车载逆变电源设计

车载逆变电源设计摘要：车载逆变器就是一种能把汽车上 12V 直流电转化为 220V/50Hz 交流电的电子装置,是常用的车用电子用品。在日常生活中逆变器的应用也很广泛,比如笔记本电脑、录像机和一些电动工具等。本设计主要基于开关电源电路技术等基础知识，采用二次逆变实现逆变器的设计。主要思路是：运用 TL494 芯片,先将 12V 直流电源升压为 220V/50KHz 的高频交流电，再经过整流滤波将高频交流电整流为高压直流电，然后采用 TL494 产生脉冲来控制开关管的导通。最后经过 LC 工频滤波及相应的输入输出保护电路后，输出方波交流电，供负载使用。本设计具有灵活方便、适用范围广的特点，基本能够满足实践需求。而且本设计采用高频逆变方式，具有噪声降低、反应速度提高以及电路调整灵活的优点。设计符合逆变电源小型化、轻量化、高频化以及高可靠性、低噪声的发展趋势。关键词：车载逆变器，脉冲调宽，保护电路，TL494 Design of Inverter Power Supply for CarsAbstract: Car inverter is a kind of vehicle that can be converted to 220V/50Hz 12V DC/AC electronic device which is commonly used in automotive electronic products. The inverter applications are very broad in the daily life, such as notebook computer ,video recorder and electric tools etc.This design is mainly based on switch power supply circuit technology basic knowledge, using two inverter realize inverter design. The main idea uses the TL494 chip, the first 12 V dc power boost for 220 V/frequency 50Hz high frequency alternating current, and rectification of high frequency ac filter will rectifier for high voltage dc and then using sine pulse regulation law, through the output pulse control switch tube conduction. Finally after LC industrial frequency filter and the corresponding input/output protection circuits, used for load.The design is flexible and convenient, apply a wide range of features, can basically meet the demand of practice. Besides the design uses the high frequency inverter, with noise reduction, response speed and adjust the advantages of flexible circuit. Finally the design conforms to the power supply miniaturization, lightweight, high frequency and high reliability, low noise trend.Key words: car invert ，pulse width modulation，circuit protection，TL494中北大学 2013 届毕业设计说明书第 页 共 页目 录1 绪论 .11.1 车载逆变电源现状 .11.2 逆变电源技术的发展概况 .11.3 逆变电源的发展趋势 .21.4 本课题研究意义及内容 .42 逆变电源的主电路拓扑结构分析 .52.1 几种典型的主电路拓扑结构 .52.1.1 半桥逆变主电路 .52.1.2 全桥逆变主电路 .62.1.3 推挽逆变主电路 .62.2 典型主电路的比较 .72.2.1 几种主电路的特点 .72.2.2 通过仿真进行电路对比及主电路的选择 .73 电路主要元器件 .133.1 