车载正弦波逆变电源

1、2011年江西省电子设计大赛自选赛设计报告学 校：南昌航空大学学生姓名：周美元曹智凤刘冰汉赛题名称：车载正弦波逆变电源车载正弦波逆变电源摘要：本车载正弦波逆变电流的设计，以 DC12t 3V作为输入，输出220V/50HZ 的标准正弦波交流电。该电路由四大模块组成，一为功率主板，实现由低电压到 高电压、直流到交流电，由CMO勃效应管构成的H桥为主的电压转换部分（主 电路部分）；二为PWMg动部分，由TDS2285E片产生PWMS,由TLP250四个级 联构成H桥的驱动；三为DC/DC升压部分，由SG3525E片产生PWMi, 15制DC 到高压的转换；四为主板保护电路部分，该系统具有输出过载，

2、短路保护，过流 保护，空载保护等多重保护电路，增强了该电源的可靠和安全性。 该电源很好的 完成了各项指标，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%输出标准的正弦信号。关键词：逆变电源，DC-DC SPCW目录1 .系统设计1.1 设计要求51.2 总体设计方案51.2.1 设计思路51.2.2 方案论证与比较51.2.3 系统组成62 .主要单元硬件电路设计 62.1 DC/DC 升压模块 72.1.1 开关板设计 72.1.2 PWM固定频率的产生82.1.3 增加驱动102.2 PWM驱动模块102.2.1 TDS2285 产生 PW破102.2.2 死区电路的设计

3、122.2.3 H 桥驱动电路设计 122.2.4 产生H桥驱动电源132.3 功率主板模块132.3.1 电瓶电压滤波132.3.2 脉冲升压、滤波132.3.3 单相桥式PWM变电路132.3.4 整流滤波，输出正弦 132.4 保护电路模块 142.4.1 过载保护电路 142.4.2 短路保护电路 153 .系统调试163.1 测试使用的仪器163.2 指标测试和测试结果 163.3 结果分析18结论19参考文献1920附录1元件清单附录2电路原理图及印制板23附录3使用说明271 .系统设计1.1 设计要求制作车载正弦波逆变电源，输入DC1» 3V直流，输出220V/50H

4、Z的正弦波， 满载时输出功率50W效率不小于80%输出波形失真度小于5%具有输入过压 和欠压，输出过流和负载短路保护等功能。1.2 总体设计方案1.2.1 设计思路题目要求设计一个车载正弦波逆变电源，输出电压波形为正弦波。设计中主 电路采用电器隔离、H桥逆变技术，控制部分采用SPWM（弦脉冲调制）技术，利 用逆变元件电力MOSFET驱动脉冲调制，使输出获得交流正弦波的稳压电源。1.2.2 方案论证与比较1 .DC-DC实现变换器的方案论证与选择方案一：推挽式DC-D吸换器。推挽电路是两个不同极性晶体管输出电路无 输出电压器（有OTL,OC邙）。是两个参数相同的功率BJT管或MOSFET,以推

5、挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务。 电路工作中，两只对称 的功率开关管每次只有一个导通， 所以导通损耗小，功率高。推挽输出级既可向 负载灌电流，也可从负载抽取电流。方案二：Boost升压式DC-D喙换器。拓扑结构如图1.2.2所示。开关的开 通和关闭受外部PWMJ号控制，电感L将交替地存储和释放能量，电感储能后使 电压上升，而电容C可将输出电压保持平稳，通过改变PW棉制信号的占空比可 以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流升压，电路结构较简单，损耗 较小，效率比较高。方案比较：方案一和方案二都适用于升压电路， 推挽式DC-D喙换器可由高 频变压器将电压升至任何值。Boos

