穩(wěn)壓正弦波逆變電源12V轉(zhuǎn)220V電路設(shè)計

本文摘要：車載逆變器就是一種能把汽車上12V直流電轉(zhuǎn)化為220V/50Hz交流電的電子裝置,是常用的車用電子用品。在日常生活中逆變器的應(yīng)用也很廣泛,比如筆記本電腦、錄像機和一些電動工具等。
本設(shè)計主要基于開關(guān)電源電路技術(shù)等基礎(chǔ)知識，采用二次逆變實現(xiàn)逆變器的設(shè)計。主要思路是：運用TL494以及SG3525A等芯片,先將12V直流電源升壓為320V/50Hz的高頻交流電，再經(jīng)過整流濾波將高頻交流電整流為高壓直流電，然后采用正弦波脈沖調(diào)制法，通過輸出脈沖控制開關(guān)管的導(dǎo)通。最后經(jīng)過LC工頻濾波及相應(yīng)的輸入輸出保護電路后，輸出穩(wěn)定的準正弦波，供負載使用。
本設(shè)計具有靈活方便、適用范圍廣的特點，基本能夠滿足實踐需求。而且本設(shè)計采用高頻逆變方式，具有噪聲降低、反應(yīng)速度提高以及電路調(diào)整靈活的優(yōu)點。設(shè)計符合逆變電源小型化、輕量化、高頻化以及高可靠性、低噪聲的發(fā)展趨勢。

本文目錄
1 緒論1
1.1 車載逆變器及其發(fā)展1
1.2 逆變技術(shù)及其發(fā)展1
2 設(shè)計總體目標4
2.1 設(shè)計要求4
2.2 總體方案的選取4
3 整體電路設(shè)計6
3.1 逆變電源整體框圖6
3.2 脈寬調(diào)制技術(shù)及其原理8
3.2.1 脈寬調(diào)制技術(shù)8
3.2.2 正弦波脈寬調(diào)制定義8
3.3 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)的實現(xiàn)方法9
3.3.1 軟件生成法9
3.3.2 硬件調(diào)制法10
4 逆變電源元器件特性及各部分電路設(shè)計11
4.1 逆變電源主要分立元件及其應(yīng)用11
4.1.1 場效應(yīng)管11
4.1.2 穩(wěn)壓管11
4.1.3 與門12
4.1.4 變壓器13
4.1.5 電流互感器14
4.2 逆變電源主要集成芯片及其功能簡介15
4.2.1 TL494及其應(yīng)用15
4.2.2 SG3525A及其應(yīng)用16
4.2.3 ICL8038簡介及其應(yīng)用19
4.2.4 IR2110簡介及其應(yīng)用20
4.3 各芯片外圍電路22
4.3.1 ICL8038外圍電路22
4.3.2 TL494外圍電路24
4.3.3 SG3525A外圍電路25
4.3.4 IR2110外圍電路26
4.4 各變換電路設(shè)計27
4.4.1 DC/DC變換電路27
4.4.2DC/AC變換電路28
4.5 逆變電源保護電路30
4.5.1 輸入過壓保護電路30
4.5.2 輸入欠壓保護電路30
4.5.3 過熱保護電路31
4.5.4 輸出過壓保護電路32
4.5.5 輸出過流保護電路32
5 結(jié)論34
參考文獻36
附錄37
附錄1 元器件清單37
附錄2 逆變電源原理圖38

1 緒論
1.1 車載逆變器及其發(fā)展
車載逆變電源是將汽車發(fā)動機或汽車電瓶上的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供一般電器產(chǎn)品使用，是一種較方便的車用電源轉(zhuǎn)換設(shè)備。它是常用的車用汽車電子用品。通過它可以在汽車上使用平時我們用市電才能工作的電器，比如電視機、筆記本電腦、電鉆、醫(yī)療急救儀器、**車載設(shè)備等，可應(yīng)用于各個行業(yè)領(lǐng)域。按照輸出波形來分，車載逆變電源可分為正弦波輸出和方波輸出兩種。前者可提供不間斷的高質(zhì)量交流電，可適應(yīng)任何負載，但其技術(shù)要求及成本高，電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。后者提供的交流電的質(zhì)量較差，且?guī)лd能力差，不能接“感性負載”。雖有較多的缺點，但是其技術(shù)要求低，體積小，電路簡單，價格低。
車載逆變電源按輸出來分主要分兩類，一類是修正正弦波逆變器和純方波逆變器，另一類是正弦波逆變器。純方波逆變器輸出的則是質(zhì)量較差的方波交流電，其正向最大值到負向最大值幾乎在同時產(chǎn)生，這樣，對負載和逆變器本身造成劇烈的不穩(wěn)定影響。同時，其負載能力差，僅為額定負載的40%－60%，不能帶感性負載[1]。如所帶的負載過大，方波電流中包含的三次諧波成分將使流入負載中的容性電流增大，嚴重時會損壞負載的電源濾波電容[2]，方波逆變器的制作方法采用簡易的多諧振蕩器，其技術(shù)屬于50年代的水平，將逐漸退出市場。
針對上述缺點，近年來出現(xiàn)了準正弦波（或稱改良正弦波、修正正弦波、模擬正弦波等等）逆變器，其輸出波形從正向最大值到負向最大值之間有一個時間間隔，使用效果有所改善，但準正弦波的波形仍然是由折線組成，屬于方波范疇，連續(xù)性不好?？偫▉碚f，正弦波逆變器提供高質(zhì)量的交流電，能夠帶動任何種類的負載，但技術(shù)要求和成本均高。準正弦波逆變器可以滿足我們大部分的用電需求，效率高，噪音小，售價適中，因而成為市場中的主流產(chǎn)品
1.2 逆變技術(shù)及其發(fā)展
逆變器（inverter）是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉(zhuǎn)變成交流電（一般為220v或380V50HZ正弦或方波）。應(yīng)急電源，一般是把直流電瓶逆變成220v交流的逆變電源。
目前，逆變電源在我國的航天航空，武器裝備，郵電通信，金融，交通，工業(yè)，消防，和新能源的利用等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。同時，逆變電源技術(shù)近幾年也得到飛速發(fā)展，由原來的逆變器-工頻變壓器-濾波器模式，變?yōu)槟壳暗哪孀兤?高頻變壓器-濾波器模式，使得效率得到很大提高，體積和重量也得到了大幅度減小，這些又極大地促進了逆變電源的應(yīng)用。
逆變器的原理早在1931年就在文獻中提過，1948年，美國西屋（Westinghouse）
電氣公司用汞弧整流器制成了3000HZ的感應(yīng)加熱用逆變器。
1947年，靠前只晶體管誕生，固態(tài)電力電子學(xué)隨之而誕生。1956年，靠前只晶閘管問世，這標志著電力電子學(xué)的誕生，并開始進入傳統(tǒng)發(fā)展時代。在這個時代，逆變器繼整流器之后開始發(fā)展，首先出現(xiàn)的是可控硅SCR電壓源型逆變器。1961年，W.MCMurry與B.D.Bedford提出了該機型SCR強迫換向逆變器，為SCR逆變器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1962年，A,Kemick提出了“諧波中和消除法”,即后來常用的“重疊加法”，這標志這正弦波逆變器的誕生，1963年，提出了“消除特定諧波法”,為后來的優(yōu)化法奠定了基礎(chǔ)，以實現(xiàn)特定的優(yōu)化如諧波最小，效率最優(yōu)等。
20世紀70年代后期，可關(guān)斷晶體管GTO，電力晶體管GTR及模塊相繼實用化，80年代以來，電力電子技術(shù)與電視技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了各種高頻化的全控器件，并得到了迅速發(fā)展，如功率場效應(yīng)管，PowerMOSFET,絕緣柵門極晶體管IGBT，靜電感應(yīng)晶體管SIT，靜電感應(yīng)晶閘管SITH，場控晶閘管MCT，以及MOS晶體管等，這就使電力電子技術(shù)由傳統(tǒng)發(fā)展時期進入了高頻化時代。在這個時代，具有小型化和高性能特點的新逆變技術(shù)層出不窮，特別是脈寬調(diào)制波形改善技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。[Page]
1964年，由A.SChonung和H.Stmmter提出的，把通信系統(tǒng)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到逆變技術(shù)中的正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)(sinusoida_PWM，簡稱SPWM)。由于當時開關(guān)器件的速度慢而未得到推廣，直到1975年才由Bristol大學(xué)的S.R.Bowes等把SPWM技術(shù)正式應(yīng)用到逆變給事中，使逆變器的性能大大的提高，并得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展，也使得SPWM技術(shù)達到了一個新的高度，此后，各種不同PWM技術(shù)相繼出現(xiàn)，例如空間向量調(diào)制(SVM)，隨機PWM，電流滯壞PWM等，成為高速器件的主導(dǎo)控制方式，至此，正弦波逆變技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)基本完善.一般認為，逆變技術(shù)的發(fā)展可以分為如下兩個階段：
1956—1980年為傳統(tǒng)發(fā)展階段，這個階段的特點是，開關(guān)器件以低速器件為主，逆變器的開關(guān)頻率較低，波形改善以多重疊加為主，體積重量級大，逆變效率低，正弦波逆變器開始出現(xiàn)。
1980年到現(xiàn)在為高頻化新技術(shù)階段，這個階段的特點是，開關(guān)器件以高速器件為主，逆變器的開關(guān)頻率較高，波形改善以（PWM脈沖，widthModulation,脈寬調(diào)制)為主，體積重量小，逆變效率高，正弦逆變技術(shù)發(fā)展日趨完善。

