赵凯强逆变电源设计

1、本科毕业论文（设计）(2014 届) 题 目： 逆变电源设计 学 院： 信息工程学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 赵凯强 学号： 21006021097 指导教师： 孙剑 职称（学位）： 讲师 完成时间： 2014 年 5 月 24 日 成 绩： 黄山学院教务处制 学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在指导老师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。声明人（签名）：年 月 日 目录摘要 1英文摘要21 引言3 1.1 选题意义3 1.2 逆变电源的概述3 1.3 本课题的主要内

2、容42 系统功能分析4 2.1 设计要求4 2.2 系统方案的比较与论证53 逆变电源器的整体电路设计5 3.1 系统框图5 3.2 逆变电源原理6 3.2.1 推挽逆变原理6 3.2.2 全桥逆变原理64 逆变电源器元器件特性及各部分电路设计7 4.1 分立元件特性及参数7 4.1.1 场效应管7 4.1.2 光电耦和器9 4.2 集成芯片特性及参数9 4.2.1 TL494电源芯片10 4.2.2 KG3525电源芯片11 4.3 逆变电路设计及计算12 4.3.1 推挽电路设计12 4.3.2 全桥变换电路设计13 4.4 逆变电路整体设计图14 4.5 高频变压器计算及绕制 155 系

3、统测试17参考文献18致谢19逆变电源设计 信息工程学院 电子信息工程专业 赵凯强(21006021097)指导老师：孙剑摘要：逆变器是能够直流电转换成生活中能通用的的交流电的设备。例如：车用车载电源逆变器，是最常见的逆变电源电子设备；太阳能电池板可以产生直流电，但是如果要是并入电网投入使用的话，就必须转换为交流电。电子产品中，像笔记本电脑、空调等都广泛使用逆变器件。本设计整体采用第二逆变器的设计原理，前级使用推挽TL494升压电路，输出直流电压经二次逆变电路将高压直流转换成高压低频交流。 关键词：逆变器；TL494；KG3525；推挽；全桥 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 选题意义平常生活中逆变电源用途最广的就数车载逆变器，在国外车载逆变器非常受欢迎，将汽车上的12伏直流电转为交流电可以带动家庭用

7、品，给户外旅行带来很大方便；还有所有军舰上都需要高效的逆变器工作，以提供整个系统的电能。移动不止存在于通讯中，现在的社会就是移动的社会。在这样的环境下，不在需要只有高压线、电网，而是能提供交流电的可携带电源，而逆变电源就能满足本设计求。 1.2 逆变电源的概述 一般逆变器分为三种，一种称正弦波逆变器，一种称方波逆变器。还有一种称修正波逆变器；正弦波逆变器的输出交流电波形很好，几乎可以驱动任何负载，但是成本和技术要求都比较高。方波逆变器的输出交流电则比较差些，由于输出波形是方波，所以在电压上升下降没有缓冲段，直接升为最高、降为最低。因此驱动负载时不是很理想。方波逆变器电路原理是多谐振荡器产生方波

8、，因此输出不是很稳定，而且带负载能力差。而修正正弦波逆变器，就解决了方波逆变器的一些缺点。一般都设置一个死区时间，从而在最高和最低电压之间有个缓冲，不至于突然升高降低。而且也不像正弦波逆变器那样需要专门的SPWM波形发生器，价格也就降了下来。性能也得到了提升1。方波逆变器一般采用简单的多谐振荡器，作为驱动源驱动晶体管工作，电路更为复杂且不稳定。修正波逆变器原理一般都分为两级逆变。前级将低压直流转换为高压高频直流，次级将高压直流转为低压低频交流。前级部分一般采用推挽电路，次级一般采用全桥逆变2。而且准正弦波逆变器采用的都是专用的开关电源芯片，如：TL494，SG3525，KG7500等。其内部自

