逆变电源的设计

1、全国大学生电子设计竞赛论文逆变电源的设计（D题）【第四组】2015年7月31日摘要该设计主要应用开关电源电路技术有关知识，涉及模拟集成电路、电源集成电路、直流稳压电路、开关稳压电路等原理，充分运用芯片TL494的固定频率脉冲宽度调制电路及场效应管（N沟道增强型MOSFET）的开关速度快、无二次击穿、热稳定性好的优点而组合设计的电路。该逆变电源的主要组成部分为：DC/DC电路、输入过压保护电路、输出过压保护电路、过热保护电路、DC/AC变换电路、振荡电路、全桥电路。在工作时的持续输出功率为2500W，具有工作正常指示灯、输出过压保护、输入过压保护以及过热保护等功能。该电源的制造成本较为低廉，实用

2、性强，可作为多种便携式电器通用的电源。 关键词：过热保护；过压保护；集成电路；振荡频率；脉宽调制 目录 1 逆变电源总体设计方案论证1 1.1 方案概述1 1.2 电路设计元件计算与选用：1 1.3 逆变电路及换流原理介绍2 1.4 电压型逆变电路的特点及主要类型22 逆变器单元电路设计4 2.1 逆变电路的主电路设计4 2.2 驱动电路设计4 2.2.1 MOSFET介绍4 2.2.2 控制单元电路设计:5 2.3 滤波电路以及电流检测设计73 理论分析与计算9 3.1高频变压器参数设计9 3.2 LC低通滤波参数设计 104 安装与调试11 5 测试结果及分析13参考文献14附录1 总电路

3、原理图15附录2 PCB板16附录3 实物图17附录4 元器件清单181 逆变电源总体设计方案论证1.1 方案概述 通过对设计内容和设计要求的具体分析，把电路分别设计成两部分：一是主电路，即是采用高频逆变电路和高频变压器的组合来实现，其中的滤波电路则是采用的线路滤波的方式，高频逆变电路由于其要求的特殊性采用了电压型半桥逆变电路和高频开关IGBT相连接的方法，并且和高频变压器的组合高效的实现直流电向交流电的逆变过程。 第二部分控制电路，采用集成芯片TL494来实现，主要原因在于主电路的电流逆变过程中控制电路各单元的复杂性，而TL494本身包含了开关电路控制所需的全部功能和全部脉宽调制电路，同时片

4、内置有线性误差放大器和其他驱动电路等，因此便可以同时实现：正弦信号发生单元、脉宽调制PWM单元、电压电流检测单元和驱动电路单元。由此确定本次设计电路框图如图1所示。 图1 电路框图1.2 电路设计元件计算与选用： 本次设计的单向正弦波逆变器中，最重要的就是高频开关IGBT的选用，根据电路设计的主要参数：（1）输入输出电压：输入（DC）+12V、输出220V（AC）（2）输出电流：1A（3）电压调整率：1%（4）负载调整率：1%（5）效率：0.8因此，管子电压直流DC12V经过半桥式逆变电路，加至逆变桥的电压U约为100V，考虑余量通常选用600V等级的IGBT管，通常模块结构的IGBT，其电压

5、等级为600V、1200V、1700V三种。 管子的电流：由于IGBT管较多工作于脉冲调制状态，计算有效电流值较困难，器件的高频开关损耗又与工作频率和电路缓冲等结构有关。IGBT管标定的电流等级是集电极连续电流Ic，没有考虑重复开关的损耗，工程计算是以实际流过管子的最大峰值电流（瞬时过流电流不考虑)。以本设计为例，输出电流为100A，高频整流变压器电压比为5.3：1，变压器一次电流即IGBT管峰值电流约为1A/5.3=0.19A,考虑开关损耗选25A的管子。1.3 逆变电路及换流原理介绍与整流电路相比较，把直流电变成交流电的电路称为逆变电路。当交流侧接在电网上，称为有源逆变；当交流侧直接和负载

6、相接时，称为无源逆变。在不加说时，逆变电路一般指无源逆变。逆变电路在生活中有很广泛的应用。交流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移，这称为换流。换流是实现逆变的基础。通过控制开关器件的开通和关断来控制电流通过支路，这是实现换流的基本原理。换流方式有多种，其中主要分为期间换流、电网换流、负载换流、和强迫换流四种方式。1.4 电压型逆变电路的特点及主要类型 根据直流测电源的性质不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。电压型逆变电路有以下特点： (1)直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低

7、阻抗。 (2)由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出电流波形和相位应为负载阻抗的情况不同而不同。 （3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管，又称为续流二极管。逆变电路分为三相和单相两大类。其中，单相逆变电路主要采用桥式接法。主要有：单相半桥和单相全桥电路。而三相电压型逆变电路则是由三个单相逆变电路组成。本设计采用单向逆变器。2 逆变器单元电路设计2.1 逆变电路的主电路设计主电路图主要指的就是高频逆变电路，所采用的是电压型半桥式电路。其中包含有逆