2 設(shè)計總體目標
2.1 設(shè)計要求
車載逆變器是一種能夠?qū)?DC/12V 直流電轉(zhuǎn)換為和市電相同的 AC/220V 交流電，供一般電器使用，是一種方便的車用電源轉(zhuǎn)換器。通常設(shè)備工作空間狹小，環(huán)境惡劣，干擾大。因此對電源的設(shè)計要求也很高，除了具有良好的電氣性能外，還必須具備體積小，重量輕，成本低，可靠性高，抗干擾強等特點。
逆變電源質(zhì)量的好壞極大地影響著電子設(shè)備的可靠性，其轉(zhuǎn)換效率的高低和帶負載能力的強弱直接關(guān)系著它的應(yīng)用范圍，因而本設(shè)計要求輸出電壓波形為準正弦波，以克服方波逆變器不能帶感性負載的特點。
本設(shè)計對逆變電源的要求有：
1、輸出為準正弦波。
2、具備輸出過壓、過流保護功能，當輸出電壓或電流過高時電源停止工作。
3、具備過熱保護功能，防止電源溫度過高。
4、具備輸入過壓、欠壓保護功能，當直流電池輸入電壓過高或過低時逆變器均能自動停止工作。

2.2 總體方案的選取
逆變電源的輸出主要分兩類，一類是修正正弦波逆變器和純方波逆變器，另一類是正弦波逆變器。純方波逆變器輸出的則是質(zhì)量較差的方波交流電，其正向最大值到負向最大值幾乎在同時產(chǎn)生，這樣，對負載和逆變器本身造成劇烈的不穩(wěn)定影響。同時，其負載能力差，僅為額定負載的40﹪－60﹪，不能帶感性負載。如所帶的負載過大，方波電流中包含的三次諧波成分將使流入負載中的容性電流增大，嚴重時會損壞負載的電源濾波電容。方波逆變器的制作方法采用簡易的多諧振蕩器，其技術(shù)屬于50年代的水平，將逐漸退出市場。正弦波逆變器提供高質(zhì)量的交流電，能夠帶動任何種類的負載，但技術(shù)要求和成本均高。修正正弦波逆變器可以滿足我們絕大部分的用電需求，效率高，噪音小，因而成為市場中的主流產(chǎn)品。因而本次設(shè)計的輸出為修正正弦波，即準正弦波，以提高輸出的質(zhì)量，滿足大多數(shù)條件下的使用。
市場上很多逆變電源采用一次逆變，即12V的直流電經(jīng)過變壓器一次逆變即輸出220V/50HZ的交流電。但是這種方式的輸出電壓穩(wěn)定性不高，不能直接使用，且輸出調(diào)整很不方便，而且變壓器體積較大。由于高頻開關(guān)變換技術(shù)的成熟和廉價話，現(xiàn)在逆變器的主要電路形式已經(jīng)準變成為直流-交流-直流-交流功率變換形式。即先將直流電轉(zhuǎn)化為高頻交流電，以利于減小變壓器的體積和電源的重量。另一方面方便調(diào)整，可以通過調(diào)整交流（PWM）占空比，來穩(wěn)定輸出電壓。由于要求輸出是50hz的交流電，所以通常的辦法是將高頻交流電整流成直流電，再利用50hz逆變技術(shù)將直流電轉(zhuǎn)化成所需要的50hz正弦交流電。所以本次設(shè)計采用二次逆變技術(shù)，即先通過高頻的開關(guān)管將12V直流轉(zhuǎn)化為高頻交流，再通過變壓器將高頻低壓電轉(zhuǎn)換為320V的高頻交流電，然后通過整流濾波將320V高壓交流電轉(zhuǎn)化為320V高壓直流電。然后再將320V的高壓直流電轉(zhuǎn)化為220V的交流電。
本次設(shè)計的核心部分是正弦調(diào)寬脈沖的產(chǎn)生，由于微機技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，可以采用單片機通過軟件編程的方法實現(xiàn)，即根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。但是計算法較繁瑣，必須實時地計算調(diào)制波(正弦波)和載波(三角波)的所有交點的時間坐標，根據(jù)計算結(jié)果，有序地向逆變橋中各逆變器件發(fā)出“通”和“斷”的動作指令。而且調(diào)節(jié)頻率時，一方面，調(diào)制波與載波的周期要同時改變；另一方面，調(diào)制波的振幅要隨頻率而變，而載波的振幅則不變，所以，每次調(diào)節(jié)后，所膠點的時間坐標都 必須重新計算[4]。而硬件調(diào)制法就可以避免計算的繁瑣，而且隨著許多集成脈沖調(diào)寬芯片的出現(xiàn)，使得硬件電路的設(shè)計大大簡化。因而本次設(shè)計采用純硬件電路來完成設(shè)計。
綜上所述：本次設(shè)計采用二次逆變技術(shù)，先通過高頻變壓器將12V直流電變?yōu)?20V左右的直流電，然后采用單極性正弦脈寬調(diào)制方式，用純硬件電路來產(chǎn)生正弦脈沖調(diào)寬波驅(qū)動功率管全橋電路，最終通過LC工頻濾波完成12V直流到220V工頻準正弦波的轉(zhuǎn)換。