TL494 芯片 .133.2 TL494 各引脚功能 .133.3 TL494 前级放大外围电路 .154 车载逆变电源的设计 .164.1 逆变电源总体设计原理 .164.2 前级升压 DC/DC 电路设计 .174.2.1 推挽电路开关管选取 .184.2.2 高频变压器设计 .194.2.3 整流二极管的选取 .234.3 输出逆变电路设计 .244.3.1 全桥逆变电路及工作原理 .244.3.2 功率管的选取 .255 保护电路的设计 .265.1 输入过压保护 .26中北大学 2013 届毕业设计说明书第 页 共 页5.2 输入欠压保护 .265.3 输入过热保护 .275.4 输出过压保护 .286 车载逆变电源原理图及结果 .296.1 仿真电路 .296.2 仿真结果与分析 .297 结论 .31附录 逆变电源原理图 .32参考文献 .33致谢 .35中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 35 页1 绪论1.1 车载逆变电源现状车载逆变电源是将汽车发动机或汽车电瓶上的直流电转换为交流电，供一般电器产品使用，是一种较方便的车用电源转换设备。它是常用的车用电子用品。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，如笔记本电脑、各种充电器、照明灯等，他是通过电力电子变换电路实现电压大小、波形和频率的变化。电力电子变换技术可划分为四中基本变换，即 AC-DC 整流电路、DC-AC 逆变电路、DC-DC 电压变换电路、AC-AC 电压/频率变换电路四种变换 1。一般为了实现上述各种频率的电压，通常需要采用四种变换电路相互结合来实现。在这些组合电路中，逆变技术是其中使用最广泛的变换技术。车载逆变器按输出电压波形主要可以分为两种:方波和正弦波。方波逆变器包括修正正弦波逆变器和纯方波逆变器。方波逆变结构简单,控制方便,但方波逆变输出电压谐波含量高,同时带负载能力较差且对使用电器寿命影响较大 3。准正弦波（或称改良正弦波、修正正弦波、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。纯正弦波逆变器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高，电路结构比较复杂。总括来说，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，纯方波逆变器提供的交流电的质量较差，且带载能力差，不能接“感性负载” 。虽有较多的缺点，但是其技术要求低，体积小，电路简单，价格低。1.2 逆变电源技术的发展概况逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的 20 世纪 60 年代，逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。逆变技术是一门综合性很强的技术，它包含了最基本的模电数电技术和电力电子器件技术，以及控制变流技术等。如今，逆变技术的应用十分广泛，渗透的国民经济发展的各个领域，对人们的生活产生了息息相关的影响，极大便利了人们的生活。逆变技术的发展大体可分为两个阶段：传统发展阶段和高频化新技术阶段。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 35 页传统发展阶段是开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加为主，体积重量较大，逆变效率低,正弦波逆变器开始出现。高频化新技术阶段开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以PWM(Pulse-Width-Modulation，脉宽调制)为主，体积重量小，逆变效率高，正弦逆变技术发展日趋完善 5。最初的逆变电源采用晶闸管(SCR)作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电源。由于 SCR 是一种没有自关断能力的器件，因此必须通过增加换流电路来强迫关断 SCR，SCR 的换流电路限制了逆变电源的进一步发展。随着半导体制造技术和变流技术的发展，自关断的电力电子器件脱颖而出，相继出现了电力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等等 1。自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高。