6、t升压式DC-D喙换器不使用高电频变压器， 由12V升至312V, PWM1号的占空比比较低，会使得Boost升压式DC-D吸换器 的损耗比较大。综上所述，采用方案一。2 .辅助电源的方案论证与选择方案一：采用线性稳压器LS780s方案二：采用Buck降压式DC-D吸换器。方案比较：方案一的优点在于可以使用很少.'元器件构成辅助电源，但是效率较低。方案二的优点在于效率高达90%缺点 是需要很多元器件，使得成本较高稳定性较差。考虑此次设计不是产品，在满足 要求的情况下选择最优方案，最终决定采用方案一。1.2.3系统组成系统方框图如图1.2.7所示，先采用DC-D喙换器把12V蓄电池的电压

7、升至 312V,保证输出真有效值为220V的正弦波不出现截止失真和饱和失真。输出电 压反馈采用调节SPWMF号脉宽方式。该系统采用两组相互隔离的辅助电源供电， 一组供给SPWMF号控制器使用，另一组供给输出电压、电流测量电路使用，这 样避免了交流输出的浮地和蓄电池的地不能共地的问题。因为SPWME制器输出的SPWMF号不含死区时间，所以增加了死区时间控制电路和逆变 H桥驱动电路。 空载检测电路使得当没有负载接入时，让系统进入待机模式，当有负载接入时， 才进入逆变工作模式。同时，空载检测电路也作为过流保护的采样点。图1-2-1系统原理框图2 .单元硬件电路设计2.1 DC-DC升压模块DC-DC

8、M压电路的基本原理：DC-DCM压驱动板，采用的是很常见的线路， 用一片SG352弦现PWMJ输出，后级用二组图腾输出，驱动 RUI190N08板上 有二个小按钮开关，S1,S2, S1是开机的，S2是关机的，可以控制逆变器的启动和停机。这驱动板，是用J3,J4接口和功率板相连的，其中J3的第1P为限压反 馈输入端。2.1.1 开关板的设计控制系统的开关板设计如图2-1-2所示：开机、关机由具有自锁功能的继电 器进行控制，这里的8050三极管起到开关电路的作用当 S1按键按下时8050晶 体管基极导通从而集电极到发射极有电流三极管处于导通状态，继电器工作，A1导通有电压输入，S2键按下三极管处

9、于断开状态，继电器不工作从而A1,A2断开。原理图如图2-1-2所示图2-1-2开关板电路图2.1.2 PWM固定频率的产生PW快形产生原理图如图2-1-3所示图2-1-3 PWM波的产生电路图p/REFyS 算管EB管C.地入管E:闭锁控制 ,补偿PWMI定频率是由SG3525K片产生。SG3525K片的资料见如下: 管脚说明：I U1反向输入端 同巾输入端 向法瑞 振荡器输出CT RT 放电端 软启动端SQ3525图中11与14脚输出两路互补的PWM：,其频率由与引脚1:误差放大反向输入引脚2:误差放大同向输入引脚3:振荡器外接同步信号输入端引脚4:振荡器输出端引脚5：振荡器定时电容接入端

10、引脚6:振荡器定时电祖接入端引脚7：振荡器放电端引脚8:软启动电容接入端脚9: PW此较补偿信号输入端引脚10:外关断信号输入端引脚11：输出A引脚12:信号地引脚13:输出级偏置电压接入端引脚14:输出端B引脚15:偏置电源输入端引脚16:基准电源输出端5、6管脚所连的R C决定。PWM!率计算式如下：f=1/C5(0.7R15+3R16)，调节6端的电阻即可改变PW嘛出频率。同时，芯片内部16脚的基准电压为5.1V采用了温度补偿，设有过流保护电路，5.1V反馈到2端同向输入端，当反向输入端也为 5.1V时，芯 片稳定，正常工作。若两端电压不相等，芯片内部结构自动调整将其保持稳定。在脉宽比较

11、起的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化，由于结构上有电压环河电流环双环系统， 因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，目前比较理想的新型控制器。R和C设定了 PWM 芯片的工作频率，计算公式为 T=(0.67*RT+1.3*RD)*CT 。冉通过R13和C3反馈 回路。构成频率补偿网络。C6为软启动时间设定电容。2.1.3增加驱动用一片SG352弦现PWM勺输出，后级用二组图腾输出，增加驱动，驱动后 级的RUI190N8该电路中由一对三极管8050(NPN剂8550(PNP即成图腾电