3 整體電路設(shè)計
3.1 逆變電源整體框圖
該設(shè)計電路的整體方框圖如圖3-1。該電路由12V直流輸入以及輸入過壓保護電路、輸入欠壓保護電路、電源過熱保護電路、輸出過壓保護電路、輸出過流保護電路、逆變電路I、320V/50KHz整流濾波、逆變電路II、濾波電路等組成。逆變電路Ⅰ又包括頻率產(chǎn)生電路、直流變換電路(DC/DC)將12V直流轉(zhuǎn)換成320V直流、交流變換電路(DC/AC)將320V直流變換為220V交流。其中輸入過壓、欠壓保護電路、輸出過壓、過流保護電路、過熱保護電路構(gòu)成整個電路的保護電路。一旦輸入電壓出現(xiàn)過大或者過小時，保護電路立即啟動，然后停止逆變電路I的工作。過熱保護電路是當電路工作溫度過高時，啟動保護使逆變電路I停止工作。輸出過壓保護電路和輸出過流保護電路與逆變電路II構(gòu)成反饋回路，一旦電路輸出異常則停止逆變電路II的工作。

圖3-1 整機原理方框圖

逆變電路I原理如圖3-2所示。此電路的主要功能是將12V直流電轉(zhuǎn)換為320V/50KHz的交流電。該部分電路主要是用一塊TL494芯片，通過輸出50K的脈沖來控制開關(guān)管的交替導(dǎo)通，進而產(chǎn)生50K的高頻交流電。此高頻交流電通過開關(guān)變壓器升壓為320V/50K的高頻交流電。[Page]

圖3-2 逆變I電路原理方框圖

逆變電路Ⅱ的框圖如圖3-3所示。此電路的主要功能是將320V直流電轉(zhuǎn)換為220V/50Hz的交流電。

圖3-3 逆變II電路原理方框圖

電路工作原理:在逆變電路II中320V/50HZ的高壓交流電經(jīng)過整流橋的整流濾波整流成為320V的高壓直流電。該高壓加在由四個場效應(yīng)管結(jié)成的全橋電路兩端，場效應(yīng)管的導(dǎo)通或截止由柵極的狀態(tài)控制。為了使逆變電源輸出準正弦波，本設(shè)計采用正弦波脈沖調(diào)制（SPWM），脈沖波的產(chǎn)生主要由脈沖調(diào)寬芯片SG3525A來完成。根據(jù)芯片SG3525A的使用原理，先由集成函數(shù)發(fā)生芯片ICL8038產(chǎn)生50HZ的正弦波信號，該正弦波分兩路輸出。因為SG3525A內(nèi)部的鋸齒波幅度位于1V至3.3V之間，因而產(chǎn)生的正弦波一路經(jīng)相應(yīng)的處理后將其幅值調(diào)整至1V至3V之間，然后輸入以SG3525A，在芯片內(nèi)部通過與鋸齒波比較產(chǎn)生高頻的正弦波調(diào)寬脈沖。鋸齒波的頻率由芯片外接的震蕩電阻和震蕩電容決定，通常設(shè)置為幾十千赫茲。而另一路正弦波則經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為50HZ的方波作為基準信號，該基準信號與SG3525A產(chǎn)生的高頻正弦波調(diào)寬脈沖輸入與門芯片，最后將與門的輸出信號輸入兩片場效應(yīng)管專用驅(qū)動芯片IR2110，再由IR2110輸出高頻的調(diào)寬脈沖以控制四個場效應(yīng)管的交替導(dǎo)通，輸出的電壓在經(jīng)過LC工頻濾波后便可輸出穩(wěn)定的準正弦波供負載使用[5]。

3.2 脈寬調(diào)制技術(shù)及其原理
3.2.1 脈寬調(diào)制技術(shù)
PWM (Pulse Width Modulation) 就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術(shù)。逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場合。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。計算法較繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化。
PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。
對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式[6]。
總之，PWM既經(jīng)濟、節(jié)約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。
3.2.2 正弦波脈寬調(diào)制定義
在進行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)制。
SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的PWM法。采樣控制理論中的一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。用PWM波代替正弦波的波形圖如圖3-4所示。

圖3-4 用PWM波代替正弦半波

SPWM控制方案有兩種：即單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制法。單極性法所得的SPWM信號有正、負和0三種電平，而雙極性得到的只有正、負兩種電平。比較二者生成的SPWM波可知：在相同載波比情況下，生成的雙極性SPWM波所含諧波量較大；并且在正弦逆變電源控制中，雙極性SPWM波控制較復(fù)雜。因此一般采用單極性SPWM波控制的形式。在本次設(shè)計中也采用單極性SPWM波控制的形式。

3.3 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)的實現(xiàn)方法
3.3.1 軟件生成法
由于微機技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應(yīng)運而生。軟件生成法其實就是用軟件來實現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則采樣法。
自然采樣法是以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進行比較，在兩個波形的自然交點時刻控制開關(guān)器件的通斷，這就是自然采樣法。其優(yōu)點是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波與正弦波交點有任意性，脈沖中心在一個周期內(nèi)不等距，從而脈寬表達式是一個超越方程，計算繁瑣，難以實時控制。
規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實用方法，一般采用三角波作為載波。其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關(guān)器件的通斷，從而實現(xiàn)SPWM法。當三角波只在其頂點(或底點)位置對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期(即采樣周期)內(nèi)的位置是對稱的，這種方法稱為對稱規(guī)則采樣。當三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期(此時為采樣周期的兩倍)內(nèi)的位置一般并不對稱，這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣[7]。
規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進，其主要優(yōu)點就是是計算簡單，便于在線實時運算，其中非對稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦。其缺點是直流電壓利用率較低，線性控制范圍較小。
除上述兩種方法外，還有一種方法叫做等面積法。該方案實際上就是SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機中，通過查表的方式生成PWM信號控制開關(guān)器件的通斷，以達到預(yù)期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點，可以準確地計算出各開關(guān)器件的通斷時刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實時控制的缺點。
3.3.2 硬件調(diào)制法
硬件調(diào)制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。其實現(xiàn)方法簡單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點，在交點時刻對開關(guān)器件的通斷進行控制，就可以生成SPWM波[8]。而且隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)生了多種可以產(chǎn)生SPWM波的芯片，如TL494、SG3525A等，這些集成芯片的出現(xiàn)使得電路的設(shè)計大大簡化，而且功能更加齊全。本次設(shè)計就采用硬件調(diào)制法，通過使用脈沖調(diào)制芯片來產(chǎn)生所需要的正弦脈沖調(diào)寬波。[Page]