从而逆变桥输出电压中低次谐波的频率比较高，使输出滤波器的尺寸得以减小，而且对非线性负载的适应性得以提高。最初，对于采用全控型器件的逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的 PWM 控制技术，其输出电压的稳定是通过输出电压有效值或平均值反馈控制的方法实现的。1.3 逆变电源的发展趋势随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对逆变器控制性能要求的提高，逆变电源也得到了深入的发展，目前开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫，采用 MOFSET 的开关电源转化频率可达几百一千赫，为提高开关频率，必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源，可利用谐振电路,这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式，采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。开关电源的技术追求和发展趋势可以概括以下四个方面,目前，逆变电源的发展趋势主要集中在以下几个方面：(1)高频化。提高逆变电源的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，并可消除变压器和电感的音频噪声，同时改善了输入电压的动态响应能力。此外，为了进一步减小装置的体积和重量，必须去掉笨重的工频隔离变压器，采用高频隔离。高频隔离可以采用两种方式实现：在整流器与逆变器之间加一级高频隔中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 35 页离的 DCDC 变换器；采用高频链逆变技术。高频化仅限于小容量逆变电源。在大容量逆变电源中，由于工频变压器引起的矛盾相对不如小容量 UPS 突出，而且大容量的高频逆变器、整流器和高频变压器的制作也分别受到高频开关器件的容量和高频磁性材料的限制。(2)并联及模块化。当今逆变电源的发展趋向是大功率化和高可靠性。虽然现在已经能生产几千千伏安的大型逆变电源，完全可以满足大功率要求的场合，但是，这样整个系统的可靠性完全由单台电源决定，无论如何是不可能达到很高的。为了提高系统的可靠性，就必须实现模块化。模块化意味着用户可以方便地将小容量的模块化电源任意组合，构成一个较大容量的逆变电源。模块化需要解决逆变电源之间的并联问题，逆变电源的并联要比直流电源的并联复杂，它面临着负荷分配、环流补偿、通断控制等多方面的问题。但是，逆变电源的并联运行可以带来以下几个方面的好处：1)可以用来灵活地扩大电源系统的容量；2)可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性；3)具有极高的系统可维修性。当单台电源出现故障时，可以很方便地通过热插拔方式进行更换和维修。(3)小型化。在逆变电源中，决定整个装置体积和重量的部分是变压器和 LC滤波器，变压器可能放在输入部分，也可能放在输出部分，起电压隔离或电压匹配的作用；LC 滤波器用于滤除 PWM 波中的高次谐波，滤波器的尺寸与 PWM 波的频谱特性有关。要使逆变电源小型化，可以采用的方法有三种：1)提高开关频率，使滤波器小型化；2)采用新的 PWM 控制方式，优化逆变桥输出 PWM 波的频谱，使滤波器小型化；3)用高频变压器实现电压的隔离及匹配，替代输入或输出的低频变压器，实现变压器的小型化。(4)绿色化。绿色化包含了两层意义：其一，最大限度提高系统的效率，节省电能从而实现发电造成的环境污染。其二，最大限度减少谐波分量，以达到降低电网污染的目的。(5)数字化。过去的模拟控制技术己不能适应对逆变技术的控制要求,随着数字控制芯片的不断提高以及数字信号处理技术的不断完善，越来越多的电路釆用数字控制作为系统的控制电路。数字控制技术较模拟控制技术而言，它可以避免较大的波形畸变失真，同时提高了系统的抗干扰能力，更利于系统的外围电路扩展。逆变电源的数字化并不是简单的指在系统中应用了数字器件，如单片机及中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 35 页FPGA 等，而是指整个系统的控制应用数字器件的计算能力和离散控制方法来完成，随着硬件技术的发展、处理器计算速度的提高，必然促使逆变电源向数字化方向发展 15。1.4 本课题研究意义及内容在国外，车载逆变器已经受到了热烈的欢迎和使用，车载逆变器的产生也给人们带来了极大的便利。但是在我国，由于汽车的占有率很小，车载逆变系统的使用率十分低。