2车载正弦波逆变电（题1）

2011年江西省大学生电子设计竞赛（自选赛）设计与总结题目车载正弦波逆变电（题1）参赛时间2011年5月27号5月30号摘要本设计提出了一种低成本的正弦波车载逆变电源的基本原理和制作方案。车载逆变器的整个电路大体上可分为两大部分，其中一部分采用TL494芯片组成推挽式升压电路，将汽车电瓶提供的12V直流电转换成220V50HZ/60HZ的交流电；另一部分电路的则是利用全桥电路桥式整流、滤波、脉宽调制及开关功率输出等技术，将推挽式升压电路产生的高电压转换成50HZ、220V的交流电。本设计采用单片机产生50HZ/60HZ的正弦波，NE5532产生三角波，通过比较器产生另一种占空在变化的SPWM波，然后通过SPWM控制IR2110DCAV电路。从而实现把直流电源（12V）转换成稳定的交流电源，并对负载进行供电。同时本电路还有过压保护，过流保护和欠压保护。关键字车载逆变电源单片机IR2110推挽式升压引言电源是电子设备的动力部分,是一种通用性很强的电子产品。它在各个行业及日常生活中得到了广泛的应用，其质量的好坏极大地影响着电子设备的可靠性,其转换效率的高低和带负载能力的强弱直接关系着它的应用范围。方波逆变是一种低成本，极为简单的变换方式，它适用于各种整流负载，但是对于变压器的负载的适应不是很好，有较大的噪声。在逆变电源的发展方向上，轻量、小型、高效是其所追求的目标。本文所介绍的逆变电源电路主要采用集成化芯片,使得电路结构简单、性能稳定、成本较低。因此,这种电路是一种控制简单、可靠性较高、性能较好的电路。整个逆变电源也因此具有较高的性价比和市场竞争力。汽车内部的供电系统是由蓄电池提供的12V（或24V）的直流电，随着汽车的普及以及汽车上的用电设备越来越多，例如手提电脑、设计充电器、小型电视等，但是这些电器都是用交流电。如果能将蓄电池提供的直流电转换成稳定的交流电输出，将对人们在户外使用这些设备带来极大的方便，通过把12V的蓄电池电源转换为工频使用电源，用于车载内部的电器，是一种简单，廉价的方式。主电路设计中采用了简单的全桥逆变电路，过压、过流和欠压保护电路，以及几款简单的芯片。经济性能良好，使用方便。就本系统的性能稳定性而言，由于未设计复杂的电路进行干扰的情况。并且输出稳定，价格优良，是一款性价比很高的系统。一、系统方案的设计与论证11、课题的基本任务和要求111、任务设计并制作如下图所示的车载正弦波逆变电源，图中车载电池部分采用实验室可调直流稳压电源来模拟。112、基本要求制作车载正弦波逆变电源，输入电压DC12V3V，输出220V/50HZ正弦波。实现（1）满载输出功率50W，效率不小于80，输出电压波形失真度低于5；（2）当输入电压为9V15V时，输出电压有效值稳定度高于1；（3）当负载从空载到满载变化时，输出电压有效值稳定度高于5；（4）具备输入过压（大于15V）和欠压（小于9V）保护、输出过流（I0大于023A）和负载短路保护等功能，当故障解除后，能自动恢复正常工作；113、发挥部分（1）能手动调节正弦波的输出电压在220V与110V间、输出频率在50HZ与60HZ间任意更换，以适应不同的交流用电器；（2）满载时进一步提高效率，使大于85；（3）负载为感性时，输出电压波形失真度低于5；（4）当负载从空载到满载变化时，输出电压有效值稳定度高于3；（5）其他。114、说明（1）不能使用UPS或其它成品电源改制，不能使用电源模块；（2）除车载电池部分输入外，不能使用其它辅助电源；本题中逆变电源效率PO/PIN，其中PINUINIIN，POUOIOPF（PIN可通过电流、电压的测量值计算，PO用可以测量有功功率的电能表进行测试）；正弦波逆变电路车载电池（DC12V3V）负载UINIINIOUO（3）本题中只有在作发挥部分第（3）项测试时为感性负载（可接半满功率电动机），其它项测试时均为纯阻性负载；（4）电源在最大输出功率下应能连续安全工作足够长的时间（测试期间，不能出现过热等故障）；（5）设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结果，而完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果用附件给出；12、系统的方案的论证121总体技术方案的选择方案一通过斩波器逆变器的技术方案，其原理如下直接输入的12V直流经过SPWM输入IR2110电路产生交流电压再通过变压器升压。