圖3-5 單極性SPWM波波形示意圖

4 逆變電源元器件特性及各部分電路設(shè)計
4.1 逆變電源主要分立元件及其應(yīng)用
4.1.1 場效應(yīng)管

圖4-1 MOSFET代表符號圖

場效應(yīng)管是一種適應(yīng)開關(guān)電源小型化、高效率化和高可靠性要求的理想器件。它是利用電場效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)體器件。其代表符號如圖4-1。這種器件不僅兼有開關(guān)速度快、無存儲時間、體積小、重量輕、耗電省、壽命長等特點，而且還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強和制造工藝簡單等優(yōu)點，因此大大的擴展了它的應(yīng)用范圍，特別是在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。MOSFET開關(guān)較快而無存儲時間，故在較高工作頻率下開關(guān)損耗較小，另外所需的開關(guān)驅(qū)動功率小，降低了電路的復(fù)雜性。本設(shè)計采用的是N溝道增強型MOSFET。只有在正的漏極電源的作用下，在柵源之間加上正向電壓（柵極接正，源極接負），才能使該場效應(yīng)管導(dǎo)通[10]。當Vgs >0時才有可能有電流即漏極電流產(chǎn)生，即當 Vgs>0時MOS管才導(dǎo)通。

4.1.2 穩(wěn)壓管

圖4-2 穩(wěn)壓管代表符號

穩(wěn)壓管又稱齊納二極管，是一種用特殊工藝制造的面結(jié)型硅半導(dǎo)體二極管，其代表符號如圖4-2所示。這種管子的雜質(zhì)濃度比較大，空間電荷區(qū)內(nèi)的電荷密度也大，因而該區(qū)域很窄，容易形成強電場。當反向電壓加到某一定值是，反向電流激增，產(chǎn)生反向擊穿。穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)時，其兩端的電壓是基本不變的。利用這一性質(zhì)，在電路里常用于構(gòu)成穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路，雖然穩(wěn)定度不很高，輸出電流也較小，但卻具有簡單、經(jīng)濟實用的優(yōu)點，因而應(yīng)用非常廣泛。
齊納管一般有兩種用法（以下Iz為工作電流，Uz為標稱穩(wěn)壓電壓，Uw為實際工作電壓）：正常工作時處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，Iz≥0.1mA量級，此時齊納管起穩(wěn)壓作用，Uw≈Uz。 正常工作時處于“截止”狀態(tài)，即Uw<Uz，Iz為1μA量級，當Uw“企圖”超過Uz時，齊納管就會導(dǎo)通，Iz急劇增長，并反過來阻止Uw的繼續(xù)升高，從而起到限幅或保護作用。

圖4-3 穩(wěn)壓管的V-I特性

4.1.3 與門
在逆變電源電路中采用的與門芯片型號為74LS08，其電源電壓范圍為4.5V至5.5V，典型值為5V。在本電路中，其電源可以由TL494芯片的基準電壓輸出端提供。其輸出高電平最低為2V，其輸出低電平最高為0.8V。

4.1.4 變壓器

圖4-5 變壓器代表符號

開關(guān)電源變壓器是加入了開關(guān)管的電源變壓器，在電路中，除了普通變壓器的電壓變換功能，開關(guān)電源變壓器還兼具絕緣隔離與功率傳送功能。開關(guān)電源變壓器一般用在開關(guān)電源等涉及高頻電路的場合。
開關(guān)電源變壓器和開關(guān)管一起構(gòu)成一個自激(或他激)式的間歇震蕩器,從而把輸入直流電壓調(diào)制成一個高頻脈沖電壓. 它起到能量傳遞和轉(zhuǎn)換作用.在反激式電路中, 當開關(guān)管導(dǎo)通時,變壓器把電能轉(zhuǎn)換成磁場能儲存起來,當開關(guān)管截止時則釋放出來. 在正激式電路中,當開關(guān)管導(dǎo)通時,輸入電壓直接向負載供給并把能量儲存在儲能電感中.當開關(guān)管截止時,再由儲能電感進行續(xù)流向負載傳遞[9]。
開關(guān)變壓器一般都是工作于開關(guān)狀態(tài)；當輸入電壓為直流脈沖電壓時，稱為單極性脈沖輸入，如單激式變壓器開關(guān)電源；當輸入電壓為交流脈沖電壓時，稱為雙極性脈沖輸入，如雙激式變壓器開關(guān)電源；因此，開關(guān)變壓器也可以稱為脈沖變壓器，因為其輸入電壓是一序列脈沖，因為開關(guān)變壓器還分正、反激輸出。
開關(guān)電源變壓器分單激式開關(guān)電源變壓器和雙激式開關(guān)電源變壓器，兩種開關(guān)電源變壓器的工作原理和結(jié)構(gòu)并不是完全一樣的。單激式開關(guān)電源變壓器的輸入電壓是單極性脈沖，并且還分正反激電壓輸出；而雙激式開關(guān)電源變壓器的輸入電壓是雙極性脈沖，一般是雙極性脈沖電壓輸出。另外，為了防止磁飽和，在單激式開關(guān)電源變壓器的鐵芯中一般都要留氣隙；而雙激式開關(guān)電源變壓器的鐵芯磁通密度變化范圍相對來說比較大，一般不容易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，因此，一般都不用留氣隙。
單激式開關(guān)電源變壓器還分正激式和反激式兩種，對兩種開關(guān)電源變壓器的技術(shù)參數(shù)要求也不一樣；對正激式開關(guān)電源變壓器的初級電感量要求比較大，而對反激式開關(guān)電源變壓器初級電感量的要求，其大小卻與輸出功率有關(guān)。
雙激式開關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯損耗比較大，而單激式開關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯損耗卻比較小。這些參數(shù)基本上都與變壓器鐵芯的磁化曲線有關(guān)
開關(guān)變壓器使用的磁性材料為軟磁鐵氧體,按其成分和應(yīng)用頻率可分為MnZn系和NiZn系兩大類.前者具有高的導(dǎo)磁率和高的飽和磁感應(yīng),在中頻和低頻范圍具有較低損耗.磁芯的形狀很多,如EI型,E型,EC型等。