但是随着人们对汽车电器的依赖性逐渐增强，汽车的使用也即将步入普及阶段，研制一款高性能的车载逆变器在国内具有很大的市场发展前景和研究价值。课题内容：输入电压DC 12V（汽车蓄电池电压等级多数为 12V）输出电压220V/50Hz ，交流电 输出功率：不低于 200W具有输入过压和欠压保护，输出过压、过热保护。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 35 页2 逆变电源的主电路拓扑结构分析2.1 几种典型的主电路拓扑结构逆变主电路就是由电力电子开关器件等组成的变换电路，分为非隔离式和隔离式两大类如变频器能量回馈等都是非隔离的；逆变焊接电源、通信基础开关电源、UPS、加热电源等都是隔离式逆变电路，隔离式逆变主电路还包括逆变变压器，车载逆变电源的主电路一般会采用隔离式双端逆变方式，下面针对半桥式、全桥式、推挽式三种主电路拓扑结构分别阐述 6。2.1.1 半桥逆变主电路半桥逆变电路一个桥臂由开关管 J1 和 J2 组成，如图 2.1 所示，另一个桥臂由电容串联组成，反并二极管可为感性负载提供续流通路。当两只开关管 J1、J2都截止时，若两只电容相等，即 C1 二 C2，则在两电容中点的电压为输入电压的一半，当 J1 导通时，电容 C1 将通过 J1 和变压器原边放电，同时电源电压 Vd 通过 J1 和变压器原边放电为电容 C2 充电，中点的电位将有所上升；当 J1 导通结束时，两只开关管 J1、J2 又都截止，它们的端电压又都回到输入电压的一半，即Vd/2 当 J2 导通时，J1 截止,，电容 C1 被充电，C2 放电，中点的电位下降；S2 导通结束后，又回到 J1、J2 都截止的状态。半桥电路中，开关管开通瞬间存在着电流尖峰，是由于副边整流二极管的反向恢复造成的，而当开关管由导通刚刚变为截止时，开关管两端除了承受电压 Vd/2 之外，还有较高的电压尖峰，这也是由于变压器原边漏感和引线电感上贮存的能量释放引起的，由于二极管的 Dl，DZ 的箝位作用，开关管的端电压最高为 Vd。图 2.1 半桥逆变电路结构图中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 35 页2.1.2 全桥逆变主电路全桥逆变电路的工作需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关管，如图 2.2，与半桥逆变电路相比，控制相对复杂具体说就是 J3 和 J4 同时通断，J1和 J2 同时通断。当 J3 和 J4 同时导通时，J1 和 J2 截止，变压器的原边电压为下正上负的 Vd；反之，当 J1 和 J2 同时导通时，J3 和 J4 截止，变压器原边电压为上正下负的 Vd，在 4 只开关管都截止的死区时间内，开关管端电压和电压尖峰和半桥电路类似，开关管刚刚导通时的电流尖峰也同半桥电路类似。图 2.2 全桥逆变电路结构图2.1.3 推挽逆变主电路推挽逆变电路具有结构简单、变压器磁芯利用率高等优点，尤其是在低压大电流输入的中小功率场合，图 2.3 为推挽电路结构图。推挽电路的工作是由两路相位相反的驱动脉冲分别加到逆变开关管 M1、M2 的基极，控制它们交替通断，输入直流电压被变换成高频的方波交流电压经变压器输出。当 M1 导通时，M2 截止，输入电压 Vd 加在变压器 T 原边绕组 N1 上，由于变压器有两个 N1 绕组，且匝数相同，所以在 S2 上将施加两倍的电源电压。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 35 页图 2.3 推挽电路结构图2.2 典型主电路的比较2.2.1 几种主电路的特点半桥逆变的主电路所用的开关器件少，电路驱动简单，开关管的端电压也不高，半桥式拓扑抗不平衡能力很强，变压器铁芯双向磁化，利用率高,但存在桥臂直通现象，功率管承受电源电压，流过两倍的输入电流，在中小功率的逆变器中可以得到广泛应用。全桥式电路开关管电压不高，输出功率大，变压器铁芯双向磁化，利用率高，功率管承受电源电压，流过输入电流，易采用软开关工作方式。但全桥变换器功率器件较多，控制及驱动较复杂，并且电压器铁芯存在直流偏磁现象，桥臂存在直通现象，比较适合大功率场合。推挽式电路用的开关器件少，输出功率大，但是开关管电压高，适用于原边电压比较低的功率变换器。推挽式拓扑结构简单，变压器铁芯双向磁化，相同铁芯尺寸下，推挽电路能够比正激式电路输出更大的功率。但电路必须有良好的对称，否则容易引起直流偏磁导致铁芯饱和，另外变压器绕组必须紧密偶合，减小漏感，从而降低功率管的关断电压尖峰，这提高了变压器绕制工艺的要求以及对所用功率器件电压定额的要求。