《单相交流电机调速器设计》-项目3

任务一车载逆变器原理分析在图３－１（ｂ）所示电路中，芯片ＩＣ１及其外围电路，三极管ＶＴ１、ＶＴ３，ＭＯＳ功率管ＶＴ２、ＶＴ４，以及变压器Ｔ１组成１２Ｖ直流变换为２２０Ｖ／５０ｋＨｚ交流的逆变电路。由芯片ＩＣ２及其外围电路，三极管ＶＴ５、ＶＴ８，ＭＯＳ功率管ＶＴ６、ＶＴ７、ＶＴ９、ＶＴ１０，以及２２０Ｖ／５０ｋＨｚ整流，滤波电路ＶＤ５～ＶＤ８，Ｃ１２等共同组成２２０Ｖ／５０ｋＨｚ高频交流电变换为２２０Ｖ／５０Ｈｚ工频交流电的转换电路，最后通过ＸＡＣ插座输出２２０Ｖ／５０Ｈｚ交流电供各种便携式电器使用。图３－１（ｂ）中ＩＣ１、ＩＣ２采用ＴＬ４９４ＣＮ（或ＫＡ７５００Ｃ）芯片，构成车载逆变器的核心控制电路。下一页返回任务一车载逆变器原理分析ＴＬ４９４ＣＮ是专用的双端式开关电源控制芯片，其尾缀字母ＣＮ表示芯片的封装外形为双列直插式塑封结构，工作温度范围为０℃～７０℃，极限工作电源电压为７～４０Ｖ，最高工作频率为３００ｋＨｚ。ＴＬ４９４芯片内置有５Ｖ基准源，稳压精度为（５±０.０５）Ｖ，负载能力为１０ｍＡ，并通过其１４脚进行输出供外部电路使用。ＴＬ４９４芯片还内置两只ＮＰＮ功率输出管，可提供５００ｍＡ的驱动能力。ＴＬ４９４芯片的内部电路如图３－２所示。图３－１（ｂ）电路中ＩＣ１的１５脚外围电路的Ｒ１、Ｃ１组成上电软启动电路。上电时电容Ｃ１两端的电压由０逐步升高，只有当Ｃ１两端电压达到５Ｖ以上时，才允许ＩＣ１内部的脉宽调制电路开始工作。上一页下一页返回任务一车载逆变器原理分析当电源断电后，Ｃ１通过电阻Ｒ２放电，保证下次上电时的软启动电路正常工作。ＩＣ１的１５脚外围电路的Ｒ１、Ｒｔ、Ｒ２组成过热保护电路，Ｒｔ为正温度系数热敏电阻，常温阻值可在１５０～３００Ω任选，适当选大些，可提高过热保护电路启动的灵敏度。热敏电阻Ｒｔ安装时要紧贴于ＭＯＳ功率开关管ＶＴ２或ＶＴ４的金属散热片上，这样才能保证电路的过热保护功能有效。上一页下一页返回任务一车载逆变器原理分析ＩＣ１的１５脚的对地电压值Ｕ是一个比较重要的参数，图３－１（ｂ）电路中Ｕ≈Ｖｃｃ×Ｒ２÷（Ｒ１＋Ｒｔ＋Ｒ２），常温下的计算值为Ｕ≈６.２Ｖ。结合图３－１（ｂ）、图３－２可知，正常工作情况下要求ＩＣ１的１５脚电压应略高于１６脚电压（与芯片１４脚相连为５Ｖ），其常温下６.２Ｖ的电压值大小正好满足要求，并略留有一定的余量。车载逆变器工作原理中，当电路工作异常，ＭＯＳ功率管ＶＴ２或ＶＴ４的温升大幅提高，热敏电阻Ｒｔ的阻值超过４ｋΩ时，ＩＣ１内部比较器１的输出将由低电平翻转为高电平，ＩＣ１的３脚也随即翻转为高电平状态，致使芯片内部的ＰＷＭ比较器、“或”门及“或非”门的输出均发生翻转，输出级三极管ＶＴ１和ＶＴ２均转为截止状态。上一页下一页返回任务一车载逆变器原理分析当ＩＣ１内的两只功率输出管截止时，图３－１（ｂ）电路中的ＶＴ１、ＶＴ３将因基极为低电平而饱和导通，ＶＴ１、ＶＴ３导通后，功率管ＶＴ２和ＶＴ４将因栅极无正偏压而处于截止状态，逆变电源电路停止工作。ＩＣ１的１脚外围电路的ＶＤＺ１、Ｒ５、ＶＤ１、Ｃ２、Ｒ６构成１２Ｖ输入电源过压保护电路，稳压管ＶＤＺ１的稳压值决定了保护电路的启动门限电压值，ＶＤ１、Ｃ２、Ｒ６还组成保护状态维持电路，只要发生瞬间的输入电源过压现象，保护电路就会启动并维持一段时间，以确保后级功率输出管的安全。考虑到汽车行驶过程中电瓶电压的正常变化幅度大小，通常将稳压管ＶＤＺ１的稳压值选为１５Ｖ或１６Ｖ较为合适。上一页下一页返回任务一车载逆变器原理分析ＩＣ１的３脚外围电路的Ｃ３、Ｒ５是构成上电软启动时间维持及电路保护状态维持的关键性电路，实际上不管是电路软启动的控制还是保护电路的启动控制，其最终结果均反映在ＩＣ１的３脚电平状态上。电路上电或保护电路启动时，ＩＣ１的３脚为高电平。当ＩＣ１的３脚为高电平时，将对电容Ｃ３充电。这导致保护电路启动的诱因消失后，Ｃ３通过Ｒ５放电，因放电所需时间较长，电路的保护状态仍得以维持一段时间。当ＩＣ１的３脚为高电平时，还将沿Ｒ８、ＶＤ４对电容Ｃ７进行充电，同时将电容Ｃ７两端的电压提供给ＩＣ２的４脚，使ＩＣ２的４脚保持为高电平状态。