车载逆变电源的设计

1、电力电子技术课程设计报告车载逆变电源的设计-指导教师:-学生:-学号:-专业:-班级:-设计日期:-学院2012年12月课程设计指导教师评定成绩表 指导教师评定成绩:指导教师签名:年月日自动化学院2010级自动化专业电力电子技术课程设计任务书一、课程设计的教学目的和任务电力电子技术是研究利用电力电子器件、电路理论和控制技术,实现对电能的控制、变换和传输的科学,其在电力、工业、交通、通信、航空航天等很多领域具有广泛的应用。电力电子技术不但本身是一项高新技术,而且还是其它多项高新技术发展的基础。因此,提高学生的电力电子领域综合设计和综合应用能力是教学计划中必不可少的重要一环。通过电力电子技术的课程

2、设计达到以下几个目的:1、培养学生文献检索的能力,特别是如何利用Intel网检索需要的文献资料。2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、提高学生的电力电子装置分析和设计能力。5、提高学生课程设计报告撰写水平。二、课程设计的基本要求1. 教师确定方向,在教师的指导下,学生自立题目注意事项:所立题目必须是某一电力电子装置或电路的设计,题目难度和工作量要适应在一周内完成,题目要结合工程实际。学生也可以选择规定题目方向外的其他电力电子装置设计,如开关电源、镇流器、UPS电源等,但不允许选择其他班题目方向的内容设计(复合变换除外。通过图书馆和I

3、ntel网广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料,确定适应自己的课程设计题目。自立题目后,首先要明确自己课程设计的设计内容。要给出所要设计装置(或电路的主要技术数据(如输入技术数据,输出技术数据,装置容量的大小以及装置要具有哪些功能。如:直流电动机调压调速可控整流电源设计首先阐述清楚调压调速可控整流电源要完成的功能然后给出主要技术数据输入交流电源:三相380V 10% f=50Hz直流输出电压:0220V50220V范围内,直流输出电流额定值100A直流输出电流连续的最小值为10A设计内容:整流电路的选择(方案的论证整流变压器额定参数的计算晶闸管电流、电压额定的选择平波电抗器电感值的计算

4、(主要参数计算保护电路的设计触发电路的设计2. 在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力。要求具体电路方案的选择必须有论证说明,要说明其有哪些特点。具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计,必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上,经过刨析、提炼,设计出所要求的电路(或装置。课程设计中要不断提出问题,并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。(注意:所确定的主电路方案如果没有论证说明,成绩不能得优;设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇,且文中有引注,否则也不能得优。3. 在整个设计中要注意培养独立

5、分析和独立解决问题的能力。要求学生在教师的指导下,独力完成所设计的系统主电路和控制电路等详细的设计(包括计算和器件选型,严禁抄袭。4. 课题设计的主要内容是主电路的设计,主电路的分析说明,主电路元器件的计算和选型,以及控制电路设计。5. 课题设计报告要求图表规范,文字通顺,逻辑性强。6. 课题设计报告字数要求为6000字左右。(A4纸打印8页左右三、课程设计的工作计划课程设计时间6天。第1天上午,指导教师向学生讲授课程设计的目的、任务、设计方法和注意事项。第1天下午和第2天学生到图书馆和Intel网上按照指导教师的要求查找所需要的文献,并在阅读分析中确定自己的研究题目、技术数据和设计内容,交指

6、导教师审阅。第3天学生的主要任务是确定方案。第4天至第6天,学生的任务是综合所学知识,进行主电路和控制电路的设计,在老师指导下撰写课程设计报告。四、各班的题目方向1班题目方向:相控整流技术的工程应用2班题目方向:交流调压或调功技术的工程应用3班题目方向:斩波技术的工程应用4班题目方向:无源逆变技术的工程应用注:星期五检查所有学生课程设计报告的题目和规范性,指出修改内容。17周星期一提交所有毕业设计打印报告和电子档(要求同时提交参考文献中小论文和硕士论文的电子档车载逆变电源的设计目录1.引言 (12.车载逆变电源设计的基本要求 (22.1主要技术数据 (22.2车载电源的要求(性能要求 (22.