4.1.5 電流互感器

圖4-6 電流互感器原理圖

在供電用電的線路中電流電壓大大小小相差懸殊從幾安到幾萬安都有。為便于二次儀表測量需要轉(zhuǎn)換為比較統(tǒng)一的電流，另外線路上的電壓都比較高如直接測量是非常危險的。電流互感器就起到變流和電氣隔離作用。微型電流互感器二次電流為毫安級，主要起大互感器與采樣之間的橋梁作用。微型電流互感器稱之為“儀用電流互感器”。
電流互感器原理線路圖微型電流互感器與變壓器類似也是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作,變壓器變換的是電壓而微型電流互感器變換的是電流罷了。繞組N1接被測電流，稱為一次繞組（或原邊繞組、初級繞組）；繞組N2接測量儀表，稱為二次繞組（或副邊繞組、次級繞組）。 微型電流互感器一次繞組電流I1與二次繞組I2的電流比，叫實際電流比K。微型電流互感器在額定工作電流下工作時的電流比叫電流互感器額定電流比，用Kn表示,則Kn=I1n/I2n[11]。
在本次設(shè)計中用電流互感器對輸出電流進行采樣，采樣電流經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電平信號，實現(xiàn)電路的過流保護。

4.2 逆變電源主要集成芯片及其功能簡介
4.2.1 TL494及其應(yīng)用

圖4-7 集成芯片TL494管腳圖
TL494各引腳功能簡介：
TL494 的內(nèi)部電路由基準電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。
1.IN1+(引腳1)：誤差放大器同向輸入端。
2.IN1-(引腳2)：誤差放大器反向輸入端。
3.FEEDBACK(引腳3)：相位校正和增益控制端。
4.DTC(引腳4)：死區(qū)控制端, 其上加 0～3.3V 電壓時可使截止時間從2%線懷變化到 100%。該端與外圍電路相配合可以控制輸出脈沖，從而實現(xiàn)電路的保護功能。[Page]
5.Ct(引腳5)：外接震蕩電容。
6.Rt(引腳6)：外接震蕩電阻,則輸出脈沖的振蕩頻率為：

7.GND(引腳7)：接地端。
8.C1(引腳8)、E1(引腳9)、C2(引腳11)、E2(引腳10)分別為末級輸出三極管的集電極和發(fā)射極。
9.VCC(引腳12)：電源供電端。
10.OTC(引腳13)：輸出控制端,該腳接地時為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳時為推挽輸出方式。
11.REF(引腳14)：5V 基準電壓輸出端，最大輸出電流10mA。
12.IN2-(引腳15)：誤差放大器Ⅱ反向輸入端。
13.IN2+引腳(引腳16)：誤差放大器Ⅱ同向輸入端。

4.2.2 SG3525A及其應(yīng)用
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種大功率全控型器件相繼推出，其中 MOS型功率晶體管發(fā)展非常迅速，由于它具有高耐壓 、低驅(qū)動功率、良好的頻率響應(yīng)特性和開關(guān)時間短等優(yōu)點，在許多方面可替代雙極型晶體管，其工作頻率可提高到200kHz以上，常常在開關(guān)穩(wěn)壓電源和直流斬波電路中用作開關(guān)管。開關(guān)管的控制方式采用脈沖寬度調(diào)制(PWM) 方式。
集成脈寬調(diào)制器SG3525A是美國硅通用公司（Silicon General）生產(chǎn)的雙端輸出式脈寬調(diào)制器，工作頻率高于100kHz,工作溫度為0℃～70℃,適宜構(gòu)成100W～500W中功率推挽輸出式開關(guān)電源。它是美國硅通用公司的第2代產(chǎn)品，它是一種性能優(yōu)良功能齊全，通用性強的單片集成PWM 控制器。可用于驅(qū)動N溝道的高頻功率MOS管，由于它簡單可靠及使用方便靈活大大減化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計及調(diào)試[12] 。
SG3525A是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。

圖4-8 SG3525A管腳圖

SG3525A各引腳名稱及功能：
1.Inv.input(引腳 1)：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端（引腳 9）相連，可構(gòu)成跟隨器。
2.Noninv.input(引腳 2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據(jù)需要，在該端與補償信號輸入端（引腳 9）之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。
3.Sync(引腳 3)：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實現(xiàn)與外電路同步。
4.OSC.Output(引腳 4)：振蕩器輸出端。
5.CT(引腳 5)：振蕩器定時電容接入端。
6.RT（引腳 6） ：振蕩器定時電阻接入端。
7.Discharge(引腳 7)：振蕩器放電端。該端與引腳 5 之間外接一只放電電阻 ，構(gòu)成放電回路。片內(nèi)鋸齒波振蕩器的振蕩頻率為：

8.Soft-Start(引腳 8)：軟啟動電容接入端。該端通常接一只 5pF的軟啟動電容。
9.Compensation(引腳9)：PWM比較器補償信號輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。
10.Shutdown(引腳 10)：外部關(guān)斷信號輸入端。該端接高電平時控制器輸出被禁止。該端可與保護電路相連，以實現(xiàn)故障保護。
11.Output A（引腳 11） ：輸出端 A。引腳 11 和引腳 14 是兩路互補輸出端。
12.Ground(引腳 12)：信號地。
13.Vc(引腳 13)：輸出級偏置電壓接入端。
14.Output B（引腳 14） ：輸出端 B。引腳 14 和引腳 11 是兩路互補輸出端。
15.Vcc（引腳 15） ：偏置電源接入端。
16.Vref(引腳 16)：基準電源輸出端。該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的5V基準電壓。
SG3525A工作特點:
(1) 工作電壓范圍寬：8—35V。
(2) 5.1（1.0%）V微調(diào)基準電源。
(3) 振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz-400KHz.
(4) 具有振蕩器外部同步功能。
(5) 死區(qū)時間可調(diào)。
(6) 內(nèi)置軟啟動電路。
(7) 具有輸入欠電壓鎖定功能。
(8) 具有 PWM 瑣存功能，禁止多脈沖。
(9) 逐個脈沖關(guān)斷。
SG3525A 的工作原理
SG3525A內(nèi)置了 5.1V精密基準電源，微調(diào)至 1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無須外接分壓電組。SG3525A還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時鐘信號同步，為設(shè)計提供了極大的靈活性。在CT引腳和 Discharge引腳之間加入一個電阻就可以實現(xiàn)對死區(qū)時間的調(diào)節(jié)功能。由于 SG3525 內(nèi)部集成了軟啟動電路，因此只需要一個外接定時電容。入一個電阻就可以實現(xiàn)對死區(qū)時間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525A內(nèi)部集成了軟啟動電路，因此只需要一個外接定時電容。
SG3525A的軟啟動接入端（引腳8）上通常接一個5pF的軟啟動電容。上電過程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個或非門加到輸出晶體管上，使之無法導(dǎo)通。只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時，SG3525A才開始工作。由于實際中，基準電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當輸出電壓因輸入電壓的升高或負載的變化而升高時，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時間變長，PWM瑣存器輸出高電平的時間也變長，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。
外接關(guān)斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。當 Shutdown（引腳10）上的信號為高電平時，PWM 瑣存器將立即動作，禁止SG3525A的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。
如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進入軟啟動過程。注意，Shutdown 引腳不能懸空，應(yīng)通過接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號耦合而影響 SG3525A 的正常工作。欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級和軟啟動電路。如果輸入電壓過低，在 SG3525A的輸出被關(guān)斷同時，軟啟動電容將開始放電。
此外，SG3525A還具有以下功能，即無論因為什么原因造成 PWM 脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個時鐘信號到來，PWM 瑣存器才被復(fù)位。

