基于KA7500的车载逆变电源的研究与设计.doc

学生承诺书学生承诺书 本人郑重声明 此论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果 除 了本文最后所列出的参考文献的内容外 本论文不包含其他个人或集体已经发表的作品 成果 本人对本论文负法律责任 作者签名 日期 2012 年 5 月 5 日 摘 要 本文首先介绍所设计的基于 KA7500 控制芯片数字式车载逆变电源的整体结构 分 析各个组成部分的工作原理 分别建立前级推挽升压电路和后级全桥逆变电路 随后进 行车载逆变电源的硬件设计 硬件设计部分首先给出基于 KA7500 控制芯片的数字式车 载逆变电源的设计指标和要求 并对主电路 控制电路 驱动电路和保护电路等进行了 详细的设计 给出电路中元器件的选择和参数计算方法 分析硬件干扰来源 给出多种 硬件抗干扰措施 在上述设计方案基础上 通过仿真 给出实验波形 实验结果表明 采用了本文设计的数字式车载逆变电源 可以获得稳定的方波电压输出 输出波形畸变 率小 电源效率高 论文最后总结了设计中需要注意的问题 并对后续工作进行展望 关键词 车载逆变电源 数字闭环控制 AbstractAbstract This paper first describes the design of the KA7500 overall structure of the automotive power inverter control chip digital analysis of the various components of the works Respectively following the establishment of the pre push pull booster circuit and after the class of full bridge inverter circuit model and control strategy analysis select the appropriate control methods and verified by simulation the feasibility of the selected control scheme Followed by the hardware design of automotive power inverter Hardware design part of the first carried out a detailed design give KA7500 control chip digital automotive power inverter of the design specifications and requirements and the main circuit control circuit drive circuit and protection circuit given the circuit components selection and parameter calculation method the analysis of hardware sources of interference given the variety of hardware anti jamming measures Gives the experimental waveforms and the experimental data on the basis of the above design simulation experimental results show that using this paper the design of digital automotive power inverter can get a stable square wave voltage output the output waveform distortion rate high power efficiency The paper concludes the design issues that need attention and follow up outlook KeywordsKeywords car power inverter digital closed loop control 目目 录录 一 一 绪论绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 车载逆变电源的要求和特点 1 1 3 车载逆变电源的分类 2 1 4 车载逆变电源的发展和现状 2 1 5 国内车载逆变电源研究存在问题 3 1 6 车载逆变电源的发展方向 3 1 7 本文的主要研究工作 4 1 8 本章小结 4 二 二 车载逆变电源的工作原理车载逆变电源的工作原理 5 2 1 车载逆变电源的整体结构 5 2 2 前级推挽升压电路的工作原理 5 2 3 KA7500 工作电源原理 6 2 4 后级全桥逆变电路的工作原理 6 2 4 1 后级全桥逆变电路的调制方式 6 2 5 本章小结 7 三 车载逆变电源的硬件设计三 车载逆变电源的硬件设计 8 3 1 车载逆变电源的设计指标与要求 8 3 