基于脉宽调制芯片l494的微型车载逆变器设计

基于脉宽调制芯片l494的微型车载逆变器设计

车辆内的网络系统由电池提供12v，车辆内的12v电源通常由点烟器使用。随着现代汽车用电设备种类的增多,内置的单一直流电源不能满足如手提电脑、手机充电器、小型电视等所需220V交流电的需求。这就需要逆变器将12V直流电转换为220V交流电,同时,以上商用或一般生活用的设备对交流电压的波形要求不高,方波即可,不必需要正弦波。基于这样的应用背景,本文设计制作了一款微型车载逆变器,体积小、重量轻,采用方波输出,电压有效值为220V,功率可达150W。1推三感电路分析逆变器系统框图如图1所示,整个结构分两级,第一级为DC-DC变换,第二级为DC-AC变换。同时利用MC34063构成降压式变换器提供5V直流输出的标准USB接口。车载逆变电源需要采用开关变换器将蓄电池提供的12V直流电经过DC-DC变换器提升为22V,后级再经过DC-AC变换器转换为工频交流电。对于前级DC-DC变换器,又包括高频DC-AC逆变部分、高频变压器和AC-DC整流部分。推挽逆变电路以其结构简单、变压器磁芯利用率高等优点得到了广泛应用,尤其是在低压大电流输入的中小功率场合;同时全桥整流电路也具有电压利用率高、支持输出功率较高等特点;而全桥逆变电路开关管需要的电压不高,输出功率也比较大,变压器利用率高,因此本文采用推挽逆变-高频变压-全桥整流-全桥逆变的结构。2硬件电路2.1片内集成误差放大器设计TL494是一种频率固定的脉冲宽度控制器,片内集成误差放大器,死区时间可控制,输出控制可用于推挽式和单端式。其内部结构如图2所示,时序图如图3所示。2.2蓄电池放电结果DC-DC变换电路如图4所示。采用推挽式电路,高频变压器初级绕组中心抽头接蓄电池12V,线圈两端接开关管MOS1和MOS2,触发信号由TL494提供,间隔180°。MOS1导通时,MOS2截止,蓄电池12V电压加在初级绕组W12和MOS1构成的回路上,绕组W12上感应出的电压与蓄电池电源电压相等,同名端为正极性,次级绕组W2感应电压上正下负。MOS2导通时,MOS1截止,蓄电池12V电压加在初级绕组W11和MOS2构成的回路上,绕组W11同名端为负极性,次级绕组W2感应电压上负下正。这样,次级绕组W2上得到了脉宽180°的交变方波电压,再经快恢复二极管D7～D10全波整流后得到22V直流电压。TL494的工作开关频率由第6脚的电阻和第5脚的电容共同决定。较高的开关频率可以减小高频变压器体积,降低成本,但太高的开关频率会增加功率开关管的损耗,对散热要求较高,开关频率太低使得变压器体积必须增大,导致整体成本增加。考虑到本逆变器有小型风扇散热,为了减小体积,使之便于携带,本电路设定开关频率为50kHz,从而使高频变压器可以做得很小。2.3高频设备组的设计(1)fw1bmae设推挽电路的初级绕组匝数W11=W12=W1,由法拉第定律有:V1=KffW1BmAe(1)V1=ΚffW1BmAe(1)式中:V1为输入电压;f为开关频率;Kf为波形系数,方波为4.0,正弦波为4.4;Bm为最大磁通密度;Ae为磁芯截面积。由式(1)可得:W1=Vi/(KffBmAe)。(2)级绕组的旋转数W2=(V2/V1)W1(2)W2=(V2/V1)W1(2)其中,V2为次级绕组电压,这里为22V直流电压和快恢复二极管压降之和。(3)铜导电穿透深度d导线截面积为S1=I1/J1,I1为各绕组电流有效值;J1为电流密度,一般为3～5A/mm2。导线直径为d1=4S1/π−−−−−√d1=4S1/π。铜导体穿透深度:δ=ρ/(πμ0rf)−−−−−−−−√(3)δ=ρ/(πμ0rf)(3)式中:ρ为铜导体电阻率,25℃时ρ=1.72×10-8Ω·m;r为铜导体电导率;μ0为真空磁导率;f为工作频率。选取导线时,应使线径小于2δ,并采用直径小于2δ的多股导线并绕,或采用宽而薄的铜导线绕制,铜箔厚度小于2δ。2.4桥式逆变电路—DC-AC变换电路DC-AC变换电路如图5所示。采用全桥逆变形式,由于不需要变压器升高或降低电压而是直接向负载供电,使得逆变器的体积可以减小。MOS4和MOS5为一组,MOS3和MOS6为一组,两组功率管轮流导通。选择脉宽调制(PWM)控制方式,具体原理为:MOS5和MOS6轮流导通180°,MOS3和MOS4也是同样的方式。下桥臂MOS4和MOS6的触发信号要比上桥臂MOS4和MOS5早,这样有利于上桥臂功率管的触发。桥式逆变电路的4个NMOS功率管选择IRFR320,该管最高耐压400V,最大电流为3.1A,输入阻抗极高,漏源电阻仅为1.8Ω。并且为了减小逆变器的体积,选择了TO-252AA贴片式封装。2.5带usb口的电气该逆变器带有一个标准USB接口,可提供5V直流电压输出。输出电流可达500mA,能为具有USB接口的手机、MP3供电,具体电路如图6所示。利用单片双极性线性集成电路MC34063构成开关式降压变换器。MC34063能在3～40V的输入电压下工作,输出开关电流可达1.5A,输出电压可调,工作振荡频率从100Hz～100kHz。3标准溶液的配制依据上述方案设计制作了逆变器,并进行了实验,体积为9mm×6mm×1.4mm。采用12V开关电源作为直流输入,交流输出端经过220V到9V变压器降压后,利用优利德UNI-TUT2025C数字示波器测量了输出波形,如图7所示。4c逆变两级电路结构本文设计一款基于TL494的微型车载逆变器,包括DC-DC直流升压变换和DC-A