车载方波电源逆变器的设计

1、车载方波电源的设计 摘 要 近年来，车载电源逆变器在国内外市场受到普遍欢迎。车载电源逆变器就是一种 能把汽车上蓄电池的 dc12v 转换为 ac220v/50hz 的电子装置，有了它就可以在汽车上 使用以往只有在家庭里才能使用的电器设备。在交通发达的欧美国家，车载电源逆变 器早已成为每辆汽车的必备工具。车载电源逆变器按输出可以分为正弦波车载逆变器 和方波车载逆变器两种。 。本文重点介绍方波车载电源逆变器中 dc/ac 电压变换电路的 设计方法。该文分析和讨论了车载 dc/ac 变流器的结构、原理以及设计过程等。整个 变流器由变换 dc/ac 逆变器，辅助电源，以及各种保护电路组成。通过对 dc

2、/ac 变换 器原理的分析，确定了以推挽式变换器作为低压变高压的电路。本文设计的开关逆变 器具有多种保护措施，如过压、欠压、过流、过温等，使得系统的可靠性高。由于逆 变器工作于高频开关状态，所以本文研究的变流器具有体积小、重量轻等优点。 关键词：车载电源;dc/ac;推挽式变流器;控制电路 abstract virtual in recent years, vehicle power supply inverter popular in domestic and international market. vehicle power supply inverter is a car batte

3、ry can convert dc12v ac220v / 50hz electronic devices, it can be used in car only before in the family can use electrical equipment. in traffic developed the european and american countries, vehicle power supply inverter has long been an essential tool per car. vehicle power supply inverter can be d

4、ivided into sine wave on the output vehicle-mounted inverter and square-wave on- board inverter two kinds. square-wave on-board inverter circuit is simple, but to load a hypereritical perceptual load, cant drive. at present, the market on-board inverter are sine wave vehicle power supply inverter. s

5、ine wave vehicle power supply inverter circuit structure is complex, according to the main functions can be divided into two parts: one, will be transformed into dc311v dc12v battery voltage transform circuit; second, will ac220v / 50hz dc311v into the inverter circuits. this paper mainly introduces

6、 sine wave vehicle power supply inverter in dc/ac voltage transform circuit design method. this paper analyzed and discussed the vehicle-mounted dc/ac converters structure, principle and design process, etc. the whole by dc/dc converter proceedings-circuits, dc/ac inverter, and various auxiliary pow

7、er protection circuit component. through to dc/dc converter theory analysis, identified with push-pull converter as low voltage transformer have circuit. this is design switch a variety of measures to protect the inverter instruments, such as over/under pressure flow, temperature, etc, make the syst

8、em reliability high. due to the high frequency switching inverter in the state, so this paper studies with proceedings-circuits, small volume, light weight, etc. k key wordswords: vehicle power supply; dc/ac; push-pull converter; control circuit 。 目 录 摘摘 要要.i abstract.i 目 录.i 第一章绪论.1 1.1 研究的意义 .1 1.

9、2 开关电源现状和发展趋势 .2 1.3 开关电源的分类.4 1.4 开关电源 dc/ac 介绍.5 1.5 本文工作.8 第二章 开关电源 dc/ac 逆变器的研究.9 2. 1 逆变器拓扑结构.9 2.2 隔离式开关电源拓扑结构.9 2.3 非隔离式开关电源拓扑结构.12 2.4 开关电源各种拓扑结构的比较.14 2.5 开关电源的调制方式.15 第三章 方波车载电源逆变器的主电路设计.17 3.1 主电路的拓扑结构.17 3.2 变换器的滤波电容和电感的选取.18 3.3 驱动电路及脉宽调制电路设计.21 3.4 基于 tl494 的控制电路 pwm 电路设计.23 3.5 装机样本和输

10、出波形.24 第四章 pwm 脉宽控制电路设计随.26 4.1pwm 开关变换技术的分类及比较 .26 4.2 基于 tl494 的车载开关电源的设计.30 第五章 总结.35 致谢.36 参考文献.37 附录.39 第一章 绪论 1.1 研究的意义 电力电子技术就是在电力行业中得到广泛运用的电子技术，它是电工技术的一个 分支。自从上世纪 60 年代现代开始，伴随着 pnpn 四层半导体器件和第一只晶闸管问 世以来，电力电子技术作为一门新兴的学科得到迅猛飞速发展。电力电子技术是以研 究和应用半导体器件来实现电力变换和控制的技术。它是一门由电工、电力半导体器 件以及控制技术相互交叉而出现的新兴学

11、科。电力电子技术研究的内容非常广泛主要 包括电力半导体器件、磁性元件、电力电子电路、集成控制电路以及由其组成的电力 变流装置。当代电力电子技术已经作为加热、照明控制、交流电源、直流电源、电机 拖动以及谐波滤波等技术而广泛运用于工业、商业、日常生活、航空航天、军事等重 要领域。控制技术、电子元器件的运用和电能变换是电力电子技术所研究的主要内容。 特别是电力变换技术是开关电源的基础和核心部分。随着新的电力电子器件、新的控 制技术和新的拓扑结构不断出现，使得开关电源不断朝着小型化、高效率、低成本、 模块化、智能化、高可靠性、高功率、高密度化的方向不断发展。众所周知，汽车内 部有一个 12v 的直流电