2 车载逆变电源主电路设计 9 3 2 1 推挽逆变电路开关管的选取 9 3 2 2 全桥整流滤波电路二极管的选取 9 3 2 3 全桥整流滤波电路滤波电容的选取 10 3 2 4 后级全桥逆变电路开关管的选取 11 3 2 5 变压器 12 3 3 前级推挽升压电路控制电路设计 14 3 3 1 KA7500 及其应用 14 3 3 2 控制芯片的外围路 15 3 3 3 推挽升压电路 15 3 4 后级全桥逆变电路驱动电路设计 17 3 5 工作指示电路 20 3 6 输出电压采样反馈电路 20 3 7 车载逆变电源保护电路设计 21 3 7 1 输入过压和欠压保护 21 3 7 2 输出过压反馈保护电路 22 3 7 3 过热保护 23 3 8 硬件抗干扰措施 25 3 8 1 电磁干扰及电磁兼容性 25 3 8 2 硬件抗干扰措施 26 3 9 本章小结 27 四 四 仿真实验结果及分析仿真实验结果及分析 28 4 1 仿真实验波形及分析 28 4 2 本章小结 29 五 五 结论与展望结论与展望 30 参考文献参考文献 32 致致 谢谢 33 电路图电路图 34 1 一 一 绪论绪论 1 11 1 课题背景 在现代社会 车辆已经成为越来越普遍的交通工具 中国不但是强大的汽车进口国 还是强大的汽车生产国 人们不但要求交通工具的快捷和舒适 还要求交通工具的现代 化进程 可以把家当车一样移动 人们可以在车上使用电脑 充电器等各种需要的电器 象在家里一样方便 不用担心出游带来的不便 而且在车上可以充分利用时间 减少由 于交通带来的损失 由于车辆上的应用环境与普通机房 办公有很大的不同 主要表现在于 负载多为 感性或开关整流性 受空间及载重量限制 无法配备较多电池组 但又需长时间在无市 电的情况下工作 充放电频繁 任务紧急时需在短时间内将后备电池充满 路况不好的 情况下会出现剧烈晃动和振动 安装空间狭小 通风情况不好等 这些条件的限制使得 普通的逆变电源无法应用在车辆上面 于是车载逆变电源便应运而生 1 21 2 车载逆变电源的要求和特点车载逆变电源的要求和特点 车载逆变电源是一种利用逆变技术对车载蓄电池电能进行控制和转换 并能为车载 设备提供能源的装置 车辆应用对电源产品是有着特殊要求的 普通逆变电源也只是考 虑一般应用环境下的性能 而车载逆变电源除了要具备普通指标外 还需要一些特殊性 的指标来满足车载的应用特点 因此 针对其特殊的应用背景 车载逆变电源也有着它 的特点和要求 1 安全 实用 直流 12V 或 24V 输入 逆变交流 110V 或 220V 输出 2 体积小 重量轻 无过大噪音 3 有低压保护 防止蓄电池过度放电 不会损坏蓄电池 4 有过载 过压 过温及短路保护 5 效率在 85 以上 有较高的瞬时启动功能 1 31 3 车载逆变电源的分类 按输出波形的不同 可以将车载逆变电源分为方波输出 修正正弦波输出及正弦波 输出三种 方波输出的车载逆变电源具有线路相对简单 成本较低等优点 修正正弦波 输出的车载逆变电源供电质量要好过前者 稳定性也有所提高 但对于一些需要高质量 供电电源的车载设备来说还是无法满足要求 正弦波输出的车载逆变电源在包括输出电 压的频率的稳定度和对负载的过流承受能力方面 都明显高于前两种车载逆变电源 但 2 是正弦波逆变器价格较高 目前来说普及度比不上方波逆变器 按输入电压和输出电压的不同 输入电压可以是12V 24V或48V等 输出电压可以为 110V或220V 输出频率可以为50Hz 60Hz或400Hz等 按输出功率的不同可以将车载逆变 电源分为150W 350W 500W 1000W 1500W 2000W 3000W等系列 按逆变器内部所用 的功率驱动元件的不同又可以分为功率晶体管 功率MOSFET管及IGBT管驱动等 1 41 4 车载逆变电源的发展和现状 在上世纪五十年代中期到八十年代初期 由于逆变技术没有发展成熟 类似 MOSFET 和 IGBT 开关器件也还没有出现 这个阶段的车载逆变电源的形式是采用 柴 油发电机 工频变压器 的简单模式 柴油发电机输出高压工频交流电 经过工频变压器 降压之后得到所需的低压工频交流电供车载设备使用 由于采用工频变压器 这种车载 逆变电源体积大 发热量大 效率低且噪音大 但由于其结构简单 在国内仍有不少低 档的汽车仍然在使用这种车载逆变电源 在上世纪七十年代末 半导体器件性能得到空前地提高 可关断晶闸管 GTO 电 力晶体管 GTR 及其模块相继基本实用化 同时电力电子技术与微电子技术相结合 产 生了多种高频化的全控器件 并得到了迅速发展 如功率场效应晶体管 Power MOSFET 绝缘栅极晶体管 IGT 或 IGBT 这些高速开关器件的出现极大的促进了车载 逆变电源技术的发展 SPWM 技术也因此得以应用到车载逆变电源领域 使得车载逆变 电源的输出效率有了很大的提高 同时磁性元件的发展使得高频变压器的制造成为可能 车载逆变电源所用的变压器体积也可以大大减小 发热量也大大降低 车载逆变电源开 始往高频化和轻量化发展 但这一时期的车载逆变电源均采用模拟控制 模拟控制存在 着许多固有的缺点 1 模拟控制电路采用大量的分散元件和电路板 导致系统的设计复杂 成本偏高 系 统的可靠性下降 2 由于人工调试器件的存在 导致生产效率降低及控制系统一致性差 3 器件老化及热漂移问题的存在 导致车载逆变电源输出性能下降 