓后,換個功率大一點的電源,通電,在直流高壓處接一個200W的燈泡,此時,燈泡很亮,直流高壓會有所下降,都是正常的,用示波器觀察場管D極波形,不能有太高的尖峰和震蕩,如圖3.4所示,不然后面效果會很差。圖3.4DC-DC升壓主電路調試及場管D極波形3.4DC-AC逆變部分調試先斷電,用一只200W的燈泡給直流高壓電解放電〔為什么要放電？你要是不怕被電著的話,那也是可以不放的,不過出了問題別怪我沒提醒。。EG8010是單極性調制,只需要一只濾波電感,我在PCB板上留了兩只濾波電感,是為以后有其他用處。把另外一只電感直接短接,輸出共模電感也短接,電流互感器也短接,如圖3.5所示。圖3.4短接PCB上的一只濾波電感、輸出共模電感和電流互感器把SPWM驅動板插上,在高壓電解那接入一個12V左右的電源,再另外找一個15V左右的電源給SPWM驅動板供電。特別注意：這兩個電源不能共地,不要嫌麻煩,乖乖的找兩個獨立的電源接好。然后通電,如果沒有什么問題,這時就可以在輸出端看到正弦波了,如圖3.5所示。有成就感吧,哈哈！圖3.5測量DC-AC輸出波形此時,你可以放心大膽的做短路測試,把輸出短接,逆變會馬上進入保護狀態(tài)。做到這,已經成功一半了,下面需要把升壓部分和逆變部分結合起來調試了。斷電,去掉高壓保險,在高壓保險座上并聯一只200W的燈泡,然后在逆變器輸入端接上電源。如果沒其他問題,可以在逆變器輸出端看到正弦波,并且200W燈泡一點都不會亮,掛一只60W的燈泡,燈泡正常發(fā)光,逆變器正常工作。到這一步,你就成功70%了,快了,再堅持下就完全OK了。做到這一步后,你可以放心大膽的裝上散熱片,前級MOS和后級MOS。我的前級用了4對IRFB3207,很牛的管子,12V/1000W余量也足夠。后級FQA28N50,也是很牛的管子。裝好之后就如圖3.6所示的這個樣子。圖3.6組裝完好的照片還是很漂亮吧。我的電感還沒繞,迫不及待的想加載試機,就外接了電感。電流互感器也沒有,沒裝,把驅動板的電流反饋接地了。下面是我試機的情況,負載是一根1000W的太陽燈,如圖3.7所示。圖3.7整機測試機器滿載測試了一個多小時,很穩(wěn)定,沒有出現什么問題。由于有了做機器的經驗,這次從調試到滿載,沒有炸一個管子,PCB也沒有一點修改。在這里,可以粗略計算一下效率。電參議輸入線上有壓降,大概損耗了5W,輸出就算1000W,輸入：11.68*94=1097.9。效率：1000/1097.9=91%。這個效率不算高,我測到的最高效率在92%。這個效率也不算高,不過12V業(yè)余級別的,差不多了。后面就是繞電感,繞共模電感,調試欠壓、過壓、過流保護還有溫控風扇?；ジ衅髻I成品,自己繞也可以,我嫌麻煩,就買成品了。傳上來的PCB沒發(fā)現什么問題,可以直接做。輸出電感和共模電感繞制。輸出電感選用外徑35mm的鐵硅鋁,用φ0.8的線兩根漆包線并繞120T,電感量在1.5mH左右。共模電感用外徑25mm的鐵氧體磁環(huán)0.8的線兩根并繞20T就行,電感量在4mH左右,注意兩個繞組方向要一樣,不然就失去共模電感的作用了。如圖3.9所示。圖3.9繞好的濾波電感把SPWM驅動板上的熱敏電阻裝上,10K,負溫度系數的,此電阻起過熱保護作用。把主板上溫控風扇的熱敏電阻也裝上,10K,負溫度系數,裝上這個熱敏電阻,溫控風扇才有效。如圖3.10所示。圖3.10安裝溫度傳感電阻之后,再修改了一下DC-DC驅動板上欠壓保護的參數,欠壓保護值為10.5V,過壓保護在15V左右,過流保護不好測試,只知道有用。把R15改為22K,R1改為6.8K,R4改為3K,R7改為15K,R8改為2.2K。如圖3.11所示。圖3.11調整過、欠壓保護電路參數SPWM驅動板上的掉電檢測電路也稍修改,加大電阻,要不然還沒等到主電源掉電,那個儲能電容先掉電了。如圖3.12所示。圖3.12調整掉電保護電路參數溫控風扇我設的開啟溫度比較低,可以自己改下就行了,減小溫控風扇里面的R64和R69就行。調試部分到此就完了,后面就是帶載測試,看機器工作狀況如何了。第四部分帶載實驗先看機器靚照吧。下面上一張裝好的機器的圖片,如圖3.13所示。圖3.13安裝調試成功的作品靚照4.1空載測試如圖4.1所示,空載時,輸入直流電壓12.7V,輸入電流為445mA,所以空載功耗為：12.7*0.44=5.588W。這個效果一般,還不算特別小,降低直流高壓可以得到更小的空載功耗。圖4.1空載功耗測試圖4.1最大輸出功耗測試4.2最大輸出功率測試如圖4.2所示,是測試現場,3個12V/50A的電源并聯,輸出最大測試到1260W。4.3短路保護功能測試如圖4.3所示,這個是短路時用了鑷子,可以看出,鑷子和輸出端子上