电力电子技术课程设计-逆变电源设计.doc

湖南工程学院课程设计任务书 课程名称： 电力电子技术 题 目：逆变电源设计 专业班级： 电气工程1082 学生姓名： 学号： 23 指导老师： 审 批： 任务书下达日期 2013 年 6 月 3日设计完成日期 2013 年 6月 14日 设计内容与设计要求一 设计内容：1 电路功能：1） 电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：功率变换（高频逆变）、高频滤波。控制电路主要环节：脉冲发生电路、脉宽调制pwm、电压电流检测单元、驱动电路。2） 功率变换电路中的高频开关器件采用igbt或mosfet。3） 系统具有完善的保护2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4. 控制电路设计与分析1） 检测电路设计2） 功能单元电路设计3） 触发电路设计4） 控制电路参数确定二 设计要求：1 设计思路清晰，给出整体设计框图；2 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。4 绘制总电路图5 写出设计报告； 主要设计条件1 设计依据主要参数1） 输入输出电压 dc12v ac 220(+2%)v 50(+1)hz2） 输出电流：1a 3） 电压调整率：1%4） 负载调整率：1%5） 效率：0.86） 功率因数：0.8 2. 可提供实验与仿真条件 说明书格式1 课程设计封面；2 任务书；3 说明书目录；4 设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5 单元电路设计（各单元电路图）；6 故障分析与电路改进、实验及仿真等。7 总结与体会；8 附录（完整的总电路图）；9 参考文献；11、课程设计成绩评分表 进 度 安 排 第一周星期一:课题内容介绍和查找资料； 星期二:总体电路方案确定 星期三:主电路设计星期四: 主电路设计 星期五:控制电路设计；第二周星期一: 控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期三四:写设计报告，打印相关图纸； 星期五:答辩及资料整理 参 考 文 献1石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，1998 2王兆安 黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20005郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19957刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，19998.康华光,陈大钦电子技术基础m北京：高等教育出版社，1998：4514599薛永毅，王淑英，何希才，新型电源电路应用实例，电子工业出版社，2001.10目录1概述6（1）逆变电路原理6（2）电路工作原理72单元电路设计82.1.2高频滤波82.3各部分支路设计122.3.1dc/dc变换电路122.3.2输入过压保护电路142.3.3输出过电压保护电路142.3.4dc/ac变换电路152.3.5tl494芯片i外围电路162.3.6tl494芯片ii外围电路173故障分析与电路改进、实验及仿真等184总结与体会185附录206参考文献221概述该电源的设计主要要应用到功率转换、高频滤波等知识点，并且需要了解脉冲发生电路、脉宽调制pwm等电路。该电路可以将电瓶的12v直流电转换为220v/50hz的交流电，为随身携带的许多电子产品提供稳定可靠的电源，具有相当强的通用性。1.1设计思路本电路的设计思路框图如下图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/50khz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12v直流变换为220交流。1.2基本原理（1）逆变电路原理逆变电路i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。逆变电路ii如图3所示。此电路的主要功能是将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。（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，此交流电在经过整流滤波电路得到220v高压直流电，然后经过逆变电路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，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中使用一块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中再使用一块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220v50hz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单元电路设计2.1主电路2.1.1功率变换2.1.2高频滤波2.2控制电路2.2.1脉宽调制pwmtl494是一种固定频率脉冲宽度调制电路，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、板桥市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）主要特征继承了全部的脉冲宽度调制电路。tl494内置现行锯齿波振荡器，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。