4 产品升级换代困难 对同一型号的模拟控制车载逆变电源 若不改动硬件 升级是 不可能的 每一个新型的车载逆变电源都要求重新设计 制造控制系统 5 模拟控制的车载逆变电源的监控功能有限 一旦出现故障 要想恢复正常 技术人 员必须亲赴现场 因此到了上世纪八十年代末九十年代初 高性能的单片机和数字信号处理器开始出 3 现 在国外开始有人将这些处理器引入车载逆变电源领域 开始数字车载逆变电源的研 究 实现SPWM调制技术的软件化 并将各种先进的数字控制方法应用到车载逆变电源 上 使得车载逆变电源的输出波形质量和可靠性得到进一步提高 其设计也更为灵活 1 51 5 国内车载逆变电源研究存在问题 而国内现有的车载逆变电源产品无论是在电路设计方案 还是在生产工艺上都有许 多地方值得我们认真研究的 国内一些已经形成一定规模的专业电源生产厂商尚把研究 重点放在一些利润相对较大的大电流 大功率的AC DC或DC DC电源设备上 专业制造 DC AC逆变电源的UPS整机厂则把主要的研发力量放在大型电力设备上 功率在3000W以 下的车载逆变电源产品则只有一些中小型厂家在生产或代理国外产品 因为技术力量不 足和研究开发的投入不多 因而整体技术较为落后 制造工艺粗糙 体积过大 转换效 率低下 价格相对过高 更谈不上质量保证了 国外在这方面的产品小巧精致 性能较 好 但是因为种种原因其售价远远超过国内的消费水平 也不容易被国内的普通消费者 所接受 普及应用受到一定的限制 因此研究车载逆变电源技术 制作出适合中国国情 的车载逆变电源产品 在当前的市场背景下还是有很大意义的 1 61 6 车载逆变电源的发展方向 车载逆变电源虽然发展历史不长 但发展速度迅速 它是一种更新换代的革命性电 源 经过技术进步及新器件的发展 无论是从可靠性还是性价比 以及高效节能等方面 考虑 都将有着美好的发展前景 未来的车载逆变电源将主要往以下几个方向发展 1 数字化 智能化 在未来微处理器的性能将更为强劲 由于具有了超强的数据处理 能力和较快的处理速度 配合高性能的A D转换器 微处理器能及时读取车载逆变电源 的输出 并实时计算出输出PWM值 并且一些先进的数字控制策略也在逐渐应用于车载 逆变电源的控制中 这样对于车载逆变电源负载的不确定性 数字化车载逆变电源可以 对负载动态变化产生的谐波进行动态的补偿 使得车载逆变电源的输出质量更高 2 小型化 轻量化 目前车载逆变电源中 高频变压器和滤波电感是影响电源体积和 重量的主要因素 随着材料科学的发展 超导体和高性能软磁性材料将逐步应用到车载 逆变电源中 这将在很大程度上减小车载逆变电源体积和重量 使车载逆变电源更小更 轻 3 更安全 车载逆变电源主要应用在中高档汽车当中 而且车载设备多为手提电脑 手机等高科技产品 价格比较昂贵 因此实现车载逆变电源高性能的同时 在保护电路 设计和外壳设计方面也要不断加强 提高整个车载逆变电源的安全性 4 4 更高效 由于体积的限制 广泛应用于开关电源中的软开关技术并没有应用到车载 逆变电源中 而在车载逆变电源中 开关器件的通断损耗使主要的损耗之一 如何将软 开关技术应用到车载电源中 提高车载逆变电源整机效率也是目前研究的一个热点 1 71 7 本文的主要研究工作 本文主要针对车载逆变电源的特点和目前国内在研究车载逆变电源中存在的问题 对基于 KA7500 的数字式车载逆变电源进行了研究和设计 本文首先对车载逆变电源及 其研究现状和发展方向进行了简要的介绍 随后介绍所设计的基于 KA7500 的数字式车 载逆变电源的工作原理 接着进行系统的硬件设计 实现各个部分的具体功能 最后设 计出电路并进行仿真 验证设计内容和系统特性 本文各个章节安排如下 第一章绪论 介绍车载逆变电源及其研究现状 存在问题和发展方向 第二章介绍基于 KA7500 的数字式车载逆变电源的整体结构 分析前级推挽升压电路和 后级全桥逆变电路工作原理 第三章介绍基于 KA7500 的数字式车载逆变电源的硬件设计 给出的设计指标和要求 详细介绍主电路 控制电路 驱动电路和保护电路等电路的设计 同时分析硬件电路干 扰来源提出硬件抗干扰措施 第四章仿真结果及分析 给出相关的实验波形 验证方案合理性 第五章对全文工作进行总结 针对存在的不足和缺陷 提出下一步研究的设想 1 81 8 本章小结 本章主要对车载逆变电源及其发展现状 发展方向和目前国内研究车载逆变电源存 在问题进行了简要的介绍 并总结了车载逆变电源的特点 在此基础上确定了本论文的 研究目标和研究内容 5 二 二 车载逆变电源的工作原理车载逆变电源的工作原理 2 12 1 车载逆变电源的整体结构 基于 KA7500 的数字式车载逆变电源的主电路设计采用中间直流环节的高频变压器 式逆变电源系统结构 由前级推挽升压电路和后级全桥逆变电路两大部分组成 前级推 挽升压电路包括推挽高频逆变电路 高频变压器隔离升压电路和整流滤波电路 后级全 桥逆变电路包括全桥逆变电路和输出滤波电路 实现直流 12V 输入 交流 110V 50Hz 输出 系统结构图如图 2 1 所示 推挽逆变 电路蓄电池 高频变压 器 整流滤波 电路 全桥逆变 电路 负载 输出滤波 电路 前级推挽升压电路 后级全桥逆变电路 图 2 1 系统硬件结构图 2 22 2 前级推挽升压电路的工作原理 前级推挽升压电路原理图如图 2 2 所示 推挽电路中两个开关管 Q1 和 Q2 交替导 通 