2.2.2 通过仿真进行电路对比及主电路的选择逆变电源是采用的典型的两级变换，经 DC/DC 前级升压变换所获得的直流高压为一级变换，工作频率在 20KHz 以上；而 DC/AC 逆变是通过全桥逆变电路进行的，逆变频率为工频 50Hz，由于这种逆变频率较低，其功率损耗相对少，其电路拓扑的不同对逆变电源效率的影响很少，主要的功率损耗在 DC/DC 升压变换电路中北大学 2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 35 页中，主电路的选择也主要指高频升压变换部分。下面利用电路仿真软件对各个典型电路的特性进行分析：参数选择如下：开关管 IRF740，直流输入电压 12V，驱动信号为方波，频率f=50kHz，占空比 50%，逆变变压器采用理想变压器，变压器副边输出端接负载 R为 5u。图 2.4 为半桥逆变电路的仿真电路图，并对其中的功率开关管进行电压和电流测量得到图 2.5 和图 2.6。图 2.4 半桥逆变仿真电路图 2.5 半桥电路开关管 M1 的集射极电压波形中北大学 2013 届毕业设计说明书第 9 页 共 35 页图 2.6 半桥电路开关管 Ml 的电流波形图 2.7 为单相全桥逆变电路的仿真拓朴结构图，该电路由两个半桥电路组成，功率开关管 Q1 与 Q4 的关断状态是互补的，Q2 与 Q3 的关断状态是互补的，当Q1 与 Q3 同时导通时，负载电压等于电源电压，当 Q2 与 Q4 同时导通时，负载两端电压为负的电源电压，通过仿真得到开关管 Q2 的电流及其两端电压，波形如图 2.8 和图 2.9 所示。图 2.7 全桥逆变仿真电路中北大学 2013 届毕业设计说明书第 10 页 共 35 页图 2.8 全桥电路开关管 Q2 的集射极电压波形图 2.9 全桥电路开关管 Q2 的电流波形图 2.10 是单相推挽式逆变器的拓朴结构，该电路由两只共负极的功率开关元件和一个初级带有中心抽头的升压变压器组成，当 M1 功率管加上栅极驱动信号，M1 导通，M2 截止，变压器输出端感应出正电压。M2 功率管加上栅极驱动信号，M2 导通，M1 截止，变压器输出端感应出负电压。图 2.10 和图 2.11 为仿真所测得开关管 M3 的集射级间的电压和流过 M3 的电流大小的波形。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 11 页 共 35 页图 2.10 推挽逆变电路仿真电路图图 2.11 推挽电路开关管 M3 集射极电压波形图 2.21 推挽电路开关管 M3 的电流波形上述电路的仿真主要是针对主电路中功率器件即 IRF740 的电流和集射极电压。通过对上面三种电路的功率开关管的集射极电压波形的比较发现,全桥逆变电路集射极电压变化范围最低，为-1V 一+6V；其次是半桥逆变电路，其集射极电压为 0V中北大学 2013 届毕业设计说明书第 12 页 共 35 页一 12V；集射极电压最高的是推挽电路, 集射极电压大约是电源电压的两倍。通过对以上电路在工作状态下功率开关管的电流波形的观察发现,半桥、全桥、推挽逆变电路都存在着尖峰电流，尖峰电流最小的是推挽逆变电路，大致为 13A；半桥、全桥逆变电路都约为 21A。从上图可以看出，半桥逆变电路在工作时，功率开关管断开时，其集射极所承受的电压基本为电源电压，在开通瞬间时功率开关管上产生的尖峰电流大约为21A，关断瞬间开关管的尖峰电流为 8A。在半桥逆变电路中，在变压器原边上施加的电压只是电源电压的一半，所以要输出等量的功率时，则半桥电路的开关管的电流将是推挽电路的两倍；所以半桥电路不适合于输出功率较大的逆变电路。全桥逆变主电路稳定工作时,从图中可以得出，开关管的集电极电压也同驱动吻合，大致是-1 一+6V 的方波，但是其开关管的导通尖峰电流 21A，关断时的尖峰电流为 11A。全桥逆变电路的驱动复杂,两路驱动信号之间的相位要相反，要通过死区时间的设定来确保两个桥臂之间不会直通，这样就会使电路的复杂程度加大，所以全桥逆变电路虽然可以支持相对较大的功率输出，但是由于在开关管通断瞬间的冲击电流过大，在驱动为 0.5 的占空比的条件下，容易对器件造成损害 11。结合车载逆变电源的使用条件，电源的体积既不能过大，还要达到要求的输出功率，同时变压器的体积也不能过大，就要尽量提高变压器的工作频率，在相同的功率开关的条件下，综合考虑,DC/DC 前级升压变换采用推挽式电路，与桥式逆变电路结构的逆变器相比，推挽式逆变器使用的功率管只有两个，因而控制电路相对简单，实现输出波形的转换也简单，同时具有升压变压功能，所以在中小功率的场合,经常使用推挽结构的逆变器。