9、带的方波信号源都设有死区时间，这样也使得方波交流正向最大值和负向最大值不会同时产生。芯片还设有保护电路，以防止电路损坏。正弦波逆变器需要复杂的电路产生产生SPWM波形，许多芯片不能集成这一功能，而且控制方法非常复杂。其余电路和准正弦波逆变器一样，大多也是采用两级逆变，前级转为高压高频直流，次级转为低压低频交流。1.3 本课题的主要内容本课题内容是制作一小功率逆变器。提供7.2伏的电池，并将电池转为高压交流电驱动一灯泡。输出110伏50HZ。2 系统功能分析 2.1 设计要求本设计提供的电源为7.2伏，1.7安培，设计要求输出交流110伏，能够驱动5W 110伏灯泡。由于系统电源采用的是电池，而

10、且容量很小，因此整个系统无需加输入过压保护电路、输出过流保护电路、输出过压保护电路，整个系统只需加一输入欠压保护电路即可3。逆变器通常工作环境比较恶劣，因此不但要有良好的电气特性，还要有强抗干扰性，此外低成本、重量轻、体积小也是需要考虑的因素。系统设计指标参数如表2-1所示。 表2-1 设计指标一览表序号指标参数值1系统方案准正弦波逆变器2输入电压7.2直流3输出电压110伏交流4输出功率驱动5W 110伏灯泡5电路保护输入欠压保护功能6电路性能良好的电磁兼容性和电气特性7工作环境温度-20-50 2.2 系统方案的比较与论证 系统采用的是修正波逆变器，修正波逆变器一般采用的有以下三种方案：

11、方案一：用TL494提供50HZ驱动源以及反馈保护，驱动推挽电路经工频变压器升压至110伏。该方案电路简单，容易制作，而且不需要绕制复杂的高频变压器，只需要用工频变压器即可。但是这种设计由于频率低的缘故需要用工频变压器，而工频变压器笨重、体积大，因此满足不了本设计的条件。系统结构框图如图2-1所示。 图2-1 单级逆变电路系统结构框图 方案二：用AVR单片机mega16产生两路相位相差180度的50HZ驱动信号，驱动单相半桥电路交替导通经工频变压器升压至110伏。采用数字化是以后的趋势，具有可观的前景。但是由于现在没有公司开发出相应的单片机，集成双路PWM输出功能的单片机价格比较贵，低价位的单

12、片机输出两路相位相差180度的PWM程序设计相当复杂。而且单片机还有很大的缺点就是输出电流不够，因此后级还要加驱动电路，这无疑增加了电路的复杂度。还有就是单片机没有像专用芯片那样设置死区时间7。因此也满足不了设计条件。电路框图如图2-2所示。 图2-2 数字逆变电路系统结构框图 方案三：采用典型的双级逆变电路，前级用推挽电路将7.2伏直流电经高频变压器升压到150伏直流电；次级全桥电路（又称“H”）将150伏直流电转换为110伏交流电。采用典型的双级逆变电路，使用开关电源集成芯片，不但集成PWM输出功能，内部还设置了死区时间。由于前级可以用很高的频率(几十KHZ-几百KHZ),因此需要的变压器

13、体积则小了很多(高频变压器相对于工频变压器在同样功率下体积要小很多)。后级全桥电路可以直接将150直流电转换为交流电，中间无需再加变压器等元件4。电路框图如图2-3所示。 图2-3 双级逆变电路系统结构框图 综合三个方案双级逆变电路相比于方案一和方案二有着两者的优点，方案一体积过大，方案二电路比较复杂，价格也比较高。因此本设计采用方案三作为整体方案。3 逆变电源器的整体电路设计3.1 系统框图 双级逆变电源设计如图3-1所示。 图3-1 双级逆变电源系统详细框图7.2伏系统主要直流电经过推挽逆变电路放大转换为110伏30KHZ交流电,控制系统采用开关电源芯片TL494,提供PWM驱动源。110

14、伏交流电经整流滤波过后变为150伏左右直流电，为全桥电路输入电源5。KG3525驱动全桥电路将直流转换为110伏交流，频率为50HZ左右。 3.2 逆变电源原理逆变器就是利用开关管导通与关闭，产生一正一负，从而将直流电能转换为交流电能。3.2.1 推挽逆变原理推挽电路如图3-2所示。电路中两个晶体管的发射机接在一起并入地，集电极分别接入变压器的初级输入端。当VT1基极为高电平，VT2基极为低电平时，则VT1导通、VT2截止，输出为正；当VT1基极为低电平，VT2基极高电平时，则VT1截止、VT2导通，输出为负，这就形成了交流电6。 图3-2 推挽逆变电路 推挽逆变电路输出电压电流波形如图3-3