在匝数为 N12和 N23的绕组两端分别形成相位相反的交流电压 Q1 导通时 二极管 D2 和 D4 处于通态 Q2 导通时 二极管 D1 和 D3 处于通态 当这两个开关都关断时 四个二极管都处于通态 各分担一半的电流 Q1 或 Q2 导通时电容充电 两个开关都关 断时 电容通过电阻放电 如果 Q1 和 Q2 同时导通 就相当于变压器一次侧绕组短路 因此应避免两个开关同时导通 每个开关各自的占空比不能超过 50 应留有死区 在实际电路设计中 考虑到要减小变压器的体积和损耗 采用 6 组推挽变换器搭配 6 组高频变压器原边并联输入 副边串联输出的模式 虽然推挽电路的开关元件承受的电压应力两倍于输入直流电压 而且变压器原边利 用率也不如半桥和全桥电路那样高 但作为车载逆变电源来说 其输入直流电压比较低 电压应力问题并不严重 而且推挽电路优于半桥或全桥电路的地方在于只有一个开关元 件工作 从而具有较低的开关通态损耗 有利于提高车载逆变电源的效率 采用推挽电 6 路时驱动电路也比较简单 省去了全桥电路或半桥电路中上管浮地驱动的问题 所以在 图 2 2 前级推挽升压电路及 KA7500 工作电源原理图 车载逆变电源的前级比较适合使用推挽电路 2 32 3 KA7500KA7500 工作电源供电原理图 由于本设计需要控制芯片 KA7500 所以由前级推挽电路综合输出 12V 直流电供给 KA7500 工作所需 其是由前级变压器降压输出低压交流电再经整流桥 由两个电容滤波 变成 12V 直流电 如图 2 2 所示 此变压器为双路输出 2 42 4 后级全桥逆变电路的工作原理 2 4 1 后级全桥逆变电路的调制方式 常用的电压型单相全桥方波逆变器有两种工作模式 即 180 方波工作模式和 PWM 调压模式 而本文采用了一种利用 KA7500 混合反馈的 PWM 调压方式 工作在 KA7500 混合反馈的 PWM 调压方式的后级逆变器主电路和 PWM 调制波形如图 2 3 所 示 KA7500 的 c1 c2 的信号控制开关管 M1 和 M3 与 M2 和 M4 的通断 在控制信号 方波的正半周 M1 和 M3 开通 M2 和 M4 关断 在控制信号方波的负半周 M2 和 M4 开通 M1 和 M3 关断 对于每个桥臂而言 每半个正弦波周期切换一次 交替于高 7 低频工作状态 两桥臂工作均衡 可以发现 全桥逆变电路四个 MOS 管源极和漏极之间都并联了一个稳压二极管 这是为保护 MOS 管在关断时免受反向电压冲击 以免损坏 MOS 管 同理 在 M1 和 M2 中的栅极和源极之间并联的二极管也起到类似的保护作用 图 2 3 后级全桥逆变电路 2 52 5 本章小结 本章主要介绍基于 KA7500 的数字式车载逆变电源的整体结构 分析各个组成部分 的工作原理 重点介绍后级全桥逆变电路 KA7500 混合混合反馈的原理 8 三 三 车载逆变电源的硬件设计 3 13 1 车载逆变电源的设计指标与要求 按照之前提到的车载逆变电源的要求和特点 在进行设计之前 必须制定具体的设 计指标和要求 在汽车内部有一个 12V 或 24V 的直流电输出 一般供点烟器使用 也可以为其他 电器提供电力 但不便之处在于它仅能提供直流电 而一般设备都使用 110V 或 220V 交流电 这使得众多电器不能在汽车上使用 车载逆变电源能将汽车蓄电池的直流 12V 或 24V 转换为 110V 或 220V 交流电输出 由于逆变电源是直接在汽车上使用 而汽车 又是高档消费品 要求无论在何种情况下对汽车都有保护作用 即要求该车载逆变电源 输入输出要实现电气隔离 同时 由于逆变电源的输出功率较大 蓄电池输出电流较大 要求蓄电池不能出现 溃电 即蓄电池电压不能下降得太低 以确保汽车能够正常启动 因此要求车载电源应 该有输入欠压保护 除上述要求外 逆变电源应该具有过流 短路和过载保护 由于本课题所研制的车 载逆变电源功率较大 开关管和变压器以及其他元件的发热量均比较大 经过反复考虑 在体积增加在合理范围内的前提下 选用散热风扇加散热片的复合散热方式 使电源的 散热性能更为出色 元件寿命也将得到延长 本课题只考虑其电气性能 对于机构和外 形不予考虑 车载逆变电源的详细指标及要求如下所示 输入电压 12VDC 允许输入电压范围 10VDC 20VDC 输入空载电流 0 50A 输出电压 110VAC 5 持续输出功率 120W 输出电压波形 方波 输出频率 50Hz 2Hz 输入欠压保护 有 输入过压保护 有 9 输出过流保护 有 过温保护 70 摄氏度 输入输出隔离 有 散热方式 风冷主动散热 散热片被动散热 工作环境温度 0 40 摄氏度 电源指示灯 有 3 23 2 车载逆变电源主电路设计 3 2 1 推挽逆变电路开关管的选取 开关管的选取 主要考虑的因素是管子承受的反向应力 电压 最大允许通过的 电流以及管子的导通损耗 由于推挽逆变电源的开关管承受的最大应力为最高输入电压 的两倍 同时应留有一定裕量 因此这里取开关管的额定电压 VDSS为 40V 允许通过 的最大电流为输出负载最大 输入电压最低时的电流 同时还要考虑到变压器的传输效 率 同样要留有一定的裕量 由于电流较大 为了减少导通损耗 应尽可能选择漏射级 导通电阻 RDS小 导通压降小的器件 这里选择型号为 IRF1404 的 MOSFET 如图 3 1 所示 其中 VDSS 