7、3 设计内容 (22.4 电路主要用途及功能介绍 (23.电路总体方案的设计及相关原理 (33.1 系统基本原理指标 (33.2 方案设计 (34.相关电路设计及参数计算 (44.1 相关电路的设计及原理 (44.2 相关参数的计算 (55.控制电路的设计 (75.1 前级控制电路 (75.2 后级控制电路 (86.保护电路的设计 (86.1输入过电压保护电路 (86.2输出过电压保护电路 (96.3输出过电流保护电路 (107.课程设计总结 (11参考文献 (11车载逆变电源的设计1 引言车载逆变器是一种将汽车上的21V(柴油车为24 V直流电转换为家庭里通常使用的220V/50Hz交流电的

8、电子装置,供一般电器使用,是一种方便的车用电源转换器。车载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逆变器连接蓄电池带动电器及各种工具工作。有了它就可以在汽车上使用通常在家庭里才能使用的电器,比如电视机、DVD、冰箱、笔记本电脑、打印机、传真机、游戏机、摄像机、数码相机等设备。通常,通过点烟器输出的车载逆变器的功率为20150W,再大一些功率的车载逆变器要通过连接线接到电瓶上,可以带动电钻、电热水器、微波炉等大功率电器。在交通发达的欧美国家,车载逆变器早已成为每辆汽车的必备工具。中国进人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

9、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。从输出波形来分,车载逆变器可以分为正弦波输出和方波输出两种。前者的输出是与电网一样的正弦波交流电,可以适应各种负载,但电路结构比较复杂,体积也较大;后者电路非常简单,但对负载比较挑剔,不能驱动感性负载。结合两者的优点,目前市售的车载逆变器无一例外都采取了准正弦波输出的方案,其性能介于正弦波输出和方波输出之间,与方波相比使用效果有所改善,不仅能驱动感性负载,并且具有体积小、重量轻、转换效率高、输出电压稳定、可靠性高、保护功能完善等特点1。2 车载逆变电源设计的基本要求2.1主要技术数据输入电压:DC 10V

10、14.5V环境温度:-25 +402.2车载电源的要求(性能要求输出电压:AC 200V220V±10%输出频率:50Hz±5%转换效率:大于85%2.3设计内容主电路设计参数的选择、设定DC/DC升压斩波电路设计DC/AC逆变电路设计保护电路设计控制电路设计2.4电路主要用途及功能介绍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

11、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。要选择专业的正规的工厂生产或经销代理的车载逆变器产品。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、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

12、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,所以最好选正弦波或修正正弦波形的最新型的车载逆变器2。3 电路总体方案的设计及原理3.1 系统基本原理指标车载逆变器是一种能够将 DC/12V 直流电转换为和市电相同的 AC/220V 50Hz的交流电,供一般电器使用,是一种方便的车用电源转换器。通常设备工作空间狭小,环境恶劣,干扰大。因此对电源的设计要求也很高,除了具有良好的电气性能外,还必须具备体积小,重量轻,成本低,可靠性高,抗干扰强等特点。3.2方案设

13、计该设计电路的整体方框图如图1。该电路由12V直流输入以及输入过压保护电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路、升压斩波电路、逆变电路、控制电路等组成。12V直流电压经过升压斩波得到320V直流电压,再经逆变电路,通过调制得到220V, 50Hz交流电。控制电路通过控制斩波电路和逆变电路来控制整个电路的工作。其中输入过压、输出过压、过流保护电路构成整个电路的保护电路。一旦输入电压出现过大或者过小时,保护电路立即启动,然后停止工作。输出过压保护电路和输出过流保护电路与逆变电路构成反馈回路,一旦电路输出异常则停止逆变电路的工作。 图1 整体原理方框图4 相关电路设计及参数计算4.1 相关电路的设计

14、及原理直流变换电路由DC/AC和整流滤波电路组成。系统前级高频逆变电路采用推挽变换电路,以适应低压大电流输入情况。电路结构如图2。Q1和Q2的基极分别接TL494的两个内置晶体管的发射极。中心器件变压器T1,实现电压由12V脉冲电压转变为320V脉冲电压。此脉冲电压经过整流滤波电路变成320V高压直流电压。变压器T1的工作频率选为50KHz左右。电路正常时,TL494的两个内置晶体管交替导通,导致图中晶体管Q1、Q2的基极也因此而交替导通,Q3和Q4也交替导通,这样使变压器工作在推挽状态,Q3和Q4以频率为50KHz交替导通,使变压器的初级输入端有50KHz 的交流电。当Q1导通时,场效应管Q

