车载逆变电源的设计.doc
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1、0 车载逆变电源的设计车载逆变电源的设计 摘摘 要要 本文设计了一款实用的车载逆变器。该车载逆变器充分运用芯片 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 150W,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。该车载逆变器的制造成本较为低廉,实用性强,可作为多种便携式 电器通用的电源。 关关键词键词: :逆变
2、电源;过热保护;过压保护;集成电路;振荡频率;脉宽调制 1 1 引言 车载逆变器(电源转换器、Power Inverter )是一种能够将 DC12V 直流电转换为和市 电相同的 AC220V 交流电、供一般电器使用的车用电源转换器。 车载逆变电源就是将汽车发动机或汽车电瓶上的直流电转换为工频交流电。它是常 用的车用汽车电子用品。通过它可以在汽车上使用平时我们用市电才能工作的电器,比 如电视机、笔记本电脑、电钻、医疗急救仪器、军用车载设备等,可应用于各个行业领 域。按照输出波形来分,车载逆变电源可分为正弦波输出和方波输出两种。前者可提供 不间断的高质量交流电,可适应任何负载,但其技术要求及成本
3、高,电路结构比较复杂。 后者提供的交流电的质量较差,且带载能力差,不能接“感性负载” ,但其技术要求低, 体积小,电路简单,价格低。 方波逆变器输出的是质量较差的方波交流电,其正向最大值到负向最大值几乎在同 时产生,这样,对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时,其带负载能力差, 仅为额定负载的 40%60%,不能带感性负载。如所带的负载过大,方波电流中包含的三 次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大,严重时会损坏负载的电源滤波电容,方波 逆变器的制作方法采用简易的多谐振荡器,其技术属于 50 年代的水平,将逐渐退出市 场。 针对上述缺点,近年来出现了准正弦波(或称改良正弦波、修正正弦波、
4、模拟正弦 波等)逆变器,其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔,使用效果 有所改善,但准正弦波的波形仍然是由折线组成,属于方波范畴,连续性不好。总的来 说,正弦波逆变器提供高质量的交流电,能够带动任何种类的负载,但技术要求和成本 均高。准正弦波逆变器可以满足我们大部分的用电需求,效率高,噪音小,售价适中, 因而成为市场中的主流产品。本文设计的逆变电源即为准正弦波逆变器。 2 2 设计 2.1 概述 2.1.1 该逆变电源的基本构成和原理 (1)基本构成 本次设计电路的方框图如图 1 所示。该电路由 12V 直流输入、输入过压保护电路、 过热保护电路、逆变电路 I、220V/50K
5、Hz 整流滤波、逆变电路 II、输出过压保护电路等 组成。逆变电路 I、逆变电路 II 的框图分别见图 2、图 3。逆变电路又包括频率产生电路 (50KHz 和 50Hz PWM 脉冲宽度调制电路) 、直流变换电路(DC/DC,将 12V 直流转换 成 220V 直流)、交流变换电路(DC/AC,将 220V 直流变换为 220V 交流)。 图图 1 整机原理方框图整机原理方框图 逆变电路 I 的原理如图 2 所示。此电路的主要功能是将 12V 直流电转换为 220V/50KHz 的交流电。 图图 2 逆变逆变 I 电路原理方框图电路原理方框图 逆变电路 II 的原理如图 3 所示。此电路的主
6、要功能是将 220V 直流电转换为 220V/50Hz 的交流电。全桥电路以 50Hz 的频率交替导通,产生 50Hz 交流电。 3 图图 3 逆变逆变 II 电路原理方框图电路原理方框图 (2)电路工作原理 输入 12V 直流电源电压,经过逆变电路 I 得到 220V/50KHz 的交流电,此交流电再 经过整流滤波电路得到 220V 高压直流电,然后经过逆变 II 得到 220V/50Hz 交流电。其 中输入过压保护电路、输出过压保护电路、过热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,然后停止逆变电路 I 的工作。过 热保护电路是当电路工作温度过高时
7、,启动保护使逆变电路 I 停止工作。输出过压保护 电路与逆变电路 II 构成反馈回路,一旦电路输出异常则停止逆变电路 II 的工作。在逆 变电路 I 中是用一块 TL494 芯片产生 50KHz 的脉冲频率,经过变压器推挽电路将 12V 直流转换成 220V/50KHz 的交流电。在逆变电路 II 中再用一块 TL494 芯片产生 50Hz 的 脉冲波,全桥电路以 50Hz 的频率交替导通,从而将 220V 直流和 50Hz 脉冲电路整合, 然后输出 220V/50Hz 的交流电。在该电路中都是利用 TL494 的输出端作为逆变电路工 作状态的控制端。 2.1.2 逆变电源的技术性能指标及主要