40V RDS 0 004 欧 ID 162A 满足课题要求 图 3 1 IRF1404 外形与结构图 参数 3 2 2 全桥整流滤波电路二极管的选取 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 反向恢复时间短且管 子能够承受较高的反向电压 快恢复二极管 Fast Recovery Diode 是一种具有开关特 性好 反向恢复时间短特点的半导体二极管 主要应用于开关电源 PWM 脉宽调制器 变频器等电子电路中 作为高频整流二极管 续流二极管或阻尼二极管使用 快恢复 二极管的内部结构与普通 PN 结二极管不同 它属于 PIN 结型二极管 即在 P 型硅材料 与 N 型硅材料中间增加了基区 I 构成 PIN 硅片 因基区很薄 反向恢复电荷很小 所 10 以快恢复 二极管的反向恢复时间较短 正向压降较低 反向击穿电压 耐压值 较高 快恢 复二极管的反向恢复时间一般为几十纳秒 正向压降约为 0 6V 正向电流是几安培到几 千安培 反向峰值电压可达几百到几千伏 由此可见应该选取耐压较高的快恢复二极管 由于高频整流二极管截止是承受的反向电压为变压器的二次侧电压 为高电压 需留有 一定裕量 本课题选取耐压 400V 的快恢复二极管 ES2G 典型反向恢复时间小于 35ns 3 2 3 全桥整流滤波电路滤波电容的选取 电容 就是容纳和释放电荷的电子元器件 电容的基本工作原理就是充电放电 当然还有整流 振荡以及其它的作用 另外电容的结构非常简单 主要由两块正负电极 和夹在中间的绝缘介质组成 就像三明治一样 所以电容类型主要是由电极和绝缘介质 决定的 电容是电子设备中最基础也是最重要的元件之一 电容的产量占全球电子元器 件产品 其它的还有电阻 电感等 中的 40 以上 基本上所有的电子设备 小到闪盘 数码相机 大到航天飞机 火箭中都可以见到它的身影 作为一种最基本的电子元器件 电容对于电子设备来说就象食品对于人一样不可缺少 图 3 2 各种电容 电容既不产生也不消耗能量 是储能元件 电容器在电力系统中是提高功率因数的 重要器件 在电子电路中是获得振荡 滤波 相移 旁路 耦合等作用的主要元件 电 容的用途非常多 主要有如下几种 1 滤波作用 在电源电路中 整流电路将交流变成脉动的直流 而在整流电路之后 接入一个较大容量的电解电容 利用其充放电特性 使整流后的脉动直流电压变成相对 比较稳定的直流电压 在实际中 为了防止电路各部分供电电压因负载变化而产生变化 所以在电源的输出端及负载的电源输入端一般接有数十至数百微法的电解电容 由于大 容量的电解电容一般具有一定的电感 对高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除 故在其 两端并联了一只容量为 0 001 0 lpF 的电容 以滤除高频及脉冲干扰 汹涌的河水流入到湖泊中 再让它流出来 那就显得平静而柔和了 电容就是充当了 湖泊的作用 让电流更纯净没有杂波 2 耦合作用 作为两个电路之间的连接 允许交流信号通过并传输到下一级电路 在低频信号的传递与放大过程中 为防止前后两级电路的静态工作点相互影响 常采用 电容藕合 为了防止信号中韵低频分量损失过大 一般总采用容量较大的电解电容 3 隔直通交 电容器主要用于交流电路及脉冲电路中 在直流电路中电容器一般 起隔断直流的作用 4 旁路 去耦 为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路 5 在接地线上 为什么有的也要通过电容后再接地 答 在直流电路中是抗干扰 把干扰脉冲通过电容接地 在这的次要作用是隔直 电路中的电位关系 交流电路中也有这样通过电容接地的 一般容量较小 也是抗干 11 扰和电位隔离作用 6 补尝功率因数 在工业上使用的负载主要是电动机感性负载 要并电容这容性负 载才能使电网平衡 因为在电容上建立电压首先需要有个充电过程 随着充电过程 电 容上的电压逐步提高 这样就会先有电流 后建立电压的过程 通常我们叫电流超前电 压 90 度 电容电流回路中无电阻和电感元件时 叫纯电容电路 电动机 变压器等有 线圈的电感电路 因通过电感的电流不能突变的原因 它与电容正好相反 需要先在线 圈两端建立电压 后才有电流 电感电流回路中无电阻和电容时 叫纯电感电路 纯 电感电路的电流滞后电压 90 度 由于功率是电压乘以电流 当电压与电流不同时产生 时 如 当电容器上的电压最大时 电已充满 电流为 0 电感上先有电压时 电感电 流也为 0 这样 得到的乘积 功率 也为 0 这就是无功 那么 电容的电压与电流 之间的关系正好与电感的电压与电流的关系相反 就用电容来补偿电感产生的无功 这 就是无功补偿的原理 7 温度补偿 针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响 而进行补偿 改善 电路的稳定性 8 计时 电容器与电阻器配合使用 确定电路的时间常数 9 调谐 对与频率相关的电路进行系统调谐 比如手机 收音机 电视机 10 整流 在预定的时间开或者关半闭导体开关元件 11 储能 储存电能 用于必须要的时候释放 例如相机闪光灯 加热设备等等 如今某些电容的储能水平已经接近锂电池的水准 一个电容储存的电能可以供一个手机 使用一天 滤波电容对电感电流起积分作用 积分结果表现为电容电压的波动 