12、，一般供点烟器使用，也可以为其它电器提供电力，而一般设 备都使用 220v 交流电，这使得众多电器不能在汽车上直接使用。同时，汽车上使用的 电器多为商用或一般生活用，例如手提电脑、手机充电器、汽车 dvd 等，对交流电压 的波形要求不高，方波即可，不必需要正弦波，故本文提出的小功率车载逆变电源采 用方波输出，其有效值为 220v。 车载逆变器（电源转换器、power inverter）是一种能够将 dc12v 直流电转 换为和市电相同的 ac220v 交流电，供一般电器使用，是一种方便的车用电源转换器。 车载电源逆变器在国外市场受到普遍欢迎。在国外因汽车的普及率较高，外出工作或 外出旅游即可用

13、逆变器连接蓄电池带动电器及各种工具工作。中国进入 wto 后，国内 市场私人交通工具越来越多，因此，车载逆变器电源作为在移动中使用的直流变交流 的转换器，会给你的生活带来很多的方便，是一种常备的车用汽车电子装具用品1。 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。 在国内有些用户为图方便将一些 dc 直流电器如：手机充电器、

14、笔记本电脑等在 车上不使用自身配的 220v 电源而配上简易转接器直接插到点烟器上，这样是不对的， 汽车的电瓶电压不稳，直接取电可能会烧毁电器很不安全而且会大大影响电器使用寿 命，因为原厂家供应的 220v 电源是厂家专为其电器设计的，有极好的稳定性。 另外，在购买时要查看车载逆变器是否有各种保护功能，这样才能保证电瓶和外 接电器的安全。还要注意车用逆变器的波形，方波的转换器会造成供电不稳定，可能 损伤所使用的电器，所以最好选准正弦波或纯正弦波形的最新型的车载逆变器。 中国进入 wto 后，国内市场私人交通工具越来越多，因此，车载逆变器电源作为 在移动中使用的直流变交流的转换器，会给你的生活带

15、来很多的方便，是一种常备的 车用汽车电子装具用品。通过点烟器输出的车载逆变器可以是 20w、40w、80w、120w 直到 150w 功率规格的。再大一些功率逆变电源要通过连接 线接到电瓶上。把家用电器连接到电源转换器的输出端就能在汽车内使用各种电器象 在家里使用一样方便。可使用的电器有：手机、笔记本电脑、数码摄像机、照相机、 照明灯、电动剃须刀、cd 机、游戏机、掌上电脑、 打印机、电动工具、车载冰箱及 各种旅游、野营、医疗急救电器等。 1.2 开关电源现状和发展趋势 目前，开关电源已经进入一个全新的发展时期。各种新技术不断涌现，新工艺被 普遍采用，新产品层出不穷。可以从以下几个方面来了解开

16、关电源的现状和发展趋势： （1）新型功率半导体器件及磁性材料的发展。经过20 多年的不断发展，新型功率 半导体器件的研发为开关电源的高频化奠定了基础。现在处于探索阶段的高性能碳化 硅半导体器件在高温、高频、大功率、高电压、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应 用潜力，一旦研制成功，将会对开关电源产生革命性的影响。此外，平面变压器、压 电变压器以及新型电容器等元器件的发展，也将对开关电源的小型、薄型及轻量化起 到重要作用。 （2）软开关技术真正实现了开关电源的高频化，它不仅减少了开关电源的体积和 重量，而且提高了开关电源的效率。采用软开关技术，在理想的情况下，可以使开关 损耗降为零，提高了效率，同时

17、也使电磁干扰大大减小，因而也有助于进一步提高开 关频率，使得开关电源进一步向体积小、重量轻、效率高、功率密度大的方向发展。 （3）功率因数校正(pfc)技术可以降低开关电源对电网的谐波污染，提高ac/dc 开关电源的功率因数。它在整流电路和滤波电容之间加入了pfc 电路，使得输入电流 能够跟踪输入电压，保持了输入电流的正弦波不发生畸变，从而将开关电源的功率因 数提升到接近于1。这样一来，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效 率。 （4）同步整流技术已经成为提高开关电源效率的重要途径。下一代微处理器的发 展趋势要求具有更低输出电压(1v)的开关电源。为了提高微处理器的工作频率，加快

18、其处理数据的速度和能力，并且要求有足够的能量以保证微处理器的正常工作，这就 要求开关电源在输出足够低的电压的同时输出相当大的电流。同步整流技术的核心是 用mosfet代替肖特基二极管用于开关电源输出端的整流。目前，同步整流技术在低 电压、大电流的开关电源中应用最为广泛。 （5）集成化、模块化是开关电源的一个发展方向。集成化是指采用多层厚膜衬底 技术将元件、驱动逻辑及相关的保护电路集成到一块芯片上，使之实现预期的功能。 近20 多年来，集成开关电源沿着两个方向不断发展：一是对开关电源的控制电路实现 集成化；另一类是对中、小功率开关电源实现的单片集成化。模块化是指功率器件以 及单元电路的模块化。模