12、路， 用于功率放大器和稳压电源中用于功率放大器和稳压放大器。本系统中用于功率放大，驱动后级电路。2.2 PWM驱动模块2.2.1 TDS2285 产生 PWNftSPWM1核心部分采用了张工的TDS228弹片机芯片,用其产生为功率主板产 生占空比变化的矩形波，通过 H桥产生所需的正弦波。U3,U4组成时序和死区电 路，末级输出用了 4个250光藕，H桥的二个上管用了自举式供电方式，这样做 的目的是简化电路，可以不用隔离电源，该模块原理图如图2-2-1所示：图-12.2.(1)、该模块中是由T2-2-2 :产生PTM； TDS2285勺芯片各管脚资料如图1图2-2-1PWMB区动电路图1.该模块

13、所采用的是TDS2285E片，其管脚如图2-2-2所示日1PGQOD FT 外接振荡输入J_ r 外接振荡输足二3VCC，芯片工作指示-DSPAVM P 广 OTDS2285II1312111098图2-2-2TDS2285管脚图2.该模块中TDS2285K片的工彳乍原理图2-2-3如：无定义 7图 2-2-3 TDS2285 产生 PWM该芯片的6、7管脚生成交流电正、负半周调制波输出引脚，输出SPWMc冲, 其频率有接在2、3管脚间的品振来决定。9脚为故障报警输出端，通常驱动一 蜂鸣器，同时配合5脚LED的状态，当蓄电池电压输入出现过压或低压时， 该蜂 鸣器随LED指示灯每隔1秒报警一次，

14、当出现交流过流或者短路时，该蜂鸣器随 LED指示灯每隔0.5秒报警一次。13脚为检测蓄电池电压，当13脚的电压超过 3V或低于1V时，逆变停止工作，并进入欠压或过压故障状态。通过外接蓄电池 上分压来实现。10脚为交流电压稳压反馈输入，实时检测功率主板输出的交流 正弦波输出电压变动范围，并作调整输出达到稳定输出电压的目的。2.2.2 死区电路的设计死区电路接在TDS2285r生两路PWMK的后面，具结构如图2-2-4所示， 死区电路是由RC与MM74HC00非门构成延时，防止功率主板上H桥发生直通现 象，对前级短路进行了保护。图2-2-4死区电路的结构2.2.3 H桥驱动电路设计H 桥驱动电路接

15、在死区电路后级，由四个高速光电耦合TLP250芯片构成,让开关信号通过，电瓶电压隔离，其原理如图2-2-5所示。图2-2-5 H桥驱动电路图2.2.4 驱动电源的广生由于光电耦合TPL250工作电压为15V,而系统只提供12V的电瓶电压，故图2-2-6 15V 电源广生电路图2.3 功率主板模块功率主板是产生220V、50HZ正弦波的关键部分所在。主板包括了DC-DCt挽升压和H桥逆变两部分。1号板送过来的两路PWMK送至变压器两端，电瓶电 压经过滤波电容后送至变压器的抽头处，经过变压器后输出其电路如下图所示。图2-3-1功率主板电路图2.3.1 脉冲升压、滤波1号板送过来的两路PWMfc送至

16、变压器两端，电瓶电压经过滤波电容后送至 变压器的抽头处，经过变压器后输出，经过电桥整流，RC8波后输出约为312V的直流电压。直流电压一路反馈到一号板芯片的SG3525勺1脚，一路输出到H桥逆变电路。2.3.2 单相桥式PWME变电路H桥式逆变电路由四个IRFP460场效应管构成的桥，由经变压器升压后的312V直流电压与3号板产生的PWMft同时经过H桥逆变，在经过RC8波，即可2.4 保护电路模块该系统是由直流边交流，弱点变为强电。故对系统进行必要的安全保护是必 须的，在对系统进行调试时必须要注意安全。系统除了芯片本身具有的保护措施 外，还对系统进行了专门的保护，具体如下。2.4.1 过载保