8、特点 车载逆变器要将 12V 直流电转换为和市电相同的 220V 交流电,供一般电器使用。 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。 逆变电源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,因而本设计要求输出电压波形为准正弦波,以克 服方波逆变器不能带感性负载的特点。 本设计逆变电源的性能指标及主要特点为: (1)输入:12V 直流(汽车蓄电池) 。 4 (2)输出:220V 交流(非正弦波) 。 (3)输出功率:大于 100W
9、。 (4)具有输入过压保护和输出过压保护。 (5)有过热保护功能。 (6)可作为多种电器的通用电源。 (7)含有工作正常指示灯。 2.2 逆变电源的主要元器件及其特性 2.2.1 TL494 电流模式 PWM 控制器 TL494 是一种固定频率脉冲宽度调制电路1,它包含了开关电源控制所需的全部功 能,广泛用于单端正激双管式、半桥式以及全桥式开关电源。TL494 有 SO16 和 PDIP16 两种封装形式,以适应不同场合的要求。 (1)主要特征 集成了全部的脉冲宽度调制电路。 TL494 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) 。 TL494 内置误差放大器。 TL49
10、4 内置 5V 参考基准电压源。 可调整死区时间。 TL494 内置功率晶体管,可提供 500mA 的驱动能力。 有推或拉两种输出方式。 (2)引脚设置及其功能 TL494 的内部电路由基准电压产生电路、振荡器、死区时间比较器、误差放大器 (两个) 、PWM 比较器以及输出电路等组成,各引脚功能见表 1。 表表 1 TL494 引脚功能表引脚功能表 引脚号引脚号 引脚功能引脚功能 1、2 误差放大器 I 的同相和反相输入端 3 相位校正和增益控制端 4 间歇期调整,其上加 0-3.3V 电压时,可使截止时间从 2%线性变化到 100%;死区时间控制,输入直流电压为 0-4V,控制 TL494
11、输出脉冲的占空 比为 0.45-0。在此基础上,占空比还受反馈信号控制,四脚还常用作软启动 控制端,使输出脉冲宽度由零逐渐达到设计值。 5 5、6 分别用于外接振荡电容 Ct 和振荡电阻 Rt,产生锯齿波电压并送至 PWM 比 较器,振荡频率,定时电阻取值在 1以上 1 Fosc CtRt K 7 接地端 8、9、10、11 分别为 TL494 内部两个末级输出三极管的集电极和发射极 12 电源供电端 13 输出控制端,当该端电压为零时,用于驱动单端电路。该端接地时为并联单 端 14 输出方式,接 14 脚时为推挽输出方式 15、16 5V 基准电压输出端,最大输出电流为 10mA 误差放大器
12、 II 的反相和同相输入端 (3)工作原理 TL494 是一个固定频率 PWM 控制电路,其内部结构如图 4 所示。TL494 适用于设 计所有的单端或双端开关电源电路,其主要性能如下: 图图 4 TL494 内部结构图内部结构图 输入电源电压为 740V,可用稳压电源作为输入电源,从而使辅助电源简化。TL494 6 末级的两只三极管在 740V 范围工作时,最大输出电流可达 250mA。因此,其带负 载能力较强,即可按推挽方式工作,也可将两路输出并联工作,小功率时可直接驱动。 内部有 5V 参考电压,使用方便,当参考电压短路时,有保护功能,控制很方便。 内部有一对误差放大器,可做反馈放大及保
13、护功能,控制非常方便。 在高频开关电源中,输出方波必须对称,在其他一些应用中又需要方波人为不对称, 即需控制方波的占空比。通过对 TL494 的 4 脚控制,即可调节占空比,还可作输出软 启动保护用。 可以选择单端、并联及交替三种输出方式。 TL494 的 1 脚及 2 脚为误差放大器的输入端。由 TL494 芯片构成电压反馈电路时, 1、2 脚上通过电阻从内部 5V 基准电压上取分压,作为 1 脚比较的基准。3 脚用于补偿 校正,为 PWM 比较器的输入端,接入电阻和电容后可以抑制振荡,4 脚为死区时间控 制端,加在 4 脚上的电压越高,死区宽度越大。当 4 脚接地时,死区宽度为零,即全输
