逆变电源的设计

全国大学生电子设计竞赛论文逆变电源的设计（D题）【第四组】2015年7月31日I摘要该设计主要应用开关电源电路技术有关知识，涉及模拟集成电路、电源集成电路、直流稳压电路、开关稳压电路等原理，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的电路。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2500W，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。该电源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。关键词：过热保护；过压保护；集成电路；振荡频率；脉宽调制II目录1逆变电源总体设计方案论证..................................11.1方案概述..............................................11.2电路设计元件计算与选用：..............................11.3逆变电路及换流原理介绍................................21.4电压型逆变电路的特点及主要类型........................22逆变器单元电路设计........................................42.1逆变电路的主电路设计..................................42.2驱动电路设计..........................................42.2.1MOSFET介绍......................................42.2.2控制单元电路设计:................................52.3滤波电路以及电流检测设计...............................73理论分析与计算............................................93.1高频变压器参数设计....................................93.2LC低通滤波参数设计.................................104安装与调试...............................................115测试结果及分析...........................................13参考文献...................................................14附录1总电路原理图........................................15附录2PCB板..............................................16附录3实物图..............................................17附录4元器件清单..........................................1811逆变电源总体设计方案论证1.1方案概述通过对设计内容和设计要求的具体分析，把电路分别设计成两部分：一是主电路，即是采用高频逆变电路和高频变压器的组合来实现，其中的滤波电路则是采用的线路滤波的方式，高频逆变电路由于其要求的特殊性采用了电压型半桥逆变电路和高频开关IGBT相连接的方法，并且和高频变压器的组合高效的实现直流电向交流电的逆变过程。第二部分控制电路，采用集成芯片TL494来实现，主要原因在于主电路的电流逆变过程中控制电路各单元的复杂性，而TL494本身包含了开关电路控制所需的全部功能和全部脉宽调制电路，同时片内置有线性误差放大器和其他驱动电路等，因此便可以同时实现：正弦信号发生单元、脉宽调制PWM单元、电压电流检测单元和驱动电路单元。由此确定本次设计电路框图如图1所示。图1电路框图1.2电路设计元件计算与选用：本次设计的单向正弦波逆变器中，最重要的就是高频开关IGBT的选用，根据电路设计的主要参数：2（1）输入输出电压：输入（DC）+12V、输出220V（AC）（2）输出电流：1A（3）电压调整率：≤1%（4）负载调整率：≤1%（5）效率：≥0.8因此，管子电压直流DC12V经过半桥式逆变电路，加至逆变桥的电压U约为100V，考虑余量通常选用600V等级的IGBT管，通常模块结构的IGBT，其电压等级为600V、1200V、1700V三种。管子的电流：由于IGBT管较多工作于脉冲调制状态，计算有效电流值较困难，器件的高频开关损耗又与工作频率和电路缓冲等结构有关。IGBT管标定的电流等级是集电极连续电流Ic，没有考虑重复开关的损耗，工程计算是以实际流过管子的最大峰值电流（瞬时过流电流不考虑)。以本设计为例，输出电流为100A，高频整流变压器电压比为5.3：1，变压器一次电流即IGBT管峰值电流约为1A/5.3=0.19A,考虑开关损耗选25A的管子。1.3逆变电路及换流原理介绍与整流电路相比较，把直流电变成交流电的电路称为逆变电路。当交流侧接在电网上，称为有源逆变；当交流侧直接和负载相接时，称为无源逆变。在不加说时，逆变电路一般指无源逆变。逆变电路在生活中有很广泛的应用。交流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移，这称为换流。换流是实现逆变的基础。通过控制开关器件的开通和关断来控制电流通过支路，这是实现换流的基本原理。换流方式有多种，其中主要分为期间换流、电网换流、负载换流、和强迫换流四种方式。1.4电压型逆变电路的特点及主要类型根据直流测电源的性质不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。电压型逆变电路有以下特点：3(1)直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。(2)由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出电流波形和相位应为负载阻抗的情况不同而不同。（3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管，又称为续流二极管。逆变电路分为三相和单相两大类。其中，单相逆变电路主要采用桥式接法。主要有：单相半桥和单相全桥电路。而三相电压型逆变电路则是由三个单相逆变电路组成。本设计采用单向逆变器。42逆变器单元电路设计2.1逆变电路的主电路设计主电路图主要指的就是高频逆变电路，所采用的是电压型半桥式电路。其中包含有逆变电路、高频变压器、滤波环节。电压型逆变的特点是输出电压矩形波，输出电流近似正弦波。逆变器输出电压波形为交变矩形波，幅值均为1/2U，如图2所示。感性负载时，由于电流滞后电压，IGBT管需接反并二极管（模块内部已有），提供无功功率与续流如图2所示。实际工作时，由于IGBT管关断需要时间，在两管交替触发时刻会造成两管同时导通使直流电压电路，这是绝对不允许的。为此通过触发脉冲的脉宽调制控制是IGBT管导通时间小于1/2T，即出现两管均不导通的死区，通常控制脉宽占空比范围为0.85－0.9。在本次设计中，主要采用单相全桥式逆变电路作为设计的电路。图2单相全桥逆变电路主电路及升压结构图2.2驱动电路设计2.2.1MOSFET介绍MOSFET是一种电压控制的单极性器件，它是由金属氧化物和半导体组成的场效应晶体管，所以也叫绝缘栅型场效应管。应用VMOSFET工艺，生产出了大功率的产效应管，并在逆变电路中得到广泛应用。功率场效应管简称VMOSFET,或5VMOS，作为开关器件，其常态是阻断状态，即VMOS都是增强型MOSFET。MOSFET分为N沟道和P沟道两类。N沟道VMOS的导通电流的方向是从漏极D到源极S；P沟道MOS的导通方向是从源极S到漏极D。VMOS管的工作原理是，源极S接零电位，漏极D接正电位，当栅极接正电压时，由于电荷感应，在P区感应出电子，电子的累积便形成N沟道。源极S和漏极D之间便产生了电流。因此，栅极G上的电压的大小，决定了源极S与漏极D之间的电流大小。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图3MOFET结构图和电气图2.2.2控制单元电路设计TL494集成芯片是控制电路的核心，也是本次设计的重点，TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管室、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。其主要特征：(1)集成了全部的脉宽调制电路。(2)片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），内置误差放大器。(3)内置5V参考基准电压源，可调整死区时间。(4)内置功率晶体管可提供500mV的驱动能力。推或拉两种输出方式。TL494的应用集成电路包含了几乎全部的控制电路，有正弦信号发生电路、脉宽调制电路PWM、电压电流检测单元、驱动电路。TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节器振荡频率如式1：f(osc)=1.1/Rt*Ct（式1）6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来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳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期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，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，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态，且最大占空比小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。TL494内置一个5.0V的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流，在典型的0—70℃温度范围50mV温漂条件下，该基准电压源能提供±5%的精确度。在TL494正弦波逆变电路的设计中，电压电流保护环节采用了比较来进行输入也就是先将比较器的两个输入端和电压的输入输出向连接然后再将输出连接到TL494芯片上的差分放大器的输入端这样可以更好的实现对电路的电压保护，当然电流的保护也是同理的。其引脚图如图2所示。7图4TL494引脚图2.3滤波电路以及电流检测设计：高频装置必须考虑射频干扰（RFI）与电磁干扰(EMI)以及谐波影响，本装置在交流输入