15、所示。 图3-3 推挽电路输出波形 3.2.2 全桥逆变原理 全桥电路如图3-4所示。全桥电路由四个三极管组成，其中Q1和Q3是同时导通，Q2和Q4同时导通。即Q1和Q3 基极驱动源相位相同，Q2和Q4基极驱动源相位相同。当Q1与Q3同时导通时，输出电压为正的Ud；Q2与Q4同时导通时，输出电压为负的Ud。交替导通也就得到交流输出。 图3-4 全桥电路 全桥逆变电路输出电压电流波形如图3-5所示。全桥输出电压为方波，电流为正弦波。 图3-5全桥电路输出波形4 逆变电源器元器件特性及各部分电路设计 4.1 分立元件特性及参数本设计分立元器件主要有：MOSFET、光耦、高压三极管等。4.1.1 场

16、效应管本设计变换电路开关管采用的都是场效应管，场效应管英文缩写MOSFET,即金属氧化物半导体场效应晶体管。因为其具有很好的开关特性，功率场效应管几乎全部应用于开关器件，只有个别器件用作放大功能，它的工作电流甚至能达到几百安培。本设计所选用的场效应管为IRF840，其各项特性及参数如图所示： 图4-1 IRF840引脚排列及符号图表4-1 IRF840性能参数表参数名称参数值VDS(V)500RDS(on)(欧)VGS-10=100.85Qg(Max.)(nc)63Qgs(nC)9.3Qgd(nC)32ConfigurationSingle 图4-2 IRF840 典型传输特性 图4-1左边显

17、示了IRF840的引脚排列，以及封装TO-220AB。右边则表明IRF840内部集成了保护二极管。 表4-1 可得到：IRF840最大工作电压500伏；在栅源极电压为典型值10伏时，漏源极之间导通电阻仅为0.85欧，该参数是衡量场效应管好坏的重要指标，取值越小说明当通过同样的电流，场效应管消耗的功率越小；Qg、Qgs、Qgd分别为栅极极间电容、栅源极极间电容、栅漏极极间电容，该参数影响场效应管的导通速度，形成的密勒效应更会影响场效应管的放大倍数8。 图4-2 表明在室温25摄氏度下，栅源极电压至少需要4伏以上才能导通，4.5伏时只能通过1安培电流。也就是说驱动电压要4伏以上。 4.1.2 光电

18、耦和器 光电耦合器起着隔离的作用，本设计用作驱动场效应管以及反馈。可以防止次级元件损坏后导致前级元件损坏。本设计用的光耦型号为TLP521，引脚排列如图4-3所示。 图4-4中Iff为流过光耦内部二极管的电流值(1和2脚之间)，Ic表示光耦内部三极管的集电极电流(流过4脚电流)，从图中可以看到在工作范围内Ic随着If的增大成一定线性关系，这也是光耦的应用原理。更为重要的是内部二极管和三极管完全隔离，因此在电路中能起到完全隔离作用。 图4-3 TLP521符号及引脚 图4-4 TLP521 If-IC 曲线 4.2 集成芯片特性及参数 本设计选用电源芯片为：TL494、KG3525。4.2.1

19、TL494电源芯片 TL494 是一种频率固定、占空比可调的集成芯片，主要用作开关电源设计。输出晶体管输出和灌入电流可达 500mA；片上集成误差放大器；片上集成5.0V 基准电压。 图4-5 TL494 引脚分布图 表4-2 TL494 引脚功能表引脚1内部集成误差放大器同相端。引脚2内部集成误差放大器反相端。引脚3反馈端。误差放大器的输出端，与引脚1之间增加电阻电容可改变误差放大器的增益。引脚4死区时间控制端。端口上加0到3.3伏的电压可使输出PWM占空比 从98到0。该端口还可以用做保护电路。引脚5和引脚6配合使用，决定PWM工作频率，外接震荡电容。引脚6和引脚5配合使用，决定PWM工作