上一页下一页返回任务一车载逆变器原理分析从图３－２的芯片内部电路可知，当４脚为高电平时，将抬高芯片内死区时间比较器同相输入端的电位，使该比较器输出保持为恒定的高电平，经“或”门、“或非”门后使内置的三极管ＶＴ１和ＶＴ２均截止。图３－１（ｂ）所示电路中的ＶＴ５和ＶＴ８处于饱和导通状态，其后级的ＭＯＳ管ＶＴ６和ＶＴ９将因栅极无正偏压而都处于截止状态，逆变电源电路停止工作。ＩＣ１的５脚外接电容Ｃ４（４７２）和６脚外接电阻Ｒ７（４ｋ３）为脉宽调制器的定时元件，所决定的脉宽调制频率ｆｏｓｃ＝１.１÷（０.００４７×４.３）≈５０（ｋＨｚ），即电路中的三极管ＶＴ１、ＶＴ２、ＶＴ３、ＶＴ４，变压器Ｔ１的工作频率均为５０ｋＨｚ左右，因此Ｔ１应选用高频铁氧体磁芯变压器，变压器Ｔ１的作用是将１２Ｖ脉冲升压为２２０Ｖ的脉冲，其初级匝数为２０×２，次级匝数为３８０。上一页下一页返回任务一车载逆变器原理分析ＩＣ２的５脚外接电容Ｃ８（１０４）和６脚外接电阻Ｒ１４（２２０ｋΩ）为脉宽调制器的定时元件，所决定的脉宽调制频率为ｆｏｓｃ＝１.１÷（０.１×２２０）＝５０（Ｈｚ）。Ｒ２９、Ｒ３０、Ｒ２７、Ｃ１１、ＶＤＺ２组成ＸＡＣ插座２２０Ｖ输出端的过压保护电路，当输出电压过高时将导致稳压管ＶＤＺ２击穿，使ＩＣ２的４脚对地电压上升，芯片ＩＣ２内的保护电路动作，切断输出。车载逆变器电路中的ＭＯＳ管ＶＴ２、ＶＴ４有一定的功耗，必须加装散热片，其他器件均不需要安装散热片。当车载逆变器产品持续应用于功率较大的场合时，需在其内部加装１２Ｖ小风扇以帮助散热。上一页返回任务二车载逆变器电路设计一、三相整流电路设计单相可控整流电路虽然简单，调试、维护方便，但输出整流电压脉动大，又会影响三相交流电网负载的平衡，所以只适用于小容量、对整流指标要求不高的可控整流装置。当整流负载容量较大，或要求直流电压的脉动要小、易滤波，或要求快速控制时，应采用对电网来说是平衡的三相整流装置。三相可控整流电路有许多类型：三相半波、三相全控桥式、三相半控桥式、双反星形、十二相整流电路，其中三相半波可控整流电路是最基本的一种，其他电路可看成是它的串联或并联。下一页返回任务二车载逆变器电路设计下面重点分析一下三相半波可控整流电路的结构、工作原理、波形分析、参数计算等。为了更好地理解三相半波可控整流电路，可先了解一下由二极管组成的不可控整流电路。二、有源逆变电路设计１.有源逆变的工作原理整流与有源逆变的根本区别是两者能量传送方向的不同。一个相控整流电路，只要满足一定条件，也可工作于有源逆变状态，这种装置称为变流装置或变流器。上一页下一页返回任务二车载逆变器电路设计２.逆变失败的原因与逆变角的限制１）逆变失败的原因晶闸管变流装置工作有逆变状态时，如果出现电压Ｕｄ与直流电动势Ｅ顺向串联，则直流电动势Ｅ通过晶闸管电路形成短路，由于逆变电路总电阻很小，必然形成很大的短路电流，造成事故，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。现以单相全控桥式逆变电路为例说明。在图３－２１所示电路中，原本是ＶＴ２和ＶＴ３导通，输出电压ｕ′２；在换相时，应由ＶＴ３、ＶＴ４换相为ＶＴ１和ＶＴ２导通，输出电压为ｕ２。但由于逆变角β太小，小于换相重叠角γ，因此在换相时，两组晶闸管会同时导通。上一页下一页返回任务二车载逆变器电路设计而在换相重叠完成后，已过了自然换相点，使得ｕ′２为正，而ｕ２为负，ＶＴ１和ＶＴ４因承受反压不能导通，ＶＴ３和ＶＴ４则承受正压继续导通，输出ｕ′２，这样就出现了逆变失败。２）逆变失败的限制为防止逆变失败，应当合理选择晶闸管的参数，对其触发电路的可靠性、元件的质量及过电流保护性能等都有比整流电路更高的要求。逆变角的最小值也应严格限制，不可过小。逆变时允许的最小逆变角βｍｉｎ应考虑几个因素：不得小于换向重叠角γ、晶闸管本身关断时所对应的电角度、一个安全裕量等，这样最小逆变角βｍｉｎ的取值一般为βｍｉｎ≥３０°～３５°。上一页下一页返回任务二车载逆变器电路设计为防止β＜βｍｉｎ，有时要在触发电路中设置保护电