tl494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500mv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引脚符号功能典型电压1v1(+)误差放大器1误差信号输入端（同相信号端）2.62v1(-)误差放大器1误差信号输入端（反相信号端）2.63voutc误差放大器1和2输出信号补偿元件连接段44cont死区控制信号输入端，所加控制电压可调输出脉冲宽度0.35ct振荡器外接振荡电容连接端，与6脚外接的电阻一起可产生频率f=1.1/rc的锯齿信号0.4-4v6rt振荡器外接振荡电阻连接端，见5脚说明3.77gnd基准电源电源电路接地线端08ca推挽电路输出信号端a,输出电压可达40v,电流为200ma（反相输出）0-15v9ea推挽电路输出信号端a,属同相信号输出端010eb推挽电路输出信号端b,属同相信号输出端011cb推挽电路输出信号端b，输出电压可达40v，电流为200ma(反相输出)与8脚等相位差180度的脉冲波12vccin工作电源电压输入端2513out con输出方式设定信号输入端。当该脚接基准电压是，输出呈推挽型，输出方波最大占空比为48；当该脚接地是内部二个输出晶体管并联工作输出电流可达400ma，最大占空比为96514+5+5v基准电源输出端，可输出5v的基准参考电压515v2(-)误差放大器2误差信号输入端（反相信号端）5.416v2(+)误差放大器2误差信号输入端（同相信号端）0表1图：tl494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末级的两只三极管在7-40v范围工作时，最大输出电流可达250ma。因此，其负载能力较强，即可按推挽方式工作，也可以将两路输出并联工作，小功率时可以直接驱动。内部有5v参考电压，使用方便，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，可作为反馈放大及保护功能，控制方便。在高频开关电源中，输出方波必须对称，在其他一些应用中有需要方波认为不对称，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，还可以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脚作为死区时间控制端，加载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0，即全输出；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，起振荡频率如下：fosc=1/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导通，即只有在锯齿波电压大于控制信号时才会被导通。当控制信号增大时，输出脉冲的宽度将减小。控制信号由集成电路外部输入，其中一条送至死区比较器，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（0-3.3v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0.5变为3.5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0.两个误差放大器具有从0-0.3v到ucc-2.0v的共模输入范围，这可从电源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版。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范围和50mv电压的条件下，该基准电压产生电路能提供5%的精度。2.2.2场效应管mosfetmosfet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vgs0时才有可能有电流即漏极电流产生。即当vgs0时mos管才导通。2.2.3三极管本设计选用两种三极管，应为电路中有50khz和50hz两个频率，用于50lhz电路的三极管选择为8550型，而用于50hz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各部分支路设计2.3.1dc/dc变换电路由dc/ac和整流滤波电路组成。电路结构如图6.vt1和vt2的基极分别接tl494的两个内置晶体管发射机。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的工作频率选为50khz左右，因此t1可选用ei33型高频变压器，变压器的匝数比为12/220=0.05，变压器选择为e型。经过实践调制选择初级匝数为102，次级匝数为190。10/1900.05即满足变压器匝数比约为0.05.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vt1、vt2的基极也应此而交替导通，vt3和vt4交替导通。因为变压器选择为e型，这样使变压器工作在推挽状态，vt3和vt4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vt1导通时，场效应管vt3因为栅极无正偏压而截止，而此时vt2截止，导致场效应管vt4栅极有正偏压而导通。当vt1导通时，vt2截止，场效应管vt3因为栅极无正偏压而截止，而此时vt2截止，导致场效应管vt4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。当电路工作不正常时，tl494输出控制端为低电平时，tl4949的两个内置晶体管的集电极（8脚和9脚）有12v正偏压，基极为高电平，导致两晶体管同时导通。vt1和vt2因为基极都为高电平而饱和导通，而场效应管vt3、vt4将因栅极无正偏压都处于截止状态，逆变电源停止工作，。极性电容c1滤去12v直流中的交流成分，降低输入干扰。滤波电容c1可取2200f。r1、r2、r3起限流作用，取值为4.7k。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d1-d4接成电桥形式，称单相桥式整流电路。在桥式整流电路中，电容c2滤去了电路中的交流成分，由模拟电路直流稳压电源的电容滤波电路知：d=rc（35）t1/2当f=50khz时，t=1/50khz，r=116k时，r为后继负载电阻，则c4.310-10f。根据电容标称值选择c2为10f.输出220v高压直流电，供后继逆变电路使用。