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 13 页 共 35 页3 控制芯片 TL4943.1 TL494 芯片电压型脉宽调制(PWM)控制电路 TL494CN 是单片双极型线性集成电路，包含了脉宽调制型逆变电源的所有控制部分。其具有 (1)内部经过修调的 5V 基准电压源精度达到 1%(2)未相连的输出晶体管具有 200mA 的陷电流和灌电流能力(3)输出控制以适应推挽输出和单端输出(4)通过死区时间控制可调整占空比周期(5)完整得PWM 控制线路(6)片上振荡器可进行主从型工作(7)内部控制线路可禁止双脉冲出现在任何一个输出端的特点。振荡器的振荡(开关)频率由外接的定时电阻(RT)和定时电容(CT)决定。锯齿波的幅度与误差放大器的输出电压由脉宽调制(PWM)比较器进行比较，PWM 比较器的输出送到脉冲驱动触发器和输出控制逻辑。误差电压由误差放大器产生，误差放大器将输出电压和 5V 内部参考源之间的电压差放大。第二个误差放大器通常用来完成电流限制功能。输出控制逻辑(13 脚)用来选择输出功率管是推挽输出还是单端输出。图 3.1 为 protel 中 TL494 的管脚图。图 3.1 集成芯片 TL494 管脚图3.2 TL494各引脚功能如图 3.2 所示，其内部结构及外部引脚功能为：第（1）脚为第一组误差放大器的同相输入端。 第（2）脚为第一组误差放大器的反相输入端。第（3）脚为第一误差放大器输出的引出端。外接 C19、C20、C21、R11 组成中北大学 2013 届毕业设计说明书第 14 页 共 35 页的频率校正网路，以防止放大器发生自激。 第（4）脚为死区控制端。当 IC 工作在推挽状态时，其两组输出脉冲使两只推挽开关管依次导通和关断。为了避免开关管的滞事效应造成瞬间导通而击穿开关管，在脉冲的序列之间留 有一定的空隙，称为死区。改变第（4）脚的电压，可改变死区时间。当第（4）脚电压大于 5V 基准电压时，输出脉冲关断。在 0-5V，死区时间成比例增大。 第（5）脚内部振荡电路，外接定时电容。 第（6）脚为外接定时电阻 R9。此 RC 的值决定 TL494 输出脉冲的频率。 第（8） （11）脚为两路输出放大管的集电极。 第（9） （10）脚为内部驱动放大管的发射极。 第（12）脚为供电端，其允许输入电压可达 8-40V，因此无需外部稳压器。第（13）脚为工作状态设定端。当第（13）脚为 5V 基准电压时，两路输出脉冲相差 180 度，每路输出量 200mA 的驱动电流，用于驱动推挽或半桥、桥式电路。当第（13）脚接地时，两路输出脉冲为同相位，为 8-40V 时，第（14）脚均输出 50.25V 的稳定基准电压。图 3.2 TL494 芯片内部结构图基准稳压器10E2PWM比较器振荡器14 死区时间控制7GND5CT16 同相输入14VREF6RT12Vcc15 反相输入3 补偿/PWM 比较输入3.5VDCD QCK Q死区时间比较器11&UV 封锁4.9VDC0.7mA0.7V0.12VVT1VT211C29E18C113 输出控制1 同相输入 2 反相输入中北大学 2013 届毕业设计说明书第 15 页 共 35 页3.3 TL494 前级放大外围电路50KHZ 脉冲产生芯片 TL494 外围电路如图 3.3 所示: 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，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。图 3.3 TL494 外围电路图中北大学 2013 届毕业设计说明书第 16 页 共 35 页4 车载逆变电源的设计4.1 逆变电源总体设计原理该设计电路的整体方框图如图 4.1。该电路由 12V 直流输入以及输入过压保护电路、输入欠压保护电路、电源过热保护电路、输出过压保护电路、逆变电路I、220V/50KHz 整流电路、逆变电路 II 等组成。逆变电路又包括频率产生电路、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。其中输入过压、欠压保护电路、输出过压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 17。前级升压逆变电路 I 的主要功能是将 12V 直流电转换为 220V/50KHz 的交流电。该部分电路主要是用一块 TL494 芯片，通过输出 50KHz 的脉冲来控制开关管的交替导通，进而产生 50K 的高频交流电。此高频交流电通过开关变压器升压为220V/50K 的高频交流电。逆变电路电路的主要功能是将 220V 交流电转换为 220V/50Hz 的交流电。