19、块化不仅使得用户使用方便灵活，更主要的是取消了传统的 连线，把寄生参数降到最小。集成化和模块化不仅减少了开关电源的连线和焊接，提 高了可靠性，还缩小了体积、减轻了重量。 （6）饱和电感的开发和应用。饱和电感是带铁芯（无空隙）的线圈，其特点是铁 芯的饱和程度和电感量随着通过的电流大小而变化。在开关电源中，应用饱和电感可 以吸收浪涌、抑制尖峰、消除寄生振荡，并使与之串联的快恢复二极管损耗减小。随 着对开关电源技术研究的不断深化，不但开关电源的性能将获得进一步的提高，而且 将在电源领域内大放奇光异彩。目前，开关电源的应用范围越来越广，其未来的前景 势必是一片光明 1.3 开关电源的分类 人们在开关电

20、源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两 者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、 高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为 ac/dc 和 dc/dc 两大类，dc/dc 变换 器现己实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并己得到用 户的认可，但一次电源 ac/dc，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到了较为复 杂的技术问题和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。 dc/ac 变换 dc/dc 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。 斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式

21、t，不变，改变 ton(通用)，二是频率 调制方式，不变，改变 (易产生干扰)。其具体的电路由以下几类: 0 t s t buck 电路降压斩波器，其输出平均电压小于输入电压，极性相同; 0 u i u boost 电路升压斩波器，其输出平均电压大于输入电压，极性相同; 0 u i u buckboost 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压大于或小于输入 0 u 电压 u，极性相反，电感传输; cuk 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压 u。大于或小于输入电压， i u 极性相反，电容传输2 当今软开关技术使得 dc/dc 发生了质的飞跃，美国 vicor 公司设计制造的多种 eci 软开

22、关 dc/dc 变换器，其最大输出功率有 300w、600w、soow 等，相应的功率 密度为(6.2、10、17)，效率为(80-90)%。日本 nemic lambda 公司最新推出的一种 采用软开关技术的高频开关电源模块 rm 系列，其开关频率为(200-300)khz，功率密 度己达到 27w/cm3，采用同步整流器(mosfet 代替肖特基二极管)，使整个电路效率 提高到 90%。 (1)ac/dc 变换 ac/dc 变换是将交流变换为直流，其功率电流流向可以是双向的，功率电流流向 负载的称为“整流” ，功率电流由负载返回电源的称为“有源逆变” 。ac/dc 变换器输 入为 50/6

23、0hz 的交流电，必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不 可少的，同时因遇到安全标准(如 ul、ccee 等)及 emc 指令的限制(如 iec、fcc、csa)，交流输入侧必须加 emc 滤波及使用符合安全标准的元件，这样就 限制 ac/dc 电源体积的进一步小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动 作，使得解决 emc 电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很 高的要求。由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大，限制了 ac/dc 变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率 达到一定的满意程度。ac/dc 变换

24、按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。 按电源相数可分为，单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、 三象限、四象限。 (2)电路结构 开关电源的结构有多种: 按驱动方式分，有自励式和他励式; 按 dc/dc 变换器的工作方式分，有单端正励式和反励式、推挽式、半桥式、全 桥式、降压式、升压式和升降压式等; 按电路组成分，有脉宽调制式 (pwm)式、脉冲频率调制 (pfm)式和 pwm 与 pfm 混合式; 按电路组成分，有谐振型和非谐振型; 按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦 合式、光耦耦合式等。 1.4 开关电源 dc/ac 介绍 初期传

25、统的逆变器，其输出电压波形为脉宽 180 度的方波，它含有 3, 5, 7 等所有 的奇次谐波。输出电压中的这些高次谐波会给负载带来很多不良后果，例如: 1)使电动机的效率和功率因数降低; 2)使变压器的铁损增加，发热量提高，噪声增大; 3)谐波能引起某些保护装置误动作，使电器测量仪表失准; 4)谐波电流会引起输出导线产生串联谐振，导致绝缘强度下降或被击穿; 5)高次谐波会引起电容器或电感过载、发热与共振; 6)高次谐波对无线电通讯设备会产生干扰。 消除这些奇次高次谐波最普遍最直接的办法是采用交流输出低通滤波器来滤掉高 次谐波，或者是利用控制逆变器输出量的办法，使逆变器本身实现波形正弦化。使逆

26、 变器本身实现波形正弦化的控制技术有两种:一种是采用阶梯波来逼近正弦波的脉冲幅 值调制法(脉幅调制 pulse-amplitude modulation，简称 pam );另一种是采用 等幅脉冲列逼近正弦波的脉冲宽度调制法(脉宽调制 pulse-width modulation，简称 pwm)o pam 中常用的一种方法是多重叠加法。多重叠加法的 基本原理是，把两个以上完全相同的方波，按一定的相位差叠加起来，使它们的低次 谐波相位相差 180 度而相互抵消，以得到谐波含量较少的准正弦阶梯波。pwm 控制技 术从大的方面可以分为三大类，即波形调制 pwm 技术、优化 pwm 技术和随机 pwm