20、频率，外接震荡电阻。公式为： F=1.1/Rt.Ct引脚7接地端。引脚8内部集成输出三极管集电极端C1。引脚9内部集成输出三极管发射极端E1。引脚10内部集成输出三极管发射极端E2。引脚11内部集成输出三极管集电极端C2。引脚12电源端口。引脚13输出状态控制端口，该端口决定输出方式。端口接地，则为单端输出模式；端口接电源，则为推挽输出模式。引脚14内部5伏基准源端口，最大输出电流10MA引脚15内部集成误差放大器同相端。引脚16内部集成误差放大器反相端。 4.2.2 KG3525电源芯片KG3525和SG3525可以完全通用，电流控制型PWM芯片。由于使用了电流和电压双环系统，输出更加稳定。

21、输出频率可以低至50HZ,这是TL494不能达到的。 图4-6 KG3525 引脚分布图 表4-3 KG3525 引脚功能表引脚1内部集成误差放大器反相端。引脚2内部集成误差放大器同相端。引脚3该引脚和内部振荡器信号能够同步。引脚4振荡器输出端。引脚5和引脚6配合使用，决定PWM工作频率，外接震荡电容。引脚6和引脚5配合使用，决定PWM工作频率，外接震荡电阻。引脚7振荡器放电段。该端口与5端口之间要加放电电阻。输出频率公式： F=1/Ct.(0.67Rt1.3Rd)引脚8外部软启动电容连接端口。该端口接一电容，可构成软启动电容。引脚9反馈端。误差放大器的输出端，与引脚1之间增加电阻电容可改变误

22、差放大器的增益。引脚10外界信号关闭端口。该端口接高电平，则无输出。通常接地。引脚11输出端A。引脚12接地端。引脚13电源端。引脚14输出端A。引脚15偏置电源接入端。引脚16内部5伏基准源端口。 4.3 逆变电路设计及计算 逆变电路设计分为推完电路设计和全桥电路设计。4.3.1 推挽电路设计推挽电路如图4-7所示 ，电路主控芯片为TL494，提供两路相位相差180度的PWM驱动方波。经过两个TLP521隔离驱动场效应管IRF840产生振荡，经过高频变压器升压，再经过整流滤波得到150伏左右直流电，为下一级电路提供输入电源。芯片内带反馈功能，通过内部误差放大器反馈端口与内部基准源相比较，稳定

23、输出电压。另外一误差放大器则构成欠压保护电路。芯片输出方式为推挽输出，最大占空比0.459。 图4-7 推挽逆变电路 4.3.2 全桥变换电路设计 KG3525芯片周围电路连接如图4-8所示。同样提供两路相位相差180度的PWM驱动方波。芯片内带一个误差放大器，通过误差放大器反馈端口与内部基准源相比较，稳定输出电压。芯片输出方式为推挽输出，最大占空比0.45。芯片还自带闭锁功能。 图4-8 KG3525控制器电路 全桥电路如图4-9所示：由4个IRF840构成。KG3525输出一路信号PWM1分别输入Q2和Q7，另一路信号PWM2输入Q3和Q8。由于VSS1是输出110交流值，而栅极驱动电压只

24、有7V，因此当Q7关闭时，Q2不能被驱动。而Q4 、D5、 C14构成自居升压电路就能解决这个问题11。自居升压过程：Q7导通期间，VCC经过D5给C14充电，当Q7关闭时，此时栅极的电压就会被电容抬高，为110电容两端电压，就可以非常容易的驱动Q2导通。Q4 的作用是防止高压进入输入端，烧坏器件，因此Q4 要选用耐高压的三极管，本设计选用KSP44。D3的作用是防止Q7关闭期间场效应管漏极电压高于栅极从而损坏场效应管，D3起到钳位作用，用1N4148就可以。D5要快速切换，因此选用快恢复二极管FR107。Q3、 Q8工作过程和Q2、Q7一样。 图4-9 全桥电路 图4-10为反馈电路110伏