斩波器变换为稳定的220V交流，再利用斩波器稳压控制功能，使得输出电压非常稳定。输出正弦波滤波器主要是滤波器滤除逆变器输出的大部分谐波使得最终输出波形为正弦波，以减小对外的谐波干扰，同时也起到对电源自身的保护作用。能够达到题目要求。方案二通过逆变器升压变压器，其原理如下输入的直流12V电压经过逆变器变换为SPWM形式的220V交流，由于逆变器的稳压作用，该电压是稳定的，再经过220V的升压变压器变成为稳定的但仍然是SPWM形式的220V交流输出正弦波滤波器主要是滤除逆变器输出的大部分谐波，使最终输出波形为正弦波。以减小对外的谐波干扰分析方案二SPWM波形产生及传输控制电路可以大大简化，本电路采用功率场效应管的驱动电路简单，采用推挽逆变电路能够保证在任何时刻导通的开关不会多于1个，即不会造成短路事故，因此，该电路结构比较简单，具有较高的可靠性，由于输出可以隔离，利用变压器漏感使得输出正弦波的滤波器体积有所减小，电压比较稳定。所以采有方案二更可靠，更稳定。从价格上TL494更有优势。方案二的设计如下12V蓄电池过压保护12VDC转换310VDC滤波，整流欠压保护推挽式升压（TL494）122具体电路的设计（一）基于单片机产生正弦波波形的产生是通过AT89S51执行某一波形发生程序，向D/A0832转换器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。本系统由单片机、波形转换（D/A0832）电路和电源等四部分构成。1单片机电路11单片机的特点（1）高集成度，体积小，高可靠性单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。（2）控制功能强为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。（3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为18V36V，而工作电流仅为数百微安。（4）易扩展片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。12单片机的工作原理一个基本的MCS51单片机通常包括中央处理器、ROM、RAM、定时/计数器和I/O口等各功能部件，各个功能由内部的总线连接起来，从而实现数据通信AT89S51外接12M晶振作为时钟频率。并采用电源复位设计。复位电路采用上电复位，它的工作原理是，通电时，电容两端相当于短路，于是RST引脚上为高电平，然后电NE5532产生三角波负载单片机产生正弦波SPWM驱动全桥电路（IR2110）DC转换AC源通过对电容充电。RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始工作其中基本框架框图如下其中的40个引脚大致可以分为4类电源、时钟、控制和I/O引脚。MCS51单片机共有4个8位并行I/O端口，共32个可编程I/O引脚ALE/ERROR地址锁存允许/编程脉冲PSEN外部ROM读选通信号RST复位引脚ERROR/VPP内外ROM选择/EPROM编程电源XTAL1晶体振荡电路的反相输入端XTAL2晶体振荡电路的输出端。VCC芯片电源端，一般为5V；GND接地端。单片机的引脚排列如下图32STC89C51引脚排列图2DAC0832电路本电路通过将波形样值的编码转换成模拟值，既将数字信号转化为模拟信号然后送入到单片机进行处理完成双极性的波形输出。21引脚的介绍D0D7数字信号输入端。ILE输入寄存器允许，高电平有效。