27、技术。正弦波脉宽调制技术(spwm)是广泛注意的热点，后来，又相继出现了全数字化 spwm 方案、规则采样数字化 pwm 方案及准优化 pwm 技术(suboptimal pwm) g，以提高直流电压利用率。1983 年，j.holte 等又提出了空间向量 pwm 技术，该 技术从用于异步电动机的角度出发，直接采用以电动机磁链圆形轨迹为目的的控制方 法，因而使用起来更直观、更方便。以消除特定谐波法为基础，出现了求最大或最小 值的优化 pwm 概念0l，如电流谐波畸变率最小、效率最优及转矩脉动最小的最优 pwm 法，这些方法具有电压利用率高，开关次数少，可以实现特定优化目的的优点。 此外，a.b

28、.plunkett 于 1980 年提出的电流滞环比较 pwm 技术，以及在此基础上发 展起来的全数字化无差拍控制(dead-beat control )pwm 技术，都具有实现简单 的特点。为了消除噪声，1993 年到 1994 年，由 a.m.trzynadlowsky,v.g.agelidis 等提出了随机 pwm 法ion，它是从改变谐 波的频谱分布入手，使谐波均匀分布在较宽的频带范围内，以达到抑制噪声和机械共 振的目的。pwm 技术对逆变器的发展起了很大的推动作用。它与多重叠加法相比较， 有以下显著的优点: 1)使用的电路简单，只用一个功率控制级就既可以调节输出电压，又可以调节输 出

29、频率; 2)可以使用不可控整流桥，使得系统对电网的功率因数与逆变器输出电压值无关; 3)可以同时进行调频、调压，与中间直流环节的元件参数无关，系统的动态响应 速 度快; 4)可以获得更好的波形改善效果。 正是由于这些优点，使 pwm 脉宽调制技术在当今逆变领域占据了绝对的主导地 位。随着逆变器在交流传动、ups 电源和有源滤波器等中的广泛应用，以及高速全控 开关器件的大量出现，pwm 技术已成为逆变技术的核心，因而觉到受到了人们高度重 视。尤其是最近儿年，微处理器应用于 pwm 技术和实现数字化控制以后，更是花样 翻新，到目前为止仍有新的 pwm 方式在不断出现。 典型的逆变器都采用两级结构，

30、如图 1 所示，处于前端的是 dc/dc 变换器，后接 一个 dc/ac 变换器;dc/dc 变换器将 12v 的低压直流变换成 320v 的直流，以满足峰 值为 312v 的交流输出;dc/ac 逆变部分则将此直流电压转换成 220v 交流或所要求的 交流电压。dc/dc 变换采用脉宽调制 pwm 方式，它是将 12v 直流电压变换为高频方 波(交流)，由于变换器的工作频率很高(100khz 左右)，所以其变压器、输出滤波器的 体积和重量都大为减小。高频变压器完成逆变器的电压变换和电气隔离两个目的。 交流电输出dc/dc 变换器 12vc/320vac 高频变 压器 12v 直流电 辅助电源

31、 dc/ac 逆变器 dc/ac 逆变器控制电 路 dc/dc 升压控 制电路 图 1.1 dc/ac 变换器的结构简图 辅助电源为 dc/dc、dc/ac 的控制电路各种传感器提供所需要的共地直流电源3。 dc/dc 升压控制电路用来控制推挽电路的占空比，使电源在不同负载时能维持 220v 直 流的稳定输出。dc/ac 逆变器的控制电路用来维持输出交流电压的稳定，以及正负半周 电压的对称。 1.5 本文工作 本课题来源于家用车载电源的研究设计。众所周知，汽车内部有一个 12v 的直流 电，一般供点烟器使用，也可以为其它电器提供电力，而一般设备都使用 220v 交流电， 这使得众多电器不能在汽

32、车上直接使用。同时，汽车上使用的电器多为商用或一般生 活用，例如手提电脑、手机充电器、汽车 dvd 等，对交流电压的波形要求不高，方波 即可，不必需要正弦波，故本文提出的小功率车载逆变电源采用方波输出，其有效值 为 220v 。本文做了如下工作： 1.通过对电力电子技术的学习以及对开关电源相关知识的查阅了解了开关电源目前 发展的状况和未来发展的趋势，明确了车载电源设计的目的性。 2.通过对 dc/ac 变换器原理的分析，确定了以推挽式变换器作为低压变高压的电 路。本文设计的开关逆变器具有多种保护措施，如过压、过流、过温等，使得系统的 可靠性高。 3.以 tl494 作为控制芯片，采用模拟 pw