4.2.3 ICL8038簡介及其應(yīng)用[Page]
ICL8038精密函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢壘二極管等先進工藝制成的單片集成電路芯片，電源電壓范圍寬、穩(wěn)定度高、精度高、易于用等優(yōu)點，外部只需接入很少的元件即可工作，可同時產(chǎn)生方波、三角波和正弦波，其函數(shù)波形的頻率受內(nèi)部或外電壓控制，可被應(yīng)用于壓控振蕩和FSK調(diào)制器。

圖4-9 ICL8038管腳圖

ICL8038各引腳名稱及功能：
1.ADJ1(引腳1)：正弦波失真調(diào)節(jié)端。
2.SW(引腳2)：正弦波輸出端。
3.TRI(引腳3)：三角波/鋸齒波輸出端。
4.DR1(引腳4)：恒流源調(diào)節(jié)（4腳和5腳外接電阻，以實現(xiàn)方波占空比的調(diào)節(jié)）。
5.DR2(引腳5)：恒流源調(diào)節(jié)（外接電阻端）。
6.VCC(引腳6)：正電源±10V～±18V。
7.FM-B(引腳7)：內(nèi)部頻率調(diào)節(jié)偏置電壓輸出端。
8.FM-IN(引腳8)：調(diào)頻控制輸入端。
9.SW(引腳9)：方波/矩形波輸出端（集電極開路輸出）。
10.C(引腳10)：外接電容震蕩C。
11.GND(引腳11)：負電源或接地端。
12.ADJ2(引腳12)：正弦波失真調(diào)節(jié)。
13．NC(引腳13、14)空置端。
ICL8038的工作特點:
(1) 可同時輸出任意的三角波、矩形波和正弦波等。
(2) 頻率范圍: 0.001HZ～300kHz。
(3) 占空比范圍: 2%～ 98%。
(4) 低失真正弦波: 1%。
(5) 低溫度漂移: 50ppm/℃。
(6) 三角波輸出線性度: 0.1%。
(7) 工作電源: ±5V～±12V 或者+12V～+25V。
4.2.4 IR2110簡介及其應(yīng)用
在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，其功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種方式。采用隔離驅(qū)動方式時需要將多路驅(qū)動電路、控制電路、主電路互相隔離，以免引起災(zāi)難性的后果。隔離驅(qū)動可分為電磁隔離和光電隔離兩種方式[13]。
光電隔離具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但存在共模抑制能力差，傳輸速度慢的缺點?？焖俟怦畹乃俣纫矁H幾十kHz。電磁隔離用脈沖變壓器作為隔離元件，具有響應(yīng)速度快（脈沖的前沿和后沿），原副邊的絕緣強度高，dv/dt共模干擾抑制能力強。但信號的最大傳輸寬度受磁飽和特性的限制，因而信號的頂部不易傳輸。而且最大占空比被限制在50％。而且信號的最小寬度又受磁化電流所限。脈沖變壓器體積大，笨重，加工復(fù)雜。 凡是隔離驅(qū)動方式，每路驅(qū)動都要一組輔助電源，若是三相橋式變換器，則需要六組，而且還要互相懸浮，增加了電路的復(fù)雜性。隨著驅(qū)動技術(shù)的不斷成熟，已有多種集成厚膜驅(qū)動器推出。如EXB840/841、EXB850/851、M57959L/AL、M57962L/AL、HR065等等，它們均采用的是光耦隔離，仍受上述缺點的限制。美國IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動器,它兼有光耦隔離（體積小）和電磁隔離（速度快）的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選品種。
IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，DIP14腳封裝。具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500V，dv/dt=±50V/ns，15V下靜態(tài)功耗僅116mW；輸出的電源端（腳3,即功率器件的柵極驅(qū)動電壓）電壓范圍10～20V；邏輯電源電壓范圍（腳9）5～15V，可方便地與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有±5V的偏移量；工作頻率高，可達500kHz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns；圖騰柱輸出峰值電流為2A。

圖4-10 IR2110管腳圖

IR2110各引腳名稱及功能：
1.LO（引腳1）:低端輸出。
2.COM（引腳2）:公共端。
3.Vcc（引腳3）:低端固定電源電壓。
4.Nc（引腳4）: 空端。
5.Vs（引腳5）:高端浮置電源偏移電壓。
6.VB (引腳6):高端浮置電源電壓。
7.HO（引腳7）:高端輸出。
8.Nc（引腳8）: 空端。
9.VDD（引腳9）:邏輯電源電壓。
10.HIN（引腳10）: 邏輯高端輸入。
11.SD（引腳11）:關(guān)斷控制端，當該端輸入高電平時，IR2110停止輸出驅(qū)動脈沖。
12.LIN（引腳12）:邏輯低端輸入。
13.Vss（引腳13）:邏輯電路地電位端，其值可以為0V。
14.Nc（引腳14）:空端。
IR2110工作特點：
(1) 具有獨立的低端和高端輸入通道。
(2) 懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500V。
(3) 輸出的電源端（腳3）的電壓范圍為10—20V。
(4) 邏輯電源的輸入范圍（腳9）5—15V，可方便的與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有5V的便移量。
(5) 工作頻率高，可達500KHz。
(6) 開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns。
(7) 圖騰柱輸出峰值電流2A。

4.3 各芯片外圍電路
4.3.1 ICL8038外圍電路

圖4-11 ICL8038 外圍電路

由ICL8038構(gòu)成的精密函數(shù)發(fā)生器電路如圖所示。圖中 R11 R12 為定時電阻，均為可調(diào)式。阻值范圍是 1KΩ- 1MΩ 調(diào)節(jié) R1及R2能調(diào)節(jié)震蕩頻率及矩形波的占空比。C為定時電容,它可能影響振蕩頻率、R13用來調(diào)整正弦波的失真。由于第9腳為集電極開路輸出,必須外接集電極負載電阻R。對于本電路，其震蕩頻率為：

由于在該電路中，需要輸出頻率為50hz幅度在1V到3.3V之間的正弦波。因此設(shè)置電阻R23的值為10K電容為0.67uF.使輸出正弦波的頻率為50HZ。由于正弦波的幅度為Vcc/5故對輸出信號進行分壓以減小幅度，再加上一個固定的電壓值調(diào)整到正弦波的幅值處于1V到3.3V之間。從而輸入SG3525A，通過與其內(nèi)部的鋸齒波比較產(chǎn)生需要的脈沖調(diào)寬波（PWM）.
使用單電源時三角波和正弦波的電壓平均值等于Vcc/2 ,正弦波幅度為Vcc/5，而方波幅度是Vcc/3 。采用雙電源時,所有輸出波形相對于地 電平都是正、負對稱的。
在本次設(shè)計中需要用到電壓比較器對相應(yīng)信號進行處理。由于電子電路集成化的最大優(yōu)點是能使復(fù)雜電路小型輕便,所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。常用的運算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作電壓為±2V～±18V,消耗電流為50～250mA。目前有的產(chǎn)品功耗已達微瓦級,例如ICL7600的供電電源為1.5V,功耗為10mW,可采用單節(jié)電池供電。為了減少電路的不必要損耗，而且本設(shè)計中對運算放大器的要求不高，因而本次設(shè)計中的運算放大器均采用低功耗型TL-022C.