作为与输出电 压直接相关的一个电压量 滤波电容电压纹波必须满足输出电压对纹波的要求 从滤波 的角度看 电容量越大越好 但是电容量越大 电容储能越大 逆变电源工作时在电容 与直流电源间来回流动的无功能量就会越多 这会增加各种电路损耗 使系统效率降低 并且电容容量增大会使系统的体积和重量增大 动态响应性能降低 因此 必须在满足 滤波要求的基础上对电容量作合理的选择 假设此时系统工作在额定状态 带阻性负载为 R 根据工程经验 电容的耐压值选定 400V 由 3 35 2RCT 1 可得主电路电容的取值范围为 3 2 2CF 为实现更好的滤波效果 在本系统电路设计中 电容滤高频 2 2 F 3 2 4 后级全桥逆变电路开关管的选取 12 由于本课题所研制的逆变电源功率较高 达到 120W MOSFET 开关管 N Channel MOSFET 730 200V 6 5A TO 252 对角的两个开关管作为一组 两组开关轮流工作 在一 个周期中的短时间内 四个开关管均处于断开状态 即设定有死区时间 以防开关管直 通 显然开关管电流较小 但需要承受较高的反向电压 即高压峰值 本课题逆变电源 的额定输出功率 Po 120W 额定输出电压 110V 考虑到滤波器损耗和功率开关的开关损 耗 效率为 85 则有 逆变电源功率 W 3 3 120 0 85141 N P 峰值电流值 3 4 2 1102 72 MN IKPA 其中安全裕度系数 K 1 5 通过综合考虑 选择型号为 N Channel MOSFET 730 200V 6 5A TO 252 集射级额定电压为 200V 集电极额定电流为 6 5A MOSFET 730 的控 制选用 KA7500 实现 SPWM 数字控制 控制方式将会在下一章系统设计中进行详细介 绍 3 2 5 变压变压器器 图 3 3 变压器代表符号 开关电源变压器是加入了开关管的电源变压器 在电路中 除了普通变压器的电压 变换功能 开关电源变压器还兼具绝缘隔离与功率传送功能 开关电源变压器一般用在 13 开关电源等涉及高频电路的场合 开关电源变压器和开关管一起构成一个自激 或他激 式的间歇震荡器 从而把输入 直流电压调制成一个高频脉冲电压 它起到能量传递和转换作用 在反激式电路中 当 开关管导通时 变压器把电能转换成磁场能储存起来 当开关管截止时则释放出来 在正 激式电路中 当开关管导通时 输入电压直接向负载供给并把能量储存在储能电感中 当 开关管截止时 再由储能电感进行续流向负载传递 开关变压器一般都是工作于开关状态 当输入电压为直流脉冲电压时 称为单极性 脉冲输入 如单激式变压器开关电源 当输入电压为交流脉冲电压时 称为双极性脉冲 输入 如双激式变压器开关电源 因此 开关变压器也可以称为脉冲变压器 因为其输 入电压是一序列脉冲 因为开关变压器还分正 反激输出 开关电源变压器分单激式开关电源变压器和双激式开关电源变压器 两种开关电源 变压器的工作原理和结构并不是完全一样的 单激式开关电源变压器的输入电压是单极 性脉冲 并且还分正反激电压输出 而双激式开关电源变压器的输入电压是双极性脉冲 一般是双极性脉冲电压输出 另外 为了防止磁饱和 在单激式开关电源变压器的铁芯 中一般都要留气隙 而双激式开关电源变压器的铁芯磁通密度变化范围相对来说比较大 一般不容易出现磁饱和现象 因此 一般都不用留气隙 单激式开关电源变压器还分正激式和反激式两种 对两种开关电源变压器的技术参 数要求也不一样 对正激式开关电源变压器的初级电感量要求比较大 而对反激式开关 电源变压器初级电感量的要求 其大小却与输出功率有关 双激式开关电源变压器铁芯的磁滞损耗比较大 而单激式开关电源变压器铁芯的 磁滞损耗却比较小 这些参数基本上都与变压器铁芯的磁化曲线有关 开关变压器使用的磁性材料为软磁铁氧体 按其成分和应用频率可分为 MnZn 系 和 NiZn 系两大类 前者具有高的导磁率和高的饱和磁感应 在中频和低频范围具有 较低损耗 磁芯的形状很多 如 EI 型 E 型 EC 型等 在本次设计中 变压器输出交流电压 3 5 OD U ID U Y N F N2 155 5 OA UV 因电路有一定的损耗 考虑一定的裕量 故设定直流输出电压156V 为 Y N 变压器原边绕组匝数 为升压变压器副边绕组匝数 为原边直流电压 为 F N ID U OA U 交流电压输出有效值 110V 14 考虑全桥电路每个桥臂上的开关管导通压降为 1V 输出的肖特基整流管的导通压降 为 0 5V 则有公式 2 1 2 3 6 OD U ID U Y N F N on T T 设定本逆变电源系统功率的传递效率为 所以 从而计算变压器副边9 0 e9 0 2 T Ton 和原边的匝数比为 22 F N Y N 3 33 3 前级推挽升压电路控制电路设计 3 3 1 KA7500 及其应用 KA7500 各引脚功能简介 KA7500 的内部电路由基准电压产生电路 振荡电路 间歇期调整电路 两个误差 放大器 脉宽调制比较器以及输出电路等组成 1 IN1 引脚 1 误差放大器同向输入端 图 3 4 集成芯片 KA7500 管脚图 2 IN1 引脚 2 误差放大器反向输入端 3 FEEDBACK 引脚 3 相位校正和增益控制端 4 DTC 引脚 4 死区控制端 其上加 0 3 3V 电压时可使截止时间从 2 线怀变化到 100 