25、交流电经过分压大约5伏左右，D10是5.1V稳压二极管，当输出电压变高，反馈分压高于5.1V，则D10导通，KG3525输出占空比减小，完成稳压作用。 图4-10 反馈电路4.4 逆变电路整体设计图 7.2伏直流电经TL494推挽逆变电路,变压器输出交流，再整流滤波得到高压直流。高压直流加到由KG3525构成的全桥逆变电路上桥漏极端，经全桥逆变为交流110伏。整体设计原理图如图4-11所示。 图4-11 逆变电路整体设计图4.5 高频变压器计算及绕制 高频变压器的制作不但计算麻烦，绕制过程更加麻烦。不但要计算复杂的磁学公式，考虑磁芯大小、功率，更要自己动手绕制，绕线的质量直接决定电路能不能工作

26、。参考系统要求，选择材质PC40、大小EE19的磁芯，参数如表4-4所示。经计算得：初级线径为0.6mm、匝数为6，2对；次级线径0.13mm、匝数178。计算方法如下： 表4-4 磁芯参数表TYPEMATERIAL材料Dimensions(mm)外形尺寸Ap 磁芯面积乘积Ae磁芯有效面积Aw 磁芯窗口面积 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法选择磁心规格的公式推导过程：高频变压器的的输入可能是正弦波、方波等规则波形，也可能是梯形波、锯齿波等不规则波形，因此高频变压器的波形非常复杂。表示高频变压器的有3个波形参数：波峰因数（）、波形因数（）、波形系数（）。波形系数：先以正弦波为例，假设理想情况下，变压器输入正弦波，2次绕组就会产生电动势。由法拉第电磁感应定律 。其中N为绕组、A为变压器磁芯面积、B为磁感应强度，。正弦波的电压有效值为： （4-1）在开关电源中定义4.44为正弦波的波形因数。同理可得方波波形因数为4。波形系数：开关电源中为了区分方波、锯齿波等非正弦波，定义了慨念，表示有效值电压与平均值电压

28、之比。以正弦波为例： 1 （4-2） 同时，可得到 =4* （4-3） 方波=1。 令一次绕组的有效值电压为，一次绕组的匝数为Np，所选磁心的交流磁通密度为。磁通量为 ，开关周期为T，开关频率为 f,一次侧电流的波形系数为,磁心有效截面积为。(单位是cm )，有关系式 （4-4）结合=4*，可推导出 （4-5） 同理，设二次绕组的有效值电压为，二次绕组的匝数为 ，可得 （4-6）电流密度取值300（Acm )，则导线截面积S等于IJ。令高频变压器的窗口面积利用系数为 ，一次、二次绕组的有效值电流分别为 、，绕组面积被完全利用时可推导出 （4-7）即 （4-8）再将(5)式和(6)式代入(8)式

29、中整理后得到 （4-9） （4-10） 这样就得到了用AP法选择磁心规格的公式10。取=0.8，Po=5,Kw=0.4,=4,f=38000,Bac=0.2T,J=366,得Ap0.0060 EE19磁芯完全满足要求。 选择好磁芯后，次级I2=5/110=0.045A,初级电流I1=0.87A，以每平方毫米3安培电流计算次级线径约为0.13mm，初级线径约为0.6mm。匝数根据实验先试绕一小段测得匝比，再经过计算得初级6匝，次级178匝。实际效果图如图4-12所示。 图4-12 手绕变压器实际效果图5 系统测试用万用表对输入电压、初级输出直流电压、次级输出交流电压分别测试，测试点如图5-1所示。实验测量6次，对六次测量取平均值，得：输入电压VIN=7.41V,初级输出直流电压VOU1=150.1V，次级输出交流电压VOUT2=109.3V。测试数据如表5-1所示。测量结果完全满足系统要求。测量过程中次级输出电压有些许抖动，经分析应该是反馈的原因，反馈走线受到变压器的干扰。输出电压抖动在很小范围内，不影响正常使用。表5-1 实际测试结果一览表(含输