4.3.2 TL494外圍電路

圖4-12 TL494外圍電路圖

50HZ脈沖產(chǎn)生芯片TL494外圍電路如上圖所示: 15腳為芯片TL494的反相輸入端，16為同相輸入端，電路正常情況下15腳電壓應(yīng)略高于16腳電壓才能保證誤差比較器II的輸出為低電平，才能使芯片內(nèi)兩個三極管正常工作。因為芯片內(nèi)置5V基準電壓源，負載能力為10mA。所以15腳電壓應(yīng)高于5V。過熱保護的R42為200Ω，則15腳的電壓為6.22V大于16腳電壓。14腳輸出基準電壓，因為推挽電路為雙端輸出，故將輸出控制端13腳與14腳連在一起。12腳為電源端，接外部12V電壓。8、11腳末級三極管集電極，此處亦接外接電源。9、10引腳用于輸出50K的脈沖控制開關(guān)管。7腳為接地端，5、6腳外接震蕩電阻和電容用于控制輸出脈沖頻率。4腳為死區(qū)控制端其上加0-3.3V電壓時，可使截止時間從2%線性變化到100%，本設(shè)計中用于實現(xiàn)輸入的過壓保護和欠壓保護。[Page]

4.3.3 SG3525A外圍電路

圖4-13 SG3525A外圍電路圖

PWM波產(chǎn)生芯片SG3525A的外圍電路如上圖所示：
引腳1、2分別為內(nèi)部放大器的反向輸入端和同向輸入端。1腳與基準電壓輸出端16腳連接，使1腳為高電平。2腳接地。3腳為同步端，此處僅一片芯片，故3腳不用。4腳為振蕩器輸出，亦不使用。5腳接震蕩電容和6腳接震蕩電阻將確定內(nèi)部鋸齒波的震蕩頻率。

7端的電阻為震蕩電容的放電端。把充電和放電回路分開，有利于通過死區(qū)電阻來調(diào)節(jié)死區(qū)時間，使死區(qū)時間調(diào)節(jié)范圍更寬，放電電阻越大，放電時間越長;反之，則放電時間短。8腳為軟啟動端，通常外接一個5uF的電容用于軟啟動。9腳為補償端，此電路中輸入正弦波，10腳為封鎖端，引腳電位大于0.7V時，芯片停止工作，和相應(yīng)的保護電路相連。11、14***替輸出相位相反的脈沖波。12腳接地端。13、15腳為電源端，接外接電源。在本次設(shè)計中震蕩電容為2200pF，震蕩電阻R34和R35分別為10K、1K，則內(nèi)部鋸齒波震蕩頻率為56.8K.

4.3.4 IR2110外圍電路

圖4-14 IR2110外圍電路圖

驅(qū)動芯片IR2110外圍電路如上圖所示：其中引腳1和引腳7交替輸出高低電平，通過電阻后驅(qū)動四個場效應(yīng)管交替導(dǎo)通，IR2110驅(qū)動半橋的電路如圖所示，其中C11，D13分別為自舉電容和自舉二極管，C10為VCC的濾波電容。假定7腳輸出低電平期間，C11已經(jīng)充到足夠的電壓VC1≈VCC。
IR2110工作原理如圖4-15所示：當HIN為高電平時：VM1開通，VM2關(guān)斷，VC1加到S1的柵極和源極之間，C1通過VM1，Rg1和柵極和源極形成回路放電，這時C1就相當于一個電壓源，從而使S1導(dǎo)通。由于LIN與HIN是一對互補輸入信號，所以此時LIN為低電平，VM3關(guān)斷，VM4導(dǎo)通，這時聚集在S2柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過Rg2迅速對地放電，由于死區(qū)時間影響使S2在S1開通之前迅速關(guān)斷。
當HIN為低電平時：VM1關(guān)斷，VM2導(dǎo)通，這時聚集在S1柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過Rg1迅速放電使S1關(guān)斷。經(jīng)過短暫的死區(qū)時間LIN為高電平，VM3導(dǎo)通，VM4關(guān)斷使VCC經(jīng)過Rg2和S2的柵極和源極形成回路，使S2開通。在此同時VCC經(jīng)自舉二極管，C1和S2形成回路，對C1進行充電，迅速為C1補充能量，如此循環(huán)反復(fù)。

圖4-15 IR2110工作原理圖

其11引腳（SD）為芯片關(guān)斷控制端，當SD為高電平時，驅(qū)動芯片關(guān)斷輸出。場效應(yīng)管無輸入信號，逆變電源停止輸出。在該電路中用于電池的輸入過壓保護。當電池電壓高于設(shè)定值時，保護電路輸出高電平，使逆變電路停止工作，因為輸出電壓和輸入電壓也是密切相關(guān)的，對輸入的過壓保護在一定程度上也是輸出的過壓保護。

4.4 各變換電路設(shè)計
4.4.1 DC/DC變換電路
直流變換電路由DC/AC和整流濾波電路組成。電路結(jié)構(gòu)如圖4-16，Q1和Q2的基極分別接TL494的兩個內(nèi)置晶體管的發(fā)射極。中心器件變壓器變壓器T1，實現(xiàn)電壓由12V脈沖電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?20V脈沖電壓。此脈沖電壓經(jīng)過整流濾波電路變成320V高壓直流電壓。變壓器T1的工作頻率選為50KHz左右。電路正常時， TL494的兩個內(nèi)置晶體管交替導(dǎo)通，導(dǎo)致圖中晶體管Q1、Q2的基極也因此而交替導(dǎo)通，Q3和Q4 也交替導(dǎo)通，這樣使變壓器工作在推挽狀態(tài)，Q3和Q4以頻率為50KHz交替導(dǎo)通，使變壓器的初級輸入端有50KHz的交流電。當Q1導(dǎo)通時，場效應(yīng)管Q3因為柵極無正偏壓而截止，而此時Q2截止，導(dǎo)致場效應(yīng)管Q4柵極有正偏壓而導(dǎo)通。當Q1導(dǎo)通時，Q2截止，場效應(yīng)管Q3因為柵極無正偏壓而截止，而此時Q2截止，導(dǎo)致場效應(yīng)管Q4柵極有正偏壓而導(dǎo)通。且交替導(dǎo)通時其峰值電壓為12V，即產(chǎn)生了12V/50KHz的交流電。極性電容C3濾去12V直流中的交流成分，降低輸入干擾[14]。濾波電容C1可取為2200uF。整流濾波電路由四只整流二極管和一個濾波電容組成。四只整流二極管D3～D6接成電橋的形式，稱單相橋式整流電路。在橋式整流電路中，電容C4濾去了電路中的交流成分，此處濾波取值為10uF。
圖中的推挽場效應(yīng)管Q3，Q4在工作時會通過大電流，經(jīng)過計算電流約為19A，故場效應(yīng)管的型號選擇IRF650A.其最大耐壓值為200V，電流為32A，滿足要求。