逆变 整流滤波12V/DC 逆变输出过流保护输出过压保护输入过压、过热保护输入欠压保护输出 图 4.1 逆变电源系统原理图中北大学 2013 届毕业设计说明书第 17 页 共 35 页4.2 前级升压 DC/DC 电路设计 DC/DC 升压电路如图 3.2 所示，直流变换电路由 DC/AC 和整流滤波电路组成。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。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 M1 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 M2 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。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。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 18 页 共 35 页图 4.2 DC/DC 升压逆变电路4.2.1 推挽电路开关管选取功率开关部分的主要作用是把直流输入电压转换成脉宽调制的交流电压。功率开关只工作在饱和与关断两种状态。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。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、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因此，在中小功率的逆变电源中, 因此,常采用 MOSFET 作为功率开关管。开关管的选取，主要考虑的因素是管子承受的电压、最大允许通过的电流以中北大学 2013 届毕业设计说明书第 19 页 共 35 页及管子的导通损耗，如上图 3.2 所示，结合上文典型电路的分析可知，在推挽电路中，两个功率开关管在断态时承受的峰值电压为电源电压的两倍，所以考虑裕量则开关管电压为,VUDS 502132in由于输出功率为 200W,转化效率为 0.8，那么通过开关管的电流为I=200/10/0.8=22.7A，考虑裕量则 I 应不小于 30A。所以选定 IRF3205 作为 DC/DC 部分推挽变换电路的功率开关管。IRF3205 是 N 沟道功率 MOSFET，能够承受最大漏源电压为 55V，最大连续电流为 110A，最大瞬态电流为 390A，满足电路需求。4.2.2 高频变压器设计根据面积乘积（AP）法设计流程是先计算出变压器的总视在功率 Pt。根据总视在功率，计算出磁芯面积乘积 AP，然后根据 AP 数值查找出所用磁芯的型号 15。依据磁芯型号的参数计算出原边绕组的圈数、电流。然后由已知的原边圈数、电流就计算出原边绕组的线径、副边绕组的圈数、线径。这里由于变压器工作频率为 50KHz，为了减小铁损，这里我们选取工作磁感应密度 Bw=0.1T。变压器的类型和输入、输出参数。本逆变电源高频变压器输入为推挽驱动，输出接整流桥，如图 4.2 所示。主要参数为：原边输入电压 Uin 为 12V；副边电压 Uo 为 220V；输出电流 ，开关频率 f=50KHz；APIOO 2.10/1./.1设定变压器效率为 0.95，工作磁通 B=0.3T。AP 法是求出磁心窗口面积 Aw 与磁心有效截面积 Ae 的乘积 AP(AwAe =AP，称磁心面积乘积)，根据 AP 值选择所需的磁心。线圈导线电流密度 J 的单位为 A/cm，则 AP 表达式为：10TWefswPAKkBJ绕组导线电流密度 J 影响温升，也影响 AP 值。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 20 页 共 35 页由于 ()xjweJKA所以 5-1 式可表示为：410()(TwefswjPcmB通过式上式求解，我们得到 AP 值，并通过查表找到对应条件的变压器磁芯型号具体求解过程如下：(1)计算总的视在功率 P T设整流电路二极管的压降 V DF=0.6V= 1()()2ODFUI= (20.7).(1)0.9=794W(2)计算 AP 值设变压器绕组导线电流密度为 J=400A/cm 2；Ko 为窗口使用系数，一般典型值取 Ko =0.4；Kf 为波形系数，变压器原副边绕组波形为方波，取 K f= 4；fs 为变换器工作频率(Hz)，fs=50KHz；B 我为磁芯磁通密度(T)，取 B 我=0.1T。