33、m 控制，设计并且实现了将两个推挽变 换器并联，最大输出功率 500w 的 12vdc-220vdc 车载开关电源。 第二章 开关电源 dc/ac 逆变器的研究 2.1 逆变器拓扑结构 常用逆变器主电路的基本形式有两种分类方法 :按照相数分类，可以分为单相 和三相;按照直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器。 具体如下: 逆变器 电压型逆变器 单端式 推挽式 半桥式 全桥式 单相 三相 半桥式 全桥式 电流型逆变器 单相 三相 2.2 隔离式开关电源拓扑结构 隔离式是指输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁耦合方式传递能量， 输入输出完全电气隔离。隔离式又可分为以

34、下几种拓扑结构： 1.单端反激式 开关电源电路中所谓的单端是指变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的 反激是指当功率调整管 t 导通时，变压器 n 在初级绕组中储存能量；当功率调整管 t 截止时，变压器 n 通过次级绕组向负载传递能量。即原/副边交错通断。这样可以避免 变压器磁能被积累的问题，但是由于变压器存在漏感，将在原边形成电压尖峰，可能 击穿调整管 t，因此需要设置 rcd 缓冲电路。 图 2.1 单端反激式开关电源主回路 2单端正激式 电路原理图上看，正激式与反激式很相似，表面上只是变压器同名端的区别，但 工作过程不同。当 t 导通时，变压器 n 的初级和次级绕组同时导通，向负载传

35、送能量， 滤波电感 l 储存能量；当 t 截止时，电感 l 通过二极管 d1 继续向负载释放能量。 图 2.2 单端正激式开关电源主回路 关电源主回路该电路的最大问题是：功率管 t 交替工作于通/断两种状态，当功率 管关断时，脉冲变压器处于“空载”状态，其中储存的磁能将被积累到下一个周期，直 至电感器饱和，可能会使功率调整管烧毁。 3推挽式 这种电路结构的特点是：变压器原边是两个对称线圈，两只功率调整管接成对称 关系，轮流通断，工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。 该电路的主要缺点是：电路结构相对复杂，成本较高，变压器绕组利用率低，对 功率管的耐压要求比较高。 图 2.3 推挽式

36、开关电源主回路 4半桥式 电路的结构类似于全桥式，只是把其中的两只调整管换成了两只等值的大电容 c1、c2。工作过程： t1 和 t2 交替导通，使变压器一次侧形成幅值为ui/2 的交 流电压，改变 pwm 的占空比就可以 改变输出电压 。 图 2.4 半桥式开关电源主回路 5 全桥式 这种电路结构的特点是：由四只相同的调整管接成电桥结构驱动变压器的原边. 工作过程：互为对角的两个功率管同时导通，同一侧上的两功率管交替导通，使变 压器一次侧形成幅值为 ui/2 的交流电压，改 pwm 占空比就可改变输出电 压。 该电路使用的功率管数量多，且要求参数一致性好，驱动电路复杂，实现同步 比较困难。种

37、电路结构通常使用在1kw 以上超大功率开关电源电路中 4。 图 2.5 全桥式开关电源主回路 2.3 非隔离式开关电源拓扑结构 非隔离式电路是指输入端与输出端电气相通，没有隔离。非隔离式又可分串联 式结构、并联式结构和极性反转式结构三种电路拓扑结构，这三种电路拓扑结构有 各自的特点，工作过程不一样，应用场合也不一样。 1串联式结构特点和工作原理 图 2.6 所示为串联式结构，这种结构的特点是 :在主回路中开关器件 t 与输入 端、输出端、电感器 l、负载 rl 四者成串联连接的关系。开关管 t 交替工作于 导通/关断两种状态，当开关管 t 导通时，输入端电源通过开关管 t 及电感器 l 对负载

38、供电，并同时对电感器 l 充电，当开关管 t 关断时，电感器 l 中的反向电 动势使续流二极管 d 自动导通，电感器 l 中储存的能量通过续流二极管 d 形成的 回路， 图 2.6 串联式开关稳压电路主回路 对负载 rl 继续供电，从而保证了负载端获得串联式结构中，输出电压与输入电压成线 性关系，其表达式为 vovid，d 为开关器件 t 的占空比，d 越大输出越大，其最 大 值为 1，因此串联式结构只能获得低于输入电压的输出电压，只适合于降压式变换。 2并联式结构特点和工作原理 图 2.7 所示为并联式结构，并联式结构与串联式结构有相同的组成部分，只是他们 的位置被重新布置了一下。这种结构的

39、特点是:在主回路中开关器件 t 与输出端负载成 并联连接的关系。开关管 t 交替工作于导通/关断两种状态，当开关管 t 导通时，输入 端电源通过开关管 t 对电感器 l 充电，同时续流二极管 d 关断，负载 rl 靠电容器存 储的电能供电；当开关管 t 关断时，续流二极管 d 导通，输入端电源电压与电感器 l 中的自感电动势正向叠加后，通过续流二极管 d 对负载 rl 供电，并同时对电容器 c 充电。 图 2.7 并联式开关稳压电路主回路 由此可见，并联式结构中，可以获得高于输入电压的输出电压，因此为升压式变 换，适合于输出电压高于输入电压的场合，并且为了获得连续的负载电流，并联结构 比串联结