DC/AC電路結(jié)構(gòu)如圖4-17所示，該變換電路為全橋橋式電路。電路中各輸入輸出波形如圖4-18所示：由集成芯片ICL8038產(chǎn)生的50Hz正弦波一路輸入SG3525A內(nèi)部與鋸齒波比較產(chǎn)生兩路互補的正弦波調(diào)寬脈沖分別由SG3525A的高輸出端和低輸出端輸出。其高端和低端輸出的兩列波形圖4-18（a）中的 和 。如果將此脈沖直接輸入驅(qū)動芯片來驅(qū)動全橋電路，如在正弦波的前半個周期，驅(qū)動脈沖會使電路中的Q5和Q8兩個場效應(yīng)管在前半個周期內(nèi)的絕大多數(shù)時間處于導(dǎo)通。經(jīng)過濾波后輸出為220V的工頻正弦波的前半個周期[15]。但是在Q5和Q8關(guān)斷的很短時間內(nèi)，另一路會輸入一系列時間極短的電平脈沖，這些脈沖會使Q6和Q7瞬間導(dǎo)通，這樣可能會在輸出端輸出一列相位相反的尖峰脈沖，會影響輸出的正弦波。因而在本次設(shè)計中，SG3525A輸出的調(diào)寬脈沖并不直接用來驅(qū)動全橋電路。而是分別輸入兩個與門的一個輸入端。由ICL8038產(chǎn)生的正弦波經(jīng)相應(yīng)處理后轉(zhuǎn)化為兩列相位互補的50Hz方波，如圖4-18（b）所示這兩列方波信號分別輸入兩個與門電路的另一個輸入端，經(jīng)過相與后可以去掉SG3525A輸出的調(diào)寬波的半個周期的瞬間方波脈沖，如圖4-18（c）所示，這樣可以使避免輸出的正弦波形中的雜波干擾，使得輸出波形更加完。同時這種方式可以減少開關(guān)管的損耗，增加開關(guān)管的可靠性，提高逆變電源的效率。
在逆變電源中，場效應(yīng)管應(yīng)當能承受320V的直流高壓電，考慮到電壓波動以及一定的裕量，場效應(yīng)管的電壓參數(shù)應(yīng)大于400V,參照場效應(yīng)管的參數(shù)表，故選用型號為IRF820A的場效應(yīng)管。其耐壓值為500V,最大電流為2.5A。足以滿足逆變電源320V以及最大電流1A的要求。

圖4-18 正弦波脈沖調(diào)寬波形圖

4.5 逆變電源保護電路
4.5.1 輸入過壓保護電路

圖4-19 輸入過壓保護電路
電源輸入過壓保護電路如圖4-19所示：VCC為電源電壓，VCC通過R1和R2產(chǎn)生一個分壓，該分壓加到脈沖產(chǎn)生芯片TL494的引腳1，即誤差放大器同向輸入端，引腳2為反相輸入端，電路正常情況下2腳電壓應(yīng)略高于1腳電壓才能保證誤差比較器I的輸出為低電平，才能使芯片內(nèi)兩個三極管正常工作。由于引腳2與基準電壓輸出端14腳相連，則引腳2的電壓為基準電壓5V。但是當輸入電壓過高超過15V時，1腳處的電壓則會高于5V，即高于2腳的電壓，則誤差放大器Ⅰ輸出高電平，則TL494停止工作，從而實現(xiàn)過壓保護。[Page]
4.5.2 輸入欠壓保護電路
欠壓保護電路如圖4-20所示，它監(jiān)測蓄電池的電壓狀況，如果蓄電池電壓低于預(yù)設(shè)的10.8V，保護電路開始工作，使控制器SG3525A的腳10關(guān)斷端輸出高電平，停止驅(qū)動信號輸出。
圖4-20中運算放大器的正向輸入端的電壓由R1和R3分壓得到，而反向輸入端的電壓由穩(wěn)壓管箝位在＋9V，正常工作的時候，由三極管V導(dǎo)通，IR2110輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動晶閘管正常工作，實現(xiàn)逆變電源的設(shè)計[16]。當蓄電池的電壓下降超過預(yù)定值后，運算放大器開始工作，輸出跳轉(zhuǎn)為負，同時三級管V截止，向SG3525A的SD端輸出高電平，封鎖IR2110的輸出驅(qū)動信號，此時沒有逆變電壓的輸出。
由于設(shè)置的穩(wěn)壓值為9V，對照常用穩(wěn)壓管的參數(shù)表，用于欠壓保護的穩(wěn)壓管型號為1N5239A,其穩(wěn)壓值為9.1V，最大耗散功率0.5W,最大工作電流為50mA。

圖4-20 欠壓保護電路圖

4.5.3 過熱保護電路
因為逆變電源頻率很高，當接大功率負載時逆變器會發(fā)熱，處于過熱狀態(tài)會影響一部分元器件的性能，會影響逆變器的使用壽命。因而在電路中加入過熱保護電路，當溫度高于某一個設(shè)定值時，逆變器立刻停止工作，使溫度降低，從而實現(xiàn)對逆變器的過熱保護。

圖4-21 過熱保護電路
電路結(jié)構(gòu)如圖4-21。15腳為芯片TL494的反相輸入端，16為同相輸入端，電路正常情況下15腳電壓應(yīng)略高于16腳電壓才能保證誤差比較器II的輸出為低電平，才能使芯片內(nèi)兩個三極管正常工作。因為芯片內(nèi)置5V基準電壓源，負載能力為10mA。所以15腳電壓應(yīng)高于5V。15腳電壓U計算式為：
U=12×R5÷(R3+R4+R5) (4-7)
這里R4為正溫度系數(shù)熱敏電阻，常溫阻值可在150～300 范圍內(nèi)任選，適當選大寫可提高過熱保護電路啟動的靈敏度[17]。這里取200 。R3取36 ，R5取39 ，C1為濾波電容，取值為100pF.則15腳電壓為6.22V，符合要求。

4.5.4 輸出過壓保護電路
輸出過壓保護電路結(jié)構(gòu)如圖4-22，電阻R41和R42對輸出電壓進行采樣，當輸出電壓過高時將導(dǎo)致穩(wěn)壓管D15擊穿，使SG3525A芯片的10腳對地的電壓升高，使芯片SG3525A停止輸出驅(qū)動脈沖，切斷輸出[18]。設(shè)允許輸出的最高電壓為230v。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值一般規(guī)定為輸出電壓的130%～150%。后繼電路為220V/50Hz輸出，其中電阻R41為100 ，可取為4.7 ，根據(jù)電路分壓知識，則R2上的電壓為：
230×4.7÷104.7=10V (4-8)
故穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為10V.電容C16為0.1uF,用來濾波。
對照常用穩(wěn)壓管的參數(shù)表，用于輸出過壓保護的