CS片选信号，低电平有效。WR1写信号1，低电平有效。XFER传送控制信号，低电平有效。WR2写信号2，低电平有效。IOUT1、IOUT2DAC电流输出端。RFB是集成在片内的外接运放的反馈电阻。VREF基准电压（1010V）。VCC是源电压（515V）。AGND模拟地NGND数字地，可与AGND接在一起使用。22DAC0832在设计中的作用由一片0832和两块LM358运放组成。DAC0832是一个具有两个输入数据寄存器的8位DAC。目前生产的DAC芯片分为两类，一类芯片内部设置有数据寄存器，不需要外加电路就可以直接与微型计算机接口。另一类芯片内部没有数据寄存器，输出信号随数据输入线的状态变化而变化，因此不能直接与微型计算机接口，必须通过并行接口与微型计算机接口。DAC0832是具有20条引线的双列直插式CMOS器件，它内部具有两级数据寄存器，完成8位电流D/A转换，故不需要外加电路。0832是电流输出型，示波器上显示波形，通常需要电压信号，电流信号到电压信号的转换可以由运算放大器LM358实现，用两片LM358可以实现双极性输出。单片机向0832发送数字编码，产生不同的输出。先利用采样定理对各波形进行抽样，然后把各采样值进行编码，的到的数字量存入各个波形表，执行程序时通过查表方法依次取出，经过D/A转换后输出就可以得到波形。假如N个点构成波形的一个周期，则0832输出N个样值点后，样值点形成运动轨迹，即一个周期。重复输出N个点，成为第二个周期。利用单片机的晶振控制输出周期的速度，也就是控制了输出的波形的频率。这样就控制了输出的波形及其幅值和频率。23基于单片机产生正弦波的原理图如下本模块通过单片机产生数字信号通过DAC0832产生256等份电压值，从而形成模拟正弦波。通过LM358电压跟随输出50HZ60HZ的正弦波。（二）的工作原理目前，构成DC/AC逆变的新技术很多，但是考虑到具体的使用条件和成本以及可靠性，本电源仍然采用典型的二级变换，即DC/DC变换和DC/AC逆变。首先由DC/DC变换将DC12V电压逆变为高频方波，经高频升压变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的约320V直流电压；然后再由DC/AC变换以方波逆变的方式，将稳定的直流电压逆变成有效值稍大于220V的方波电压；再经LC工频滤波得到有效值为220V的50HZ交流电压，以驱动负载。21DC/DC变换将12V的直流通过推挽式升压得到一个稳定的电压，本模块主要利用TL494进行脉宽调制，将误差放大器II的IN（16脚）接地、IN（15脚）接高电平。为保护TL494的输出三极管，经二个电阻分压，在4脚加接近03V的间歇调整电压。二个电阻和一个电容组成了相位校正和增益控制网络。经过实验，在本控制器中振荡电阻和振荡电容产生震荡的波形，输出采用并取方式，取自发射级。整机电源取12V单电源。211推挽式升压的原理一种功率放大器。由一对参数相近的晶体管，交替工作在信号的正、负两个半周期成一推一挽形式的功率放大器。通常工作在乙类状态，两管集电极电流交替出现并合成在负载上，输出功率和效率大于单管功率放大器。212TL494管脚配置及其功能TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。图1是它的管脚图，其中1、2脚是误差放大器I的同相和反相输入端；3脚是相位校正和增益控制；4脚为间歇期调理，其上加033V电压时可使截止时间从2线怀变化到100；5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容；7脚为接地端；8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极；12脚为电源供电端；13脚为输出控制端，该脚接地时为并联单端输出方式，接14脚时为推挽输出方式；14脚为5V基准电压输出端，最大输出电流10MA；15、16脚是误差放大器II的反相和同相输入端。