14、出;当其接 5V 电压时;死区宽度最大,无输出脉冲。利用此特点,在 4 脚和 14 脚之间 接一个电容,可达到输出软启动的目的,还可以供短路保护用。5 脚及 6 脚接振荡器的 接地电容、电阻。 TL494 内置线性锯齿波振荡器,振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调 节,其振荡频率如下: (1) 1 Fosc CtRt 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而 实现的。三极管 VT1 和 VT2 受控于或非门。当双稳态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时才会被选通。当控制信号增大时,输出 脉冲的宽度将减小。 控制
15、信号由集成电路外部输入,其中一条送至死区时间比较器,另一路送往误差放 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%。当输出端接地时,最大输出占空比为 96%,当输出端接 参考电平时,占空比为 48%。在死区时间控制端上接固定电压(在 03.3V 之间)时, 即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。 PWM 比较器为误差放大器调节输出脉冲宽度提供了一个手段:当反馈电压从 0.5V 变为 3.5V 时,输出的脉冲宽度由被死区确定的最大导通百分比时间下降到零。两个误 7 差放大器具有从-0.3V 到 Ucc-2.0V 的共模输入范围,这
16、可从电源的输出电压和电流中察 觉到。误差放大器的输出端常处于高电平,它与 PWM 比较器反相输入端进行“或”运 算。正是由于这种电路结构,误差放大器只需最小的输出即可支配控制回路。 当 Ct 放电时,一个正脉冲将出现在死区时间比较器的输出端,受脉冲约束的双稳 态触发器进行计时,同时停止 VT1 和 VT2 的工作。若输出控制端连接到参考电压上, 那么调制脉冲交替送至两个三极管,输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端 状态,且占空比小于 50%时,则输出驱动信号可分别从 VT1 和 VT2 中取得。输出变压 器为一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下,当需要更大的驱动电流 输出
17、时,可将 VT1 和 VT2 并联使用,这时需将输出模式控制端接地,以关闭双稳态触 发器。在这种状态下,输出脉冲的频率将等于振荡器的频率。 TL494 内置一个 5V 的基准电压产生电路,使用外置偏置电压时,可提供高达 10mA 的负载电流。在典型的 070温度范围和 50 mV 电压的温漂条件下,该基准 电压产生电路能提供5%的精度。 2.2.2 场效应管 场效应管是一种适应开关电源小型化、高效率化和高可靠性要求的理想器件。它是 利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件3,其代表符号如图 5。这种器件不仅兼 有开关速度快、无存储时间、体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点,而且还有输入 阻抗高
18、、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点,因此大大的扩展 了它的应用范围,特别是在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用。MOSFET 开关较快而无存储时间,故在较高工作频率下开关损耗较小,另外所需的开关驱动功率 小,降低了电路的复杂性。本设计采用的是 N 沟道增强型 MOSFET。只有在正的漏极 电源的作用下,在栅源之间加上正向电压(栅极接正,源极接负) ,才能使该场效应管 导通。当0 时才有可能有电流即漏极电流产生。即当时 MOS 管才导通。Vgs0Vgs 图图 5 MOSFET 代表符号图代表符号图 8 2.2.3 三极管 本设计选用了两种三极管,因为电路中有 50KH
19、z 和 50Hz 两个频率,用于 50KHz 电路的三极管选择为 8550 型4,而用于 50Hz 低频的三极管选择为 KSP44 型。三极管 的工作状态有截止、放大、饱和三种。此设计电路中主要运用三极管的导通截止的开关 特性。 2.3 各部分支路电路设计及其参数计算 2.3.1 DC/DC 变换电路 由 DC/AC 和整流滤波电路组成5。电路结构如图 6 所示,VT1 和 VT2 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 220V 脉冲电压。此脉冲电压经过整流滤波电路变成 220V 高压直流电压。变压 器 T1 的工作频
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