由表 4.1 磁芯结构常数可得金属叠片铁芯允许 25温升时参数值：Kj=366，X=-0.12 将所有已知参数值代入上式得到 437910()0.45.weAPcm=2.48（ ）4cm()T中北大学 2013 届毕业设计说明书第 21 页 共 35 页表 4.1 芯结构常数铁芯种类 耗损Kj 允许温升 25X Ks Kw Kv一般罐形（配线）磁Pcu = Pfe 433 -0.17 33.8 48 14.5铁粉磁芯 PcuPfe 403 -0.12 32.5 58.8 13.1C 型铁芯 Pcu=Pfe 323 -014 39.2 66.6 17.9单线圈 PcuPfe 359 -0.14 44.5 76.6 25.6金属叠片磁芯 Pcu = Pfe366 -0.12 41.3 68.2 19.7410()TxweofxwjPAKB= 1440.2379( )().451.6cm=2.81（ ）cm()xjweJKA= 0.1243683()通过以上计算过程我们可以看出，利用两个公式可以有两种求解 AP 值的方法。在实际应用中，我们还要求取到最满足条件的磁芯型号。由上述计算可知，前一种电流密度略小于 后者电流密度值，因此这里取大值，考虑到 10%的欲度，可以取 AP=3.09。由此通过查阅参数表我们可以得出符合要求的磁芯型号为 EE62.3/62/6。由参数 4.2 表可以得到参数为 AP=3.0cm4，Ae=1.30 cm2，Aw=1.98cm 2。（3） 绕组匝数的计算初级 4inpfwse10=KBAUN中北大学 2013 届毕业设计说明书第 22 页 共 35 页= 431204.5.=4.6所以初级绕组匝数为 5 匝。次级绕组匝数inPOSNU= 5初20+1.4初=92.25所以次级绕组匝数为 93 匝。表 4.2 磁芯手册Dimensions (mm) Ap Ae Aw ALTYPE MATERIALA * B * C ( cm4 ) ( mm2 ) ( mm2 ) ( nH/N2 )EE4133 PC40 41.5*17*12.7 2.8260 157.00 180.00 4200.00EE42/21/15 PC40 42*21.2*15 4.9484 178.00 278.00 3800.00EE42/21/20 PC40 42*21.2*20 6.4625 235.00 275.00 5000.00EE47/39 PC40 47.12*19.63*15.62 4.7529 242.00 196.40 6660.00EE50 PC40 50*21.3*14.6 5.7343 226.00 253.73 6110.00EE55/55/21 PC40 55.15*27.5*20.7 13.6764 354.00 386.34 7100.00EE57/47 PC40 56.57*23.6*18.8 9.7132 344.00 282.36 8530.00EE60 PC40 60*22.3*15.6 9.8558 247.00 399.02 5670.00EE50.3 PC40 50.3*25.6*6.1 1.8447 120.85 152.64 2900.00EE62.3/62/6 PC40 62.3*31*6.1 3.0330 153.01 198.22 3100.00EE65/32/27 PC40 65.15*32.5*27 30.7625 535.00 575.00 8000.00（4）组导线线径的计算初级电流 OpinPIU中北大学 2013 届毕业设计说明书第 23 页 共 35 页= 201.85=19.6A电流密度 J ,由表 4.1 可知，Kj=366，x=-0.12A。20.12()/)36/xjweJKAcm初级绕组落线铜截面积，校正因素为 0.707.7=初OinPAJU= 20.3.18=4.33（mm）次级绕组绕组面积，设校正因素为 0.707，则oI0.7=初AJ=1.23=0.27（mm）在绕制中，将多股相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线以减少集肤效应。4.2.3 整流二极管的选取整流二极管工作频率较高,选取时,要求管子具有开关特性好,反向恢复时间短，二极管能够承受较高的反向电压。由图 4.2 可知，在整流电路中整流二极管的电压为 Vd=Vo=220V, 但是在实际运用中的状况是比较复杂的，由于变压器漏感及引线电感在所产生的尖峰电压，二极管环流现象及恢复过程中出现的尖峰电压和振荡过电压和瞬时短路等情况。因此，在实际项目设计中，需要选取远大于理论反向电压计算值的整流二极管,且应留有足够的裕度。所以考虑裕量，二极管的电压Vd 应不小于 500V。二极管电流平均值 Iav=1.1P/（0.9Uo）=1.4A，考虑裕量整流二极管电流的中北大学 2013 届毕业设计说明书第 24 页 共 35 页额定值 If=2*