TL494的各脚功能及参数如下第1、16脚为误差放大器A1、A2的同相输入端。最高输入电压不超过VCC03V。第2、15脚为误差放大器A1、A2的反相输入端。可接入误差检出的基准电压。第3脚为误差放大器A1、A2的输出端。集成电路内部用于控制PWM比较器的同相输入端，当A1、A2任一输出电压升高时，控制PWM比较器的输出脉宽减小。同时，该输出端还引出端外，以便与第2、15脚间接入RC频率校正电路和直接负反馈电路，一则稳定误差放大器的增益，二则防止其高频自激。另外，第3脚电压反比于输出脉宽，也可利用该端功能实现高电平保护。第4脚为死区时间控制端。当外加1V以下的电压时，死区时间与外加电压成正比。如果电压超过1V，内部比较器将关断触发器的输出脉冲。第5脚为锯齿波振荡器外接定时电容端，第6脚为锯齿波振荡器外接定时电阻端，一般用于驱动双极性三极管时需限制振荡频率小于40KHZ。第7脚为接地端。第8、11脚为两路驱动放大器NPN管的集电极开路输出端。当第8、11脚接VCC，第9、10脚接入发射极负载电阻到地时，两路为正极腾柱式输出，用以驱动各种推挽开关电路。当第8、11脚接地时，两路为同相位驱动脉冲输出。第8、11脚和9、10脚可直接并联，双端输出时最大驱动电流为2200MA，并联运用时最大驱动电流为400MA。第14脚为内部基准电压精密稳压电路端。输出5V025V的基准电压，最大负载电流为10MA。用于误差检出基准电压和控制模式的控制电压。TL494的极限参数最高瞬间工作电压（12脚）42V，最大输出电流250MA，最高误差输入电压VCC03V，测试/环境温度45，最大允许功耗1W，最高结温150，使用温度范围070，保存温度65150。212基于TL494的推挽式升压本模块通过TL494脉宽调制利用TL494控制二个PNP8550的交替通断实现斩波。从而控制CMOS场效应管IRF540，对二个IRF540进行交替通断。使直流变成交流，通过变压器升压后，经过二极管整流滤波，再经电感输出平均的直流电压。电容为输出滤波电容，由于推挽式开关电源中的两个控制开关PNP8550轮流交替工作，其输出电压波形非常对称，并且开关电源在整个工作同期之内都向负载提供功率输出。因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电压输出特性很好，输出310V稳定电压。推挽式变压器开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，所以采用推挽式变压器进行升压。12DC/AC变换121IR2110的内部结构以及引脚功能IR2110是IR公司生产的大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路，可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，同时还具有快速完整的保护功能，可以提高控制系统的可靠性，减少电路的复杂程度。是中小功率变换装置中驱动器件的首选。IR2110的内部结构和工作原理框图如图4所示。LO（引脚1）低端输出COM（引脚2）公共端VCC（引脚3）低端固定电源电压NC（引脚4）空端VS（引脚5）高端浮置电源偏移电压VB引脚6高端浮置电源电压HO（引脚7）高端输出NC（引脚8）空端VDD（引脚9）逻辑电源电压HIN（引脚10）逻辑高端输入SD（引脚11）关断LIN（引脚12）逻辑低端输入VSS（引脚13）逻辑电路地电位端，其值可以为0VNC（引脚14）空端图中HIN和LIN为逆变桥中同一桥臂上下两个功率CMOS的驱动脉冲信号输入端。S，D为保护信号输入端，当该脚接高电平时，IR2110的输出信号全被封锁，其对应的输出端恒为低电平；而当该脚接低电平时，IR2110的输出信号跟随HIN和LIN而变化，在实际电路里，该端接用户的保护电路的输出。HO和LO是两路驱动信号输出端，驱动同一桥臂的CMOS。IR2110的自举电容选择不好，容易造成芯片损坏或不能正常工作。