车载逆变电源设计

11.系统设计1.1设计要求制作车载正弦波逆变电源，输入12V直流，输出220V，50Hz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%，当负载从空载到满载变化时，输出电压有效值稳定度高于3%；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（正弦脉冲调制)技术，利用逆变元件电力MOSFET的驱动脉冲调制，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-DC变换器。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,OCL等)。是两个参数相同的功率BJT管或MOSFET管，以推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:Boast升压式DC-DC变换器。开关的开通和关断受外部PWM信号控制，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PWM控制信号的占空比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:方案一和方案一都适用于升压电路，推挽式DC-DC变换器可由高2频变压器将电压升至任何值。Boost升压式DC-DC变换器不使用高电频变压器，由12V升至320V,PWM信号的占空比比较低，会使得Boost升压式DC-DC变换器的损耗比较大。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LS7805方案二:采用Buck降压式DC-DC变换器。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。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）系统方框图如图1.2.1所示，先采用DC-DC变换器把12V蓄电池的电压升至320V，保证输出有效值为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SPWM信号脉宽方式。该系统采用两组相互隔离的辅助电源供电，一组供给SPWM信号控制器使用，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SPWM控制器输出的SPWM信号不含死区时间，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。3图1.2.12单元硬件电路设计2．1DC-DC升压模块DC-DC升压电路的基本原理:DC-DC升压驱动板，采用的是很常见的线路，用一片SG3525实现PWM的输出，后级用二组图腾输出，增加驱动，驱动后级的RUI190N8。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。原理图如图2-1-1所示。过流保护PI调节器工频LC滤波负载控制电路渐变桥逆变欠压保护12V蓄电池高频升压逆变过流保护整流4图2-1-1DC-DC升压电路图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键按下三极管处于断开状态，继电器不工作从而Al,A2断开。原理图如图2-1-2所示图2-1-2开关板电路图52.1.2PWM固定频率的产生PWM波形产生原理图如图2-1-3所示图2-1-3PWM波形产生原理图PWM固定频率是由SG3525芯片产生。SG3525芯片引脚图如图2-1-4所示，SG3525芯片资料见如下:图2-1-4SG3525芯片引脚图6管脚说明:引脚1:误差放大反向输入引脚9:PWM比较补偿信号输入端引脚2:误差放大同向输入引脚10:外关断信号输入端引脚3:振荡器外接同步信号输入端引脚11:输出A引脚4:振荡器输出端引脚12:信号地引脚5:振荡器定时电容接入端引脚13:输出级偏置电压接入端引脚6:振荡器定时电阻接入端引脚14:输出端B引脚7:振荡器放电端引脚15:偏置电源输入端引脚8:软启动电容接入端引脚16:基准电源输出端图中11与14脚输出两路互补的PWM波，其频率由与5、6管脚所连的R,C决定。PWM频率计算式如下:f=1/[C5(0.7R15+3R16)],调节6端的电阻即可改变PWM输出频率。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。在脉宽比较起的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放人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，日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。再通过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SG3525实现PWM的输出，后级用二组图腾输出，增加驱动，驱动后级的RUI190N8。该电路中由一对二极管8050(NPN)和8550(P1P)组成图腾电路，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。2.2PWM驱动模块2.2.1TDS2285产生PWM波7SPWM的核心部分采用了TDS2285单片机芯片，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2-2-1PWM驱动电路图1.该模块采用的是TDS2285芯片，其管脚如图2-2-2所示图2-2-2TDS2285芯片管脚图82.该模块TDS2285芯片工作原理图如图2-2-3所示图2-2-3TDS2285芯片工作原理图该芯片的6、7管脚生成交流电正、负半周调制波输出引脚，输出SPWM脉冲，其频率有接在2、3管脚间的晶振来决定。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，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。2.2.2H桥驱动电路设计H桥驱动电路接在死区电路后级，由四个高速光电耦合TLP250芯片构成，其原理图如图2-2-4所示9图2-2-4H桥驱动电路图2.2.3驱动电源的产生由于光电耦合TPL250工作电压为15V，而系统只提供12V的电压，要经过升压模块。该系统采用MC34063芯片，专用于三端稳压78L15作为输出。其原理如图2-2-5所示。图2-2-515V电源产生电路图102.3功率主板模块功率主板是产生320V,50Hz正弦波的关键部分所在。主板包括了DC-DC推挽升压和H桥逆变两部分。1号板送过来的两路PWM波送至变压器两端，电平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图2-3-1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PWM波送至变压器两端，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，经过电桥整流，RC滤波后输出约为453V的直流电压。直流电压电路反馈到一号板芯片的SG3525的1脚，一路输出到H桥逆变电路。2.3.2单相桥式PWM逆变电路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453直流电压与3号板产生的PWM波同时经过H桥逆变，再经过RC滤波，即可得到320V,50Hz的正弦波。其原理如图2-3-2所示。11图2-3-2单相桥式PWM逆变电路2.4保护电路模块该系统是由直流变交流，弱电变为强电。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，若大于基准电压，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。12图2-4-1慢保护电路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COMS管同时导通，当其同时导通时，输出453的电压，经过分压，与LM393的基准电压1.45V进行比较，若大于基准电压，则输出报警，并通知前级进行保护措施。导通电压经过加在0.1/5W的采样电阻上接地，使输出安全。其电路如图2-4-2所示。图2-4-2短路保护电路13参考文献1.刘风君.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)MartyBrown.开关电源设计指南，徐德鸿、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.电力电子技术（第4版）.机械工业出版社，2009,132-1404.陈国呈.PWM变频调速及软幵关电力变换技术〔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.幵关电源的原理勹设计(修订版).电子工业出版社，2004，306-310.8.周志敏，周纪海.幵关电源实用技术设计与应W(第一版).人民邮电出版社，2003,345.14心得体会15元器件清单器件器件参数器件数目电阻300k1电阻200k3电阻150k/2w1电阻100k2电阻36k1电阻22k5电阻15k2电阻12k1电阻10k12电阻3k2电阻2.2k2电阻1k3电阻2k5电阻5601电阻5104电阻1801电阻471电阻226电阻108电阻1116电阻0.221电阻0.1/w1电位器20k1电位器2.4k1电位器1k1电感1mh3电感100μh3三极管80502三极管NPN3三极管PNP2三极管RHRP81204三极管40075三极管41484三极管IN58191三极管HER1074电解电容4700μf4电解电容330/450v1电解电容4.7μf1电解电容100μf/16v1电解电容220μf2电解电容10μf1电解电容100μf117电解电容470μf/16v2电解电容47μf/25v2电解电容4.7μf/16v1电解电容47μf/16v1瓷片电容475/6301瓷片电容105/630v1瓷片电容2221瓷片电容222瓷片电容100μf1瓷片电容2211瓷片电容474瓷片电容10416瓷片电容1033瓷片电容1022场效应管