8、变电路、高频变压器、滤波环节。电压型逆变的特点是输出电压矩形波，输出电流近似正弦波。逆变器输出电压波形为交变矩形波，幅值均为1/2U，如图2所示。感性负载时，由于电流滞后电压，IGBT管需接反并二极管（模块内部已有），提供无功功率与续流如图2所示。实际工作时，由于IGBT管关断需要时间，在两管交替触发时刻会造成两管同时导通使直流电压电路，这是绝对不允许的。为此通过触发脉冲的脉宽调制控制是IGBT管导通时间小于1/2T，即出现两管均不导通的死区，通常控制脉宽占空比范围为0.850.9。在本次设计中，主要采用单相全桥式逆变电路作为设计的电路。图2 单相全桥逆变电路主电路及升压结构图 2.2 驱动电

9、路设计2.2.1 MOSFET介绍 MOSFET是一种电压控制的单极性器件，它是由金属氧化物和半导体组成的场效应晶体管，所以也叫绝缘栅型场效应管。应用VMOSFET工艺，生产出了大功率的产效应管，并在逆变电路中得到广泛应用。功率场效应管简称VMOSFET,或VMOS，作为开关器件，其常态是阻断状态，即VMOS都是增强型MOSFET。MOSFET分为N沟道和P沟道两类。N沟道VMOS的导通电流的方向是从漏极D到源极S；P沟道MOS的导通方向是从源极S到漏极D。VMOS管的工作原理是，源极S接零电位，漏极D接正电位，当栅极接正电压时，由于电荷感应，在P区感应出电子，电子的累积便形成N沟道。源极S和

10、漏极D之间便产生了电流。因此，栅极G上的电压的大小，决定了源极S与漏极D之间的电流大小。图3 MOFET结构图和电气图2.2.2 控制单元电路设计 TL494集成芯片是控制电路的核心，也是本次设计的重点，TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管室、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。其主要特征：(1) 集成了全部的脉宽调制电路。 (2) 片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容），内置误差放大器。(3) 内置5V参考基准电压源，可调整死区时间。 (4) 内

11、置功率晶体管可提供500mV的驱动能力。推或拉两种输出方式。 TL494的应用集成电路包含了几乎全部的控制电路，有正弦信号发生电路、脉宽调制电路PWM、电压电流检测单元、驱动电路。TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节器振荡频率如式1： f(osc)=1.1/Rt*Ct （式1）输出脉冲的宽度是通过电容CT 上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1 和Q2 受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将

12、减小。控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV 的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在03.3V 之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V 变化到3.5 时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V 到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压

13、和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。 当比较器CT 放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1 和Q2 的工作。若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态，且最大占空比小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1 或Q2 取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1 和Q2 并联使用，这时，需将输出模式

14、控制脚接地以关闭双稳触发器。这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。TL494 内置一个5.0V 的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA 的负载电流，在典型的070温度范围50mV 温漂条件下，该基准电压源能提供±5%的精确度。在TL494正弦波逆变电路的设计中，电压电流保护环节采用了比较来进行输入也就是先将比较器的两个输入端和电压的输入输出向连接然后再将输出连接到TL494芯片上的差分放大器的输入端这样可以更好的实现对电路的电压保护，当然电流的保护也是同理的。其引脚图如图2所示。图4 TL494引脚图2.3 滤波电路以及电流检测设计： 高频装置必须考虑射频干扰（

15、RFI）与电磁干扰(EMI)以及谐波影响，本装置在交流输入端采用线路滤波器，用于有效抑制和吸收电网出现的强脉冲对电源的干扰，同时线路滤波器具有良好的共模和公差插入损耗，有效地抑制电源产生的高频干扰信号影响电网，实现电源与电网的隔离和减少电源对周围环境的电磁干扰。同理，输出端与负载之间亦加接滤波器。电路检测单元的意义在于实现对电路的有效保护，它是稳压与过电压、过电流保护的一部分，并将直接检测到的电流信号街道TL494的芯片上，以此来对电路的电流、电压进行调节。电流检测单元的构造很简单电阻和电容分别连接到分压电容的中间和分压电阻的中间，通过变压器CT1稳压和电容滤波后输出。本次课程设计中的电压检测

16、环节和电流检测环节其实都是有TL494集成芯片一次完成的，因此这也大大简化了电路，直接使用了TL494内部的两个放大器，通常放大器输入“负”端接基准电压，可有14脚分压供给，“正”端接开关电源的电压，电流采样信号。其局部电路图如图5所示。图5 滤波以及电流检测电路图3 理论分析与计算3.1高频变压器参数设计3.1.1 磁芯选择与参数计算 选择铁氧体磁芯，先求出磁芯窗口面积AW与磁芯有效截面积Ae的乘积AP, 根据AP值, 查表找出所需磁芯材料之编号。由于输出要求2500W,当效率为0.8时，逆变器输入端应有3100W,考虑到温升问题高频变压器功率预留6% 的裕度, 则设计输出功率为Po= 1.