VB和VS之间的电容为自举电容。自举电容电压达到83V以上，才能够正常工作，要么采用小容量电容，以提高充电电压，要么直接在VB和VS之间提供1020V的隔离电源，本电路采用了1F的自举电容。为了减少输出谐波，逆变器DC/AC部分一般都采用双极性调制，即逆变桥的对管是高频互补通和关断的。122IR2110驱动全桥电路IR2110驱动全桥电路本模块通过P1和P2端输入占空比随正弦波上升沿慢慢增加的方波，直到正弦波的最高峰方波的占空比也达到最大然后通过一段时间延时从而产生同步的效果，再通过二个IR2110对四个CMOS管IRF540进行驱动，控制四个CMOS管中Q1与Q4和Q2与Q3交替通断，由DC产生AC从而输出正弦波。产生220V的交流电压。当Q，Q3开通时，Q，Q4的门极也会有电压尖刺产生。带有门极关断箝位电路的驱动电路通过减小和改善电路布线可以使这个电压尖刺有所降低，但均不能达到可靠防止桥臂直通的要求。门极关断箝位电路针对前面的分析，本文将提出一种门极关断箝位电路，通过在开关管驱动电路中附加这种电路，可以有效地降低上述门极尖刺。门极关断箝位电路由CMOS管Q1和Q2,Q1门极下拉电阻R5和Q2门极上拉电阻R2组成。实际上该电路是由CMOS构成的两级反相器。当Q1，Q4门极为高电平时，Q1，Q4导通，Q2，Q3因门极为低电平而关断，不影响功率开关管的正常导通；当Q1，Q4门极为低电平时，Q1，Q4关断，Q2，Q3因门极为高电平而饱和导通，从而在功率开关管的门极形成了一个极低阻抗的通路，将功率开关管的门极电压箝位在0V，基本上消除了上文中提到的电压尖刺。在使用这个电路时，要注意使Q2的D、S与功率开关管GE间的连线尽量短，以最大限度地降低功率开关管门极寄生电感和电阻。在电路板的排布上，要尽量靠近功率开关管，而Q1,R2和R5却不必太靠近Q2，这样既可以发挥该电路的作用，也不至于给电路板的排布带来很大困难。用双极型晶体管如同样可以实现上述电路的功能。双极型晶体管是电流型驱动，其基极必须要串联电阻。为了加速其关断，同时防止其本身受到干扰，基极同样需要并联下拉电阻，这样就使电路更加复杂。同时，要维持双极型晶体管饱和导通，其基极就必须从电源抽取电流，在通常的应用场合这并无太大影响，但在自举驱动并且是的应用场合，这些抽流会大大加重自举电容的负担，容易使自举电容上的电压过低而影响电路的正常工作。因此选用MOSFET来构成上述门极关断箝位电路。可以看到在门极有一个电压尖刺，这个尖刺与门极脉冲的时间间隔刚好等于死区时间，由此可以证明它是在同一桥臂另一开关管开通时产生的。此时电压尖刺基本消除。通过实验验证，该电路确实可以抑制和消除干扰，有一定的使用价值，可以提高电路的可靠性试验结果及输出波形,DC/DC变换输出电压稳定在310V,控制开关管的半桥驱动器IR2110开关频率为50HZ，（三）欠压，过压保护在本模块监测蓄电池的电压状况，其中运算放大器LM393的一级比较正向输入端的电压由R20和R22以及RW1分压得到，稳压管箝位在51V。进行欠保护如果蓄电池电压低于预设的9V，欠压保护电路开始工作，使继电器的控制脚关断端输出停止驱动信号输出。二级比较的反向而反向输入端的电压由R27和R21以及RW2分压得到。进行过压保护如果蓄电池电压高于15V时过压保护电路开始工作，使继电器的控制脚关断端输出停止驱动信号输出。正常工作的时候，由三极管V导通，IR2110输出驱动信号，驱动晶闸管正常工作，实现逆变电源的设计。当蓄电池的电压下降超过预定值后，运算放大器开始工作，输出跳转为负，同时三级管V截止，封锁IR2110的输出驱动信号。此时没有逆变电压的输出，其中只有保护电路正常工作。（四）过流保护它监测输出电流状况，预设为5A。通过在3MH通过连接电容10UF和电阻240的中点再接上电阻为1/05W进行正弦波逆变器的输出电流经过采样如果工作电流超过5A就进行过流保护，15总结通过这么竞赛让我们深深感受到自己有很多地方不足，对于这五道陌生的题目，让我们不知道从何处下手，