15、3因为栅极无正偏压而截止,而此时Q2截止,导致场效应管Q4栅极有正偏压而导通。当Q1导通时,Q2截止,场效应管Q3因为栅极无正偏压而截止,而此时Q2截止,导致场效应管Q4栅极有正偏压而导通。且交替导通时其峰值电压为12V,即产生了12V/50KHz的交流电。极性电容C3滤去12V直流中的交流成分,降低输入干扰3。滤波电容C1可取为2200uF。整流滤波电路由四只整流二极管和一个滤波电容组成。四只整流二极管D3D6接成电桥的形式,称单相桥式整流电路。在桥式整流电路中,电容C4滤去了电路中的交流成分,此处滤波取值为10uF。图中的推挽场效应管Q3,Q4在工作时会通过大电流,经过计算电流约为19A,

16、故场效应管的型号选择IRF650A.其最大耐压值为200V,电流为32A,满足要求。 图2 DC/DC变换电路DC/AC 电路结构如图3所示,该变换电路为全桥桥式电路。由集成芯片ICL8038产生的50Hz 正弦波一路输入SG3525A 内部与锯齿波比较产生两路互补的正弦波调宽脉冲分别由SG3525A 的高输出端和低输出端输出。在本次设计中,SG3525A 输出的调宽脉冲并不直接用来驱动全桥电路。而是分别输入两个与门的一个输入端。由ICL8038产生的正弦波经相应处理后转化为两列相位互补的50Hz 方波,两列方波信号分别输入两个与门电路的另一个输入端,经过相与后可以去掉SG3525A 输出的调

17、宽波的半个周期的瞬间方波脉冲,这样可以使避免输出的正弦波形中的杂波干扰,使得输出波形更加完4。同时这种方式可以减少开关管的损耗,增加开关管的可靠性,提高逆变电源的效率。 图3 DC/AC 变换电路4.2相关参数的计算1.变压器参数计算在本次设计中,变压器输出直流电压:OD U =ID U Y N /F N 2OA U =311V因电路有一定的损耗,考虑一定的裕量,故设定直流输出电压320V ,Y N 为变压器原边绕组匝数,F N 为升压变压器副边绕组匝数,ID U 为原边直流电压,OA U 为交流电压输出有效值220V 。考虑全桥电路每个桥臂上的开关管导通压降为1V 的肖特基整流管的导通压降为

18、0.5V ,则有公式: 设定本逆变电源系统功率的传递效率为9.0 e ,所以而计算变压器 副边和原边的匝数比为: F N /Y N =222.开关管的选取在逆变电源中,场效应管应当能承受320V 的直流高压电,考虑到电压波动以及一定的裕量,场效应管的电压参数应大于400V,参照场效应管的参数表,故选用型号为IRF820A 的场效应管。其耐压值为500V,最大电流为2.5A 。足以满足逆变电源320V以及最大电流1A 的要求。3.输出滤波电感选取输出滤波电感之所以能够提高输出波形的质量是因为逆变器输出波形的高次谐波主要降落在电感两端,要保证输出电压的谐波含量较低,滤波感的高频阻抗与滤波电容相比不

19、能过低,因此电感值不能取得太小。增加感量可以有效的抑制低次谐波,但是增大电感量其体积和重量以及电感上线损也会相应增加。电感值越大,动态响应时间越长,波形畸变严重,减小电感,可以改善动态特性,但是电流纹波增大,故电感的取值要综合考虑。本设计选取电感电流的纹波为输出电流Iac 的30% 实际取Lf=5.5mH 。4.输出滤波电容选取滤波电容的作用是和滤波电感一起滤除电压中的高次谐波,保证输出电压THD 的要求,Cf 越大,THD 越小,流过逆变器的无功电流增加,增加逆变器的电流晷量,同时导致系统的体积增大,效率降低。滤波电容过小将会导致输出电压的失真度变大。滤波电容的选取原则是在满足THD 的条件

20、下,取值尽量小。在滤波电容选取时,一般无功电流Icf<=0.5Iac 。Iomix 为输出电流最大有效值。 同时滤波器的截止频率不高于1KHz, 得到Cf4.6uf,实际取Cf为5uf/250VAC。为了避免在空载时电容过渡充电在其输出端并联电阻RL=100K。5 控制电路的设计5.1前级控制电路前级推挽逆变电路由50HZ脉冲产生芯片TL494控制, 其外围电路如图4所示 图4 TL494外围电路图15脚为芯片TL494的反相输入端,16为同相输入端,电路正常情况下15脚电压应略高于16脚电压才能保证误差比较器II的输出为低电平,才能使芯片内两个三极管正常工作。因为芯片内置5V基准电压源