40、果对输出滤波电容 c 的容量有更高的要求。 3极性反转型变换器结构 图 2.8 所示为极性反转变换器结构，输出电压与输入电压的极性相反。电路的基本 结构特征是：在主回路中，相对于输入端而言，电感器 l 与负载成并联。 图 2.8 极性反转开关电源主回路 开关管 t 交替工作于导通/关断两种状态，工作过程与并联式结构相似，当开关管 t 导通时，输入端电源通过开关管 t 对电感器 l 充电，同时续流二极管 d 关断，负载 rl 靠电容器存储的电能供电；当开关管 t 关断时，续流二极管 d 导通，电感器 l 中 的自感电动势通过续流二极管 d 对负载 rl 供电，并同时对电容器 c 充电；由于续流

41、二极管 d 的反向极性，使输出端获得相反极性的电压输出。 2.4 开关电源各种拓扑结构的比较 开关电源各种拓扑结构的比较如表 2.1： 拓扑功率范围(w)vi(dc)范围 (v) 输入输出隔离典型效率(%)相对成本 buck0-10005-40 无 701.0 boost0-1505-40 无 801.0 buck- boost 0-1505-40 无 801.0 正激式 0-1505-500 有 781.4 反激式 0-1505-500 有 801.2 推挽式 100-100050-1000 有 752.0 半桥式 100-50050-1000 有 752.2 全桥式 400-2000+50

42、-1000 有 752.5 表表 2.1 开关电源各种拓扑结构的比较开关电源各种拓扑结构的比较 推挽式变换器电路实际上是由两个正激式变换器 电路组成，只是它们工作时相位 相反。在每个周期里，两个功率管交替导通和截止，在各自导通的半个周期内，分别 把能量传递给负载，所以称之为“推挽”电路。推挽变换器由推挽逆变器和输出整流、 滤波电路构成，推挽逆变器将低压直流电转化为高压交流电，输出整流滤波电路再将 高压 交流电转化为高压直流电，故推挽变换器属于直流-交流-直流变换器。由于直-交变 换器提高了工作频率，故变压器和输出滤波器的体积均可以减小。输出整流电路有两 种基本类型:全波整流电路和桥式整流电路，

43、全波整流电路应用于输出电压较低的场合， 这样可以减少整流电路中的通态损耗;桥式整流电路应用于输出电压较高的场合，这样 可以降低整流管的电压定额。因此通过对比基于对本次设计的综合考虑推挽式的性能 要强于其他方式5。 2.5 开关电源的调制方式 1脉冲宽度调制（pulse width modulation,缩写为 pwm）开关周期恒定，通过改 变脉冲宽度来改变占空比的方式。pwm：（pulse width modulation）脉冲宽度调制 脉 宽调制 pwm 是开关型稳压电源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的，除了 pwm 型，还有 pfm 型和 pwm、pfm 混合型。脉宽宽度调制式（pwm

44、）开关型稳压电路是 在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出 电压的目的。 2脉冲频率调制（pulse frequency modulation,缩写为 pfm）导通脉冲宽度恒定， 通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。pfm：（pulse frequency modulation) 脉 冲频率调制一种脉冲调制技术，调制信号的频率随输入信号幅值而变化，其占空比不 变。由于调制信号通常为频率变化的方波信号，因此，pfm 也叫做方波 fm pwm 是 频率的宽和窄的变化,pfm 是频率的有和无的变化, pwm 是利用波脉冲宽度控制输出, pfm 是利用脉冲的有无

45、控制输出. 其中 pwm 是目前应用在开关电源中最为广泛的一 种控制方式，它的特点是噪音低、满负载时效率高且能工作在连续导电模式；pfm 具 有静态功耗小的优点，但它没有限流的功能也不能工作于连续导电方式； 3混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是 以上二种方式的混合。pwm-pfm 兼有 pwm 和 pfm 的优点。 dc/ac 变换器是通过 与内部频率同步开关进行升压或降压，通过变化开关次数进行控制，从而得到与设定 电压相同的输出电压。pfm 控制时，当输出电压达到在设定电压以上时即会停止开关， 在下降到设定电压前，dc/ac 变换器不会进行任何操作。但如果输

46、出电压下降到设定 电下，dc/ac 变换器会再次开始开关，使输出电压达到设定电压。pwm 控制也是与频率 同步进行开关，但是它会在达到升压设定值时，尽量减少流入线圈的电流，调整升压 使其与设定电压保持一致。 与 pwm 相比，pfm 的输出电流小，但是因 pfm 控制的 dc/ac 变换器在达到设定电压以上时就会停止动作，所以消耗的电流就会变得很小。 因此，消耗电流的减少可改进低负荷时的效率。pwm 在低负荷时虽然效率较逊色，但 是因其纹波电压小，且开关频率固定，所以噪声滤波器设计比较容易，消除噪声也较 简单。 若需同时具备 pfm 与 pwm 的优点的话，可选择 pwm/pfm 切换控制式