17、06*120= 3286W 。由于变压器用于推挽变换电路当中, 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，查磁芯参数表知EC42符合设计要求，再根据型号查找对应的有效截面积Ae=2.04cm2。3.1.2 变压器匝数计算 初级绕组匝数为：1.43 （式3）取初级匝数N1=2。 次级绕组匝数为： （式4）取次级匝数为50匝。3.1.3 绕组导线线径及股数计算采用铜线考虑集肤效应，由于开关频率为60KHZ,故穿透深度为：可知线径不得超过0.54mm，取线径为0.38mm。根据工程实际情况和绕组损耗, 取

18、J= 4A/mm2,导线直径为=0.38mm,由设计要求知Iimax=12A,IOMAX=0.45A,由公式： （式5）可知初级线圈采用26股并绕，同理可求出次级线圈股数为1股。3.2 LC低通滤波参数设计 为了将SPWM波的谐波分量滤除，在逆变器的输出端加了LC滤波器，从而得到正弦交流信号，滤波器的截止频率一般都是开关频率的1/101/2，设定SPWM波的频率为20K，则f定为1.2kHZ，由公式 （式6）取电容C=4uF，电容选择聚丙电容，得L=10mH。 4 安装与调试4.1看板阶段：（1） 先将PCB板的背面清洗干净，看每一个焊点是否饱满光亮，不能留有虚焊，假焊，各焊点之间不能有连锡以

19、及锡渣（2） 看完板的背面后，贴上绝缘粘块，再看板的正面，首先要用摄子扶正元器件，并检查有极性的元器件是否插反，再装上所需的IC 到板上，要清楚的知道哪个位置装哪个IC。 用万用表的电阻档测量前、后极的MOS 管的阻值是否为正常的参数。单独的MOS管的G、S极之间阻值为无穷大，装到PCB板上之后，G、S极之间的阻值其实就是偏置电阻的阻值。所以不同类型的逆变器就有不同的G、S极间阻值。（3） 其它类型逆变器的MOS管阻值都差不多。 （4） 用万用表的二极管档测量整流用的IN4004管，正向导通，反向截止，用二极管的档位测量驱动变压器前的DB3管，正向导通，反向截止。（5） 用万用表的电阻档测量有

20、带绝缘垫的MOS管与散热器之间是否已绝缘。 4.2 初步上电阶段：（1） 先装辅助电源板，再接对应机型的电压在直流输入端，在开环状态下测试电池检测电路，即参考电压：220V对应4.0V、110V对应4.0、48V对应4.5V。 （2）再装控制板，用示波器的低压探头测量前极每一个桥臂MOS管的驱动波形：要求是示波器的伏格是50mV，秒格是10uS，为5V的脉冲波。用示波器的低压探头测量后极每个桥臂MOS管的驱动波形：要求是示波器的伏格是50mV，秒格是5mS，为5V的脉冲波。 （3） 在JP2的位置装在跳线，初步上电阶段完成。 4.3 正式上电阶段： （1） 跳线装完之后，是在闭环的状态下上电，

21、在正负极接对应机型的直流电，注意直流电的极性，不能接反，否则可能会炸坏前极管。（2） 用示波器的高压探头接在输出端的零线，火线上。开机，逆变器进入巡检状态，此时逆变器的蜂鸣器三秒一响，三声之后静音。在示波器的屏幕上显示逆变器交流输出波形。 （3） 用万用表的交流档位测量逆变器交流输出的电压，调节控制板上的电位器，使输出电压为220V。用直流档位测量逆变器的风扇电压为15V。（4） 用万用表的电阻档，调整为蜂鸣器档测试干节点。（5） 关机放电后，接上市电在交流输入的插片上，上交流电，测试BATT.INS电压为正常范围（220V为214V左右、110V为90V左右、48V为52V左右）。（6） 上

22、交流之后，逆变器切换到市电状态，两个旁路继电器吸合。开机，逆变器进入巡检状态，蜂鸣器三秒一响，三声之后蜂鸣器一秒一响。此时交流输出的为市电电压，不是逆变输出的电压。 （7） 保持这种状态，上直流电后，蜂鸣器静音。作几次市电切换动作，检查逆变器的切换功能。（8） 在交、直流都上电之后，加负载直至过载，对应功率的机器加对应的功率。（9） 在闭环状态下重复检查前极驱动波形。此时一台逆变器就全部测好。5 测试结果及分析 当输入电压为9V-16V时，输出电压基本稳定，当输入为12V时，输出电压达最大值536V。所设计电路具有过压、欠压保护功能，欠压保护点8.5v9.5V,过压保护点为15.516.5V,当满足过压、欠压条件时，关闭输出；输出过流保护功能，动作电流点为1.551.65A。通过实物测试结果可知，本次设计各项指标均达到设计要求。能将12V的电压经高频变压器得到530V左右的高压直流电，并经过逆变得到220V的工频交流电,前级高频推挽升压效率可达80%。 参