17、护电路（慢保护）慢保护是对输出线的一路电流进行测试，并进行保护。采用5A/5MA的电流互感器进行慢保护。从电流互感器出来的交流电经DB107进行整流，后经采样，与LM393的比较器基本电压0.45v进行比较，如大于基准电压，经进行报警，并 反馈到前级，发出报警。系统经过自动调整对其进行保护。慢保护电路如图2-4-1 所示。图2-4-1慢保护电路图2.4.2 短路保护电路（快保护）短路保护即防止功率主板中 H桥的两个CMO篱同时导通，当其同时导通时, 输出312V的电压，进过分压，与LM393的基准电压1.45V进行比较，若大于基3 .系统调试3.1测试使用的仪器厅P名称、型号、规格数量1数字示

18、波器12UT70徵字万用表13函数信号发生器13.2指标测试和测试结果3.2.1 单独调试DC-DC驱动板（1号板）1 .基本工作情况调试：板子装完后，12V直流电+、-极接入J4的3脚、5脚，按一下S1开关，能 够听到继电器吸合的声音，驱动板就开始工作了，测一下工作电流，一般应该在 40MA左右，将示波器探头接到图中 PWM输出处，应该看到二路互为相反的 PWM波输出，记录波形，PWM占空比是否比较大，频率在 28K左右，幅度为 12V,如果频率偏离太多，可以调节 C5和R15,调节电阻阻值，使频率达到期 望的值。按S2开关，可以关断U1芯片的供电，目的是使逆变器停止工作。2 .电压反馈情况

19、调试：用一个10K固定电阻和一个20K电位器，接成可调节的电阻，连接 A1和 J3的1脚之间，调节电位器该20K的电位器使U1的1脚电位能够调到5.1V, 观察二路互为相反的PWM波输出的占空比，这时占空比变窄了。调节电位器使U1的1脚电位偏离5.1V,观察占空比的变化。能够改变即可 进行升压调节（控制）。调试完毕拆除连接A1和J3的1脚之间临时调试用的10K 固定电阻和一个20K电位器。3 .保护情况调试：当逆变部分保护的同时，会向升压控制回路提出保护，高电平保护，低电平 不保护，因此，当J3的2脚接高电平时，应该会关闭 PWM输出。调试时用1 个开关进行实验。用示波器观察波形，验证保护效果

20、。调试完毕拆除调试用的开 关。4 .2.2单独调试SPWM驱动板（3号板）1.基本工作情况调试：装好板子后，接上12V电源，总电流应该在120-130MA左右。用万用表测C22二端应该在19V左右，C23二端为15V,测该板的U1的1 脚对14脚是否为5V,表明直流电正常，否则查找二次供电电源问题。无反馈时，就可以用示波器在SPWM输出端测到SPWM波形。记录该波形。 2.电压反馈情况调试：假输出电压产生办法是利用调压器和FB离变压器产生有效值可以高于 220V 的交流电，即交流220V通过调节器调到110V,通过110V/220V隔离变压器升 压到220V,如果调压器调的电压高于110V,则

21、隔离变压器输出就高于 220V。拔调TDS2285芯片，然后隔离变压器输出接线柱各接 1个200K电阻，接 到3号板的J2的23脚和24脚，隔离变压器使输出就220V。用万用表测量U1 的10脚电压，调节R7,使万用表测得值为2.5V断电，插上TDS2285芯片，记 录”正常输出220V”时的PWM波形，与无反馈时的波形比较，占空比是否变 窄了。1.1.1 变电压过压保护情况调试：当直通快保护和过载慢保护时，会向逆变控制器TDS2285提出保护，高电平保护，低电平不保护，因此，当 J1的9脚接高电平时，应该会关闭PWM输 出。调试时用1个开关进行实验。用示波器观察波形，验证保护效果。调试完毕