该端与外围电路相配合可以控制输出脉冲 从而实现电路的保护功能 5 Ct 引脚 5 外接震荡电容 15 6 Rt 引脚 6 外接震荡电阻 则输出脉冲的振荡频率为 f 3 7 TTC R 1 1 7 GND 引脚 7 接地端 8 C1 引脚 8 E1 引脚 9 C2 引脚 11 E2 引脚 10 分别为末级输出三极管的集电极 和发射极 9 VCC 引脚 12 电源供电端 10 OTC 引脚 13 输出控制端 该脚接地时为并联单端输出方式 接 14 脚时为推挽输出 方式 11 REF 引脚 14 5V 基准电压输出端 最大输出电流 10mA 12 IN2 引脚 15 误差放大器 反向输入端 13 IN2 引脚 引脚 16 误差放大器 同向输入端 3 3 2 控制芯片的外围电路 在本课题中 前级升压电路的主电路选择了推挽逆变结构 采用集成PWM电压控 制芯片KA7500控制开关管通断 图3 3为控制芯片KA7500的外围电路图 调节PWM宽 度 使高压直流电压符合要求 从而达到稳定输出电压的目的 图 3 5 控制芯片 KA7500 的外围电路图 3 3 3 推挽升压电路 直流变换电路由 DC AC 和整流滤波电路组成 其中直流交换电路结构如图 3 6 所示 16 Q1 和 Q2 的基极分别接两个驱动放大电路 驱动电路如图 3 7 所示 工作原理 由于从 KA7500 控制芯片输出的 PWM 驱动信号不足以驱动 MOS 管 所以需经过放大作用 PWM 控 制开关管 K1P 为了确保 PWM 波形在低电平时 Q1 为绝对低电平免于误动作 采取了 K2F 的 PNP 型的开关管 在 PWM 低电平时其导通接地 确保了 Q1 无误动作 而驱动放大电路的两个输入端分别接 KA7500 的两个内置开关管 E1 E2 中心器件 变压器变压器 T1 实现电压由 12V 脉冲电压转变为 320V 脉冲电压 此脉冲电压经过整 流滤波电路变成 320V 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 图 3 6 前级推挽电路 KA7500 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 17 图 3 7 前级推挽电路的驱动电路 Q3 和 Q4 也交替导通 这样使变压器工作在推挽状态 Q1 和 Q2 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 E1 导通时 场效应管 Q1 有正偏 压导通 当 E2 导通时 场效应管 Q2 也有正偏压导通 且交替导通时其峰值电压为 12V 即 产 图 3 8 整流滤波电路 生了 12V 50KHz 的交流电 极性电容 E1 滤去 12V 直流中的交流成分 降低输入干扰 滤波电容 E1 可取为 1000Uf 16V 整流滤波电路由四只整流二极管和一个滤波电容 一 个负载电阻组成 四只整流二极管 D1 D4 接成电桥形式 称单相桥式整流电路 如上 图 3 8 所示 在桥式整流电路中 电容 E2 滤去了电路中的交流成分 此处滤波取值为 18 2 2uF 400V 推挽场效应管 Q1 Q2 在工作时会通过大电流 经过计算电流约为 100A 故场效应管的 型号选择 N Channel MOSFET 1404 其最大耐压值为 220V 电流为 110A 满足要求 另外 本设计供电用 24V 直流整流电流电路图如图 3 9 所示 整流二极管采用 Diode 4148 其具体参数为 LL 34 Vf 0 75 1 25V If 0 3A 图 3 9 驱动用 24V 直流整流电路 3 43 4 后级全桥逆变电路驱动电路设计 图 3 10 后级全桥逆变电路驱动电路 后级全桥逆变电路采用全桥逆变结构 DC AC 电路结构如图 3 10 所示 该变换电路 为全桥桥式电路 电路中各输入输出波形如图 3 11 所示 由集成芯片 KA7500 产生的 50Hz 的两路互 19 补的脉冲方波分别由芯片的 C1 输出端和 C2 输出端输出 控制芯片外围电路如图 3 10 所示 其高端和低端输出的两列波形如下图所示 如果将此脉冲直接输入驱动芯片来驱动全桥电路 如在方波的前半个周期 驱动脉 冲会使电路中的 M1 和 M3 两个场效应管在前半个周期内的绝大多数时间处于导通 经过 滤波后输出为 220V 的工频方波的前半个周期 但是在 M1 和 M3 关断的很短时间内 另 一路会输入一系列时间极短的电平脉冲 这些脉冲会使 M2 和 M4 瞬间导通 这样可能会 在 图 3 11 各个输出波形 输出端输出一列相位相反的尖峰脉冲 会影响输出的方波 因而在本次设计中 KA7500 输出的调宽脉冲并不直接用来驱动全桥电路 而是分别输入如图 3 13 所示电路经相应 处理后转化为两列相位互补的 50Hz 方波 同时这种方式可以减少开关管的损耗 增加 开关管的可靠性 提高逆变电源的效率 图 3 12 为全桥逆变电路控制芯片的外围电路 首先 M1 M2 M3 M4作为最终输出端控制波形来控制后级逆变全桥电路 C1 C2 作为后级电路控制芯片的两列推挽式互补输出波形 当R54端口信号输入为高电平时 R57端口信号输入为低电平 此时 那么M2输出为高电平 而M1由于C1的高电平驱动了 开关管N6后接地 所以M1输出为低电平 对应的 M4输出为高电平 而M3由于R57端接 