2.3.2输入过压保护电路电路结构如图7，由dz1电阻r1和电阻r2、电容c1、二极管vd1组成。输出端口接tl494芯片i的同相输入端（1脚），通过该芯片的误差比较器对其输出进行控制，当输入过大电压时，停止逆变电路工作从而使电路得到保护。因为输入电压直接决定了输出电压的值，对输入端电压的保护也是对输出端子间过大电压进行负载保护。vd1、c1、r1组成了保护状态维持电路，只要输入电压在一瞬间有过大现象，就导致稳压管击穿，电路将沿c1和r1支路充电，继续维持同相端的低电平状态，保护电路就会启动并维持一段时间。当c1和r1充电完成，c1和r2支路开始处于放电状态，当c1放电完成时，tl494芯片i的同相输入端由低电平翻转为高电平，导致tl494芯片i的3脚（反馈输入端）为高电平状态，进而导致tl494芯片内部的pwm比较器为截止状态。此时将导致直流变换电路的场效应管处于截止状态，直流变换电路停止工作。同时tl494的4脚为高电平状态，4脚为高电平时，将抬高芯片内部死区时间比较器同相输入端的电位，使该比较器输出为恒定的高电平，由tl494芯片内部结构可知芯片内置三极管截止，从而停止后继电路的工作。稳压管的稳压值一般为驶入电压的100%-130%。稳压管dz1的稳压值决定了该保护电路的启动门限电压值，这里我们取15v，稳压管的功率为0.15w。r1取为100k，r2、r3均取为4.7k，c1、c2均取为47f。2.3.3输出过电压保护电路电路结构图如图8，当输入电压过高时将导致稳压管dz1击穿，使tl494芯片ii的4脚对地的电压升高，启动tl494芯片ii的保护电路，切断输出。vd1、c1、r2组成了保护状态维持电路，r3、r4为保护电阻，用以增大输出阻抗。稳压管的稳压值一般规定为输出电压的130%-150%。后级电路为220v/50hz输出，其中负载电阻为100k，tl494芯片ii的输出脚电压最大为12v，r1为限流电阻，取值为100k，r2为保护电阻可取值为16k，根据电路分压知识，则r2上的电压为：u=r2220（r1+r1）=2201611630.34v即稳压管的电压取值最大为30.34v，这里取30v。2.3.4dc/ac变换电路电路结构图如图9所示，该变换电路为全桥桥式电路。其中tl494芯片的8脚和11脚为内置的两个三极管的集电极，且两个内置三极管是交替导通的，频率为50hz。图中8脚和11脚分别介入了上下两部分完全堆成的桥式电路，因为两个三极管交替工作，频率为50hz，所以选用桥式电路，目的在于得到50hz的交流电。上下两部分电路工作过程完全相同。选其中一部分为说明。这里将其简化成图10。图中vt0为tl494芯片ii的一个内置三极管设为vt00，另一个设为vt01。当vt00导通时，vt01截止，vt1的基极没有正偏压，从而使vt1截止，然后vt3的栅极有12v正偏电压，是vt3导通。而vt4因为栅极无正偏压截止，输出220v电压。当vt00截止时，vt01导通，vt1基极有12v正偏压，集电极有12v反向电压，从而导通。vt3的栅极无正偏电压，从而使vt3截止。而vt4因为栅极有12v正偏压导通。因为此时tl494芯片ii的另一个内置三极管vt01导通，它的集电极即11脚使逆变电路i有220v电压输出。原理同上。上下两部分以频率50hz交替导通，从而使电路有220v50hz的交流电输出。由于tl494芯片为脉冲调制器，其产生的波形为脉冲波而不是正弦波。vt1、vt2、vt3、vt4、vt5和vt6为场效应管可选择为irf740型。限流电阻可选择10k、1k、4.6k、3.3k的经典取值。c1、c2和c3均为平滑输出的吸收电容。c1和c2可取为10f，c3取为0.01f。2.3.5tl494芯片i外围电路电路结构图如图11，包括过热保护电路及振荡电路。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，才能使芯片内的两个三极管正常工作。因为芯片内置5v基准电压源，负载能力为10ma。所以15脚电压应高于5v。15脚电压计算公式为：u=12r2（r1+r2+rt）这里rt为正温度系数热敏电阻，常温阻值可在150-300范围内任选，是当选大些可提高过热保护电路启动的灵敏度。这里取200。r1取36k，r2取39k，则15脚电压为6.22v。该脉宽调制器的振荡频率为50khz，由fosc=1/ctrt，图中c2、r3为芯片的振荡元件。c2即为ct,r3即为rt。其中fosc取为50khz，c2取4700pf，则r3取4.3k。2.3.6tl494芯片ii外围电路电路结构图如图12，15脚同样为tl494的反相输入端，16脚为同相输入端，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的输出电平为低电平，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，由图知15脚的电压为5v，16脚的电压为0v。芯片内置比较器ii的输出为低电平。5脚和6脚为振荡器的定式电容和定时电阻接入端。因为要使输出频率为50hz，由公式fosc=1/ctrt知：当rt取220k时，ct9.0910-8f。c1和r2是芯片的振荡元件，即是r2取值为220k，c1取值为0.1f。芯片的8脚和11脚接逆变电路ii，4脚接输入过压保护电路。电容c2取值为47f，电阻r3取值为10k，当输入过压保护电路启动后，使电容c2对r3放电，使4脚保持为低电平，使tl494芯片ii的电路维持一段时间，知道c2放电完毕，则使4脚为高电平，抬高死区电压，从而使芯片ii停止工作。3故障分析与电路改进、实验及仿真等该逆变电源在接通12v直流电源后，led指示灯亮，说明电路工作正常。由于该电路设有上电软启动9功能，在接通电源后要等7s左右才有220v直流输出。若发生输入电流过大、输出电压过大或者电路工作环境过热的情况均会使led指示灯变暗，说明逆变电路停止工作。若在接通电源后要等10s左右指示灯还没有点亮，说明逆变电路有问题或者led灯极性安装反了。4总结与体会两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。在这次设计过程中，体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在此感谢我们的老师.，老师