22、拆除调试用的开关。3.2.3 整机调试先在电瓶的引线上接一个15A的保险丝，功率主板上的高压保险丝不要装， 这样，前后级就分开了。插上前级 DC-DC驱动板，把万用表直流电压 700V档 接在高压电解二端，开机（按一下 DC-DC驱动板上的ON启动开关），前级就 启动了，功率主板上的高压指示 LED就亮了，这时，看直流高压为几 V。调试 DC-DC驱动板上的R12多圈电位器，使高压输出在 370-380V之间。此时，12V 的电流应该在200MA之内，说明前级正常。这里如果看 D极波形，应该是杂乱 的波形，因为是空载限压的状态下，这样的波形是对的。3.2.4 保护电路调试用稳压源提供电压，作为

23、保护电路的测试电压，测 J2-2的3脚的电压变化。 3.2.5后级调试调好前级后，再把前级的DC-DC驱动板拔下，在功率主板的高压保险丝座 上，装上一个1A左右的保险丝，在高压电解二端接上一个 60V左右的电压，作 为母线电压（可用一台双组的30V电源串起来当成60V用）。插上SPWM驱动板，如果电路没有问题，这时，在 AC输出端就可以测到正弦波了，电压大约在 40V左右3.2.6 联机调试在前后级都正常的情况下，可以把前后级联起来，完成整机调试。把前级的DC-DC驱动板重新插上，后级AC输出端的负载去掉，接上示波器（示 波器最好用1: 100的高压探头）和万用表（AC700V档），把高压保险

24、丝换成 一个0.5A的。下面要做的事是：开机！即按一下DC-DC驱动板的启动开关，成 败在此一举，如果后级元件耐压没有问题，此时，应该在示波器上看到正弦波了。这里，调整SPWM驱动板的多圈电位器R7,就可以看到输出电压在变化，把它 调在225V左右停下。3.2.7 输出正弦波的测试将示波器的笔接到输出端，观察正弦波的波形，幅度及其频率，记下数值。3.2.8 输出功率与效率的测试输出功率的定义：即为电源把其输入功率转换为有效输出功率的能力。测试框图如下图所示。供电电源图1.2.Z 忧号-被测电源先如图布置好测试电路后，进行如下步骤调试：1 .各电路输出电压、电流测量同时进行。2 .开启所有设备、

25、记录输入功率数值及各点输出电压，电流值。3 .计算输入功率Pi=Ui*Ii ,输出功率值Po=Uo*Io.4 .效率 n=Po/Pi*100%,Pi 为输入。5 .3结果分析经过测试后，题目的基本要求都已完成，各项指标都完成的比较好。在输出 功率为23.6w的情况下，效率达到93%。同时该电路还具有短路保护、空载保护, 过流保护的功能。参考文献1 .刘凤君.实用电源技术丛书-正弦波逆变器（第一版）.科学出版社，2002, 1-3.2 .（英）Marty Brown.开关电源设计指南，徐彳惠鸿、沈旭、杨成林、周邓燕等译（第 二版）.机械工业出版社，2004, 230.3 .王兆安，黄俊等.电力电

26、子技术（第4版）.机械工业出版社，2009, 132-140.4 .陈国呈.PWME频调速及软开关电力变换技术第一版）.机械工业出版社，2001, 25-270.5 .曾毅，王效良，吴皓，张朝平.变频调速控制系统的设计与维护（第二版）.山东 科学出版社，2002, 54-61.6 .赵修科.实用电源技术手册-磁性元器件分册第一版）.辽宁科学技术出版社， 2002, 36-62.7 .张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计（修订版）.电子工业出版社，2004, 306-310.8 .周志敏，周纪海.开关电源实用技术设计与应用（第一版）.人民邮电出版社，2003, 345.附录一元件清单:元器件型号数量备注电阻300K1个200K3个150K/2W1个100K2个36K1个22K5个15K2个12K1个10K12个3K2个2.2K2个1.5K2个1.8K1