47、dc/ac 变换器。此功能是在重负荷时由 pwm 控制，低负荷时自动切换到 pfm 控制， 即在一款产品中同时具备 pwm 的优点与 pfm 的优点。在备有待机模式的系统中，采 用 pfm/pwm 切换控制的产品能得到较高效率。 pfm 相比较 pwm 主要优点在于效 率:1、对于外围电路一样的 pfm 和 pwm 而言,其峰值效率 pfm 与 pwm 相当,但在峰 值效率以前,pfm 的效率远远高于 pwm 的效率,这是 pfm 的主要优势. 2、pwm 由于 误差放大器的影响，回路增益及响应速度受到限制，pfm 具有较快的响应速度 pfm 相比较 pwm 主要缺点在于滤波困难 1、滤波困难

48、（谐波频谱太宽） 。 2、峰值效率以 前,pfm 的频率低于 pwm 的频率,会造成输出纹波比 pwm 偏大。 3、pfm 控制相比 pwm 控制 ic 价格要贵。 pfm 之所以应用没有 pwm 多最主要的一个原因就是另外一 个原因就是 pwm 的巨大优点了：控制方法实现起来容易，pfm 控制方法实现起来不 太容易7。 第三章 方波车载电源逆变器的主电路设计 本文设计的方波车载逆变器的性能指标如下: 输入：12 in vvdc 输出： 0 220vv100fkhz 额定输出功率: 0 150wp 工作温度: 00 3060 保护功能:蓄电池欠/过压保护、输出过载保护、直流母线过压保护、机内过

49、热保护. 根据以上条件，采用 dc/ac 升压和逆变，将 12v 升压到 380v，通过 pwm 控制 逆变，得到 220v/50hz 的方波，整个系统具有欠压、过压、过流和过温保护。 3.1 主电路的拓扑结构 如下图 3.1 所示，该图为方波车载电源逆变器的主电路的设计图。该设计主要应用 了 tl494 作为控制芯片，采用了 pwm 控制，设计并实现了将两个推挽变换器并联， 实现了输入 12v 直流电输出 220v 交流电。 图 3.1 方波车载电源主电路 推挽式功率变换是车载方波电源逆变器电路的核心，它的主电路拓扑结构如图 3.1 所示，由蓄电池直流电源 e、开关管 q1、q2、脉冲变压器

50、 t 和输出滤波电容 c 组成， 它的工作原理是推挽式功率变换，开关管 q1、q2 轮流交替导通与截止，蓄电池直流 电源 e 通过脉冲变压器的原边的两个绕组交替放电，从而在脉冲变压器的副边感应出 正负交变的方波信号8。 3.2 变换器的滤波电容和电感的选取 为了减少输入电压的脉动，我们常采用输入端并联大电解电容的方法来实现。电 容选得太大会影响到控制环路的响应速度;太小，电压的脉动又无法解决。因此，对所 需电容的容值进行具体的计算。计算过程如下: 由于传输最大功率为p0并联电容为无损元件，则由输入输出功率相等可知电流脉 动可转化为电压的脉动，则考虑一个周期内输入滤波电容c所提供的能量约计算见式

51、 （3.1）： * o in s p w f （3.1） 每个半周期输入滤波电容提供的能量计算见式（3.2）： minmin / 22 inininin wc vv （3.2）考虑到输入电压波动，实际电路中由于铝电解电容esr和自身电感较大，不能 承受较高频率的电流纹波，会引起发热，一般用于低频滤波;且变压器漏感和线路电感 会导致电流纹波增大。为减小esr，实际电路采用2x470uf/400v的电解电容。在设计 变换器输出滤波电感时要求输出滤波电感在某一个最小电流i保持连续。电感lf的最小 值应为见式（3.3）： () 1 2 () oo f lfo ccminlfd vv l finvvv

52、（3.3） 1）计算交流输出电压见式（3.4）和（3.5）： * ood ekvv （3.4） （3.5） max min in in v k v k为输入电压波动系数。 2）计算ap值见式（3.6）： 1 41 *10 x t fujsw p ap k k k f b （3.6）原边参数计算： 3）计算最小占空比见式（3.7）： min d max min maxmax (1)* d d dkd （3.7）4) 计算初级匝数见式（3.8）： p n 4 minmax *10 2* in p we vd n bfa （3.8） 5) 计算初级电感见式（3.9）： p l minmax * 2*

53、 in p o vd l pf （3.9） 6）计算峰值电流加见式（3.10） p i max min * oo p in de i i v （3.10） 7）计算电流密度j见式（3.11）： * x j jkap （3.11）8）计算初级线径dp 先计算原边绕组裸线面积见式（3.12）： *0.707 p xp i a j （3.12） 再由awg导线规格表可查得最接近线号 副边参数计算 9）计算次级电流(仅对桥式整流)见式（3.13）： max 2* so idi （3.13）10）计算次级匝数ns见式（3.14）： minmax * 2* po s in ne n vd （3.14）11