地低电平 所以为低电平 开关管关断 相反 当R54端口信号输入为低电平时 R57端口信号输入为高电平 那么M2由于 20 图3 12 逆变全桥电路控制芯片外围电路 R54端接地所以为低电平 M1则有输出交流叠加供电输出V 呈现高电平 开关管开启 对 应的 M4由于开关管N5开启接地 所以呈现低电平 M3则呈现高电平 开关管开启 其中 我们可以看到的是 M1和M3的输出状态是一致的 M2和M4则是一样的 他们波形 互补 二极管D20的作用是确保M1高电平时M2通过二极管正向接地 电平绝对为零 和 二 极管D10的作用一样 21 图3 13 全桥逆变电路的驱动电路 3 5 工作指示工作指示电电路路 电源工作指示电路如图3 14所示 只要控制前级推挽电路的控制芯片KA7500正常输 出 则LED指示灯1亮 而MOS管1正常开启 则指示灯LED2也同时亮起 表明逆变电源的 前级正常工作中 图3 14 工作指示电路 3 6 输出电压采样反馈电路 本文所设计的车载逆变电源控制方式中 在一个输出方波周期内 只需要对输出方 波的正半周峰值进行检测即可 所以采样电路只需要采用简单的电阻分压电路 将峰值 22 电压采样到 KA7500 工作原理 将 110 伏交流输出如图 3 15 所示接入电压采样反馈电路中 若输出电压 图 3 15 输出电压采样电路图 超过设定值的容许范围内 则成功击穿稳压二极管 Z3 则通往控制芯片 KA7500DT 脚 的电压会升高 则控制芯片会减小输出信号的占空比 使输出电压降下到合适值 这样 就起到了采样反馈调压的作用 3 7 车载逆变电源保护电路设计 本文所设计的车载逆变电源的保护和监控工作由 KA7500 负责完成 当打开车载逆 变电源的电源开关后 KA7500 便开始实时监控蓄电池输入电压 输出电流和散热片温 度 当这些量的值超过程序预设值时如果问题得不到及时解决 将直接关闭车载逆变电 源 3 7 13 7 1 输输入入过压过压和欠和欠压压保保护护 电源输入过压保护电路如图 3 16 所示 23 图 3 16 输入过压和欠压保护 12V 为电池电压 电池通过 R16 和 R38 稳压管 Z1 产生一个分压 该分压加到脉 冲产生芯片 KA7500 的引脚 1 即误差放大器同向输入端 引脚 2 为反相输入端 电路正 常情况下 2 脚电压应略高于 1 脚电压才能保证误差比较器 I 的输出为低电平 才能使芯 片内两个三极管正常工作 由于引脚 2 与基准电压输出端 14 脚经分压后相连 则引脚 2 的电压为基准电压的分压 4 966V 但是当输入电压过高超过 15V 时 1 脚处的电压则 会高于 4 966V 即高于 2 脚的电压 则误差放大器 输出高电平 则 KA7500 停止工作 从而实现过压保护 图右边的是电压给定值 Vref0 为 KA7500 芯片的基准电压 5V 经 R31 R32 分压后进入 KA7500 的 2 脚 同时 电池电压经 R4 R29 分压进入 15 脚 正常大约为 4 39V 正常工 作下 15 脚电平高于 16 脚 当电池欠压时 16 脚高于 15 脚 关闭 PWM 输出 保护电 池 3 7 2 输出过压反馈保护电路 输出过压保护电路结构如图 3 17 电阻 R68 对输出电压进行采样 当输出电压过高 时将导致稳压管 Z3 击穿 使 KA7500 芯片的 4 脚对地的电压升高 使芯片 KA7500 停止 输出驱动脉冲 切断输出 设允许输出的最高电压为 120V 稳压管的稳压值输出为 30V 后继电路为 110V 50Hz 输出 其中电阻 R64 R49 为 100 R50 为 17 8K 根据电 K 路分压知识 则 R68 上的电压为 3 8 39 2 120 30 17 8239 2 100 VV 故稳压管的稳压值为 30V 电容 E5 为 0 1uF C4 为 2 2Uf C15 为 240nF 用来滤波 对照常用稳压管的参数表 用于输出过压保护的稳压管型号为 Diode 30V 24 图 3 17 输出过压保护电路 LL 34 1 2W 其稳压值为 30V 最大耗散功率为 0 5W 最大工作电流为 34mA 满足电路 要求 3 7 3 过热保护 在这里先介绍一下过热保护中的重要元件 热敏电阻 PTC 热敏电阻 正温度系数热敏电阻 是一种具温度敏感性的半导体电阻 一旦超 过一定的温度 居里温度 时 它的电阻值随着温度的升高几乎是呈阶跃式的增 高 PTC 热敏电阻本体温度的变化可以由流过 PTC 热敏电阻的电流来获得 也可以由外 界输入热量或者这二者的叠加来获得 陶瓷材料通常用作高电阻的优良绝缘体 而陶瓷 PTC 热敏电阻是以钛酸钡为基 掺 杂其它的多晶陶瓷材料制造的 具有较低的电阻及半导特性 通过有目的的掺杂一种化 学价较高的材料作为晶体的点阵元来达到的 在晶格中钡离子或钛酸盐离子的一部分被 较高价的离子所替代 因而得到了一定数量产生导电性的自由电子 对于 PTC 热敏电阻效应 也就是电阻值阶跃增高的原因 在于材料组织是由许多小 的微晶构成的 在晶粒的界面上 即所谓的晶粒边界 晶界 上形成势垒 阻碍电子越 界进入到相邻区域中去 因此而产生高的电阻 这种效应在温度低时被抵消 在晶界上 高的介电常数和自发的极化强度在低温时阻碍了势垒的形成并使电子可以自由地动 而 这种效应在高温时 介电常数和极化强度大幅度地降低 导致势垒及电阻大幅度地增高 呈现出强