21、,负载能力为10mA。所以15脚电压应高于5V。过热保护的R42为200,则15脚的电压为6.22V大于16脚电压。14脚输出基准电压,因为推挽电路为双端输出,故将输出控制端13脚与14脚连在一起。12脚为电源端,接外部12V 电压。8、11脚末级三极管集电极,此处亦接外接电源。9、10引脚用于输出50K的脉冲来控制开关管。7脚为接地端,5、6脚外接震荡电阻和电容用于控制输出脉冲频率。4脚为死区控制端其上加0-3.3V电压时,可使截止时间从2%线性变化到100%,本设计中用于实现输入的过压保护和欠压保护。5.2后级控制电路此系统的控制核心电路是ATmegal6单片机电路,主要完成以下2个方面的

22、工作: 1输出SPWM控制信号到驱动电路,控制逆变桥的通断;2对输出电压进行AD采样。利用ATmegal6的8位AD定时采集逆变器输出电压经过交流电压传感器及检测转换后反馈到单片机的AD口逆变器输出电压作为反馈,在CPU内部构成电压闭环,用软件实现PI调节,保证零误差调节,使输出电压有效值恒定,不受负载变化影响。为保证输出电压不至于在AD采样误差范围内频繁跳动,还必须应用软件滤波,对输出电压微调。控制电路如图5所示。 图5 ATmega16的外围电路图6 保护电路的设计6.1输入过压保护电路电源输入过压保护电路如图6所示:VCC为电源电压,VCC通过R1和R2产生一个分压,该分压加到脉冲产生芯

23、片TL494的引脚1,即误差放大器同向输入端,引脚2为反相输入端,电路正常情况下2脚电压应略高于1脚电压才能保证误差比较器I的输出为低电平,才能使芯片内两个三极管正常工作。由于引脚2与基准电压输出端14脚相连,则引脚2的电压为基准电压5V。但是当输入电压过高超过15V时,1脚处的电压则会高于5V,即高于2脚的电压,则误差放大器输出高电平,则TL494停止工作,从而实现过压保护5。 图6 输入过压保护电路6.2输出过压保护电路输出过压保护电路结构如图7,电阻R41和R42对输出电压进行采样,当输出电压过高时将导致稳压管D15击穿,使SG3525A芯片的10脚对地的电压升高,使芯片SG3525A

24、停止输出驱动脉冲,切断输出。设允许输出的最高电压为230V。稳压管的稳压值一般规定为输出电压的130%150%。后继电路为220V/50Hz输出,其中电阻R41为100K,可取为4.7K,根据电路分压知识,则R2上的电压为:230×4.7÷104.7=10V对照常用稳压管的参数表,用于输出过压保护的稳压管型号为1N5240A,其稳压值为10V,最大耗散功率为0.5W,最大工作电流为45mA,满足电路要求。 图7 输出过压保护电路图车载逆变电源的设计 6.3 输出过流保护电路 输出电流保护电路如图 8 所示： 图 8 输出过流保护电路图 电流采样由电流互感器 T2 完成， 电

25、流互感器的原边直接串联在逆变电源的输出端， 原边的工频电流会在副边感生出感应电流。 该感生电流经过整流滤波之后通过分压电阻 R20 转化为电压信号，然后将该电压信号输入到电压比较器 U2A 的反向端，通过与正向 端的基准电压比较来输出相应的电平信号，该电平信号输入驱动芯片 IR2110 的控制端 SD 实现对电路的保护功能。 此处设定输出最大电流为 1.2A,电流互感器的原副边匝数比为 1：120.则当输出电 流达到 1.2A 时，在副边会感生出 10mA 的电流，经过整流桥和滤波电容的整流滤波之后 转换为稳定的直流电流，经过可变电阻 R20 后在运放的反向端输入一个电压，取 R20 为 1K,则反向端电压为 5V。调整 R19，使得正向端的电压也为 5V,则当电流大于 1.2A 时， 运放输出低电平，则 Q10 集电极向 IR2110 的 SD 脚输出高电平，逆变器停止工作，从而 实现过流保护。 10 车载逆变电源的设计 7 课程设计总结 通过这一次长达一周的课程设计，阅读大量的文献资