54、）计算次级线径见式（3.15）： s d 11.287* s s i d j （3.15）12）验算输出电压见式（3.16）： o v minmax 2* sin od p nvd vv n （3.16） 3.3 驱动电路及脉宽调制电路设计 1驱动电路车载方波电源逆变器输出信号的工作频率由开关管 q1、q2 导通和截止 的频率确定，而开关管 q1、q2 导通和截止的频率受开关管栅极触发信号 g 控制。本 文中的开关管 q1、q2 采用的是 n 沟道场效应管 irf3205,它正向耐压 55v，输出电流 能够达到 110a，非常适用于本文中的推挽电路结构。 图 3.2 mosfet 驱动电路 由

55、于场效应管是电压型驱动的开关器件，工作在较高的开关频率，应使开关管 q1、q2 的导通和关断时间短，从而减小开关管的动态损耗。本文设计的驱动电路如图 3 所示，当 ctrl 为高电平时，pnp 三级管 8550 截止,二极管 d 导通、相当于通过电阻 r 对 mosfet 的结电容充电，当栅极电压超过开启电压后，mosfet 导通。当 ctrl 为 低电平时，二极管 d 截止，三极管 8550 导通，相当于 mosfet 结电容通过电阻 r 放 电，当栅极电压低于开启电压，mosfet 关断。为了使 mosfet 导通和关断的时间短， 电阻 r 取值 10 欧姆9。mosfet 栅极驱动信号波

56、形见图 3.3 图 3.3 mosfet 栅极驱动信号波形 2 开关管保护电路设计，从图 3.4 中可以看出，mosfet 关断的速度很快，由于脉冲 变压器原边绕组电感的作用，在 mosfet 的漏极和源极之间会出现较高的过电压，严 重时可损坏 mosfet。因此，需要在 mosfet 的两端并联 rcd 缓冲保护网络，如图 5 所示。当 mosfet 关断时，脉冲变压器原边绕组中的电流通过二极管向电容充电，从 而起到缓冲的作用。当 mosfet 导通时，电容通过电阻经 mosfet 对地放电，为下一 次缓冲做好准备。由于开关频率较高，保护电路中的二极管需采用快恢复二极管。 图 3.4 rcd

57、 保护电路 未采用 rcd 保护和采用 rcd 保护的开关管两端电压波形如图 3.5 所示，从图中可 以看出，采用 rcd 缓冲保护网络能有效减小开关管两端出现的过电压。 图 3.5 mosfet 过电压波形 3.4 基于 tl494 的控制电路 pwm 电路设计 下图为基于 tl494 的控制电路图 3.6： 图 3.6 基于 tl494 的控制电路 开关管 q1、q2 的栅极触发信号是两路交替出现的脉冲信号，本文采用美国德州仪器 公司生产的驱电压动型脉宽调制器 tl494 作为触发电路的控制单元，如图 7 所示。将 tl494 的振荡频率设为 100khz，采用推挽输出，则它以 50khz

58、 的频率交替输出矩形脉 冲控制信号 ctr1 和 ctr2,分别驱动开关管 q1、q2 的导通和截止10，输出控制信号 波形如下图 3.7 所示。 图 3.7 tl494 输出的推挽脉冲波形 3.5 装机样本和输出波形 装机样品如图 3.8： 图 3.8 装机样品实图 调试输出波形如下图 3.9 图 3.9 车载方波输出波形 第四章 pwm 脉宽控制电路设计 4.1 pwm 开关变换技术的分类及比较 随着功率开关器件实现的全控化，电力电子技术已经进入了逆变时代。电力开关 变换技术始终是电力电子技术的重要组成部分，也一直是人们的重点研究方向，目前 比较有代表性的电力开关变换技术分为以下几种：(1

59、)pwm 开关变换技术；(2)谐振变 换技术；(3)软开关技术；而 pwm 开关变换技术是相对成熟且应用范围较广泛的一种 11。 1pwm 开关变换技术：pwm 是脉冲宽度调制(pulse width modulation)的简称【7】， 但现在的文献中一般把非谐振型开关变换器统称为 pwm 变换器。它具体包括以下三 种：(1)脉冲宽度调制(pwm)。这种方式采用恒定开关频率(即恒定开关周期)，而改变 导通脉冲宽度，即通过改变改变 ton 或 t off 来改变导通比。(2)脉冲频率调制脉冲宽 度调制(pulse frequency modulation)，简称 pfm。这种方式是保持 ton

60、 恒定，通过开关 频率(或开关周期)的改变来改变导通比。这种控制方式要求滤波电路能适应较宽的频段。 (3)混合调制方式，即 pwm 和 pfm 的混合，是开关频率与导通或关断时间都改变的控 制方式。pwm 控制方式以其电路简单、控制方便从而在 dcdc 和 dcac 电路中 获得了极为广泛应用。其中脉宽调制型控制电路的基本结构如图 4.1 所示。 同步 辅助电源辅助电源辅助电源 交流电网v0i1 时钟v/w 电路检测放大 图 4.1 宽调制方式控制电路框图 驱动电路 辅助电源辅助电源辅助电源 交流电网v0i1 横脉宽发生 器 v/w 电路检测放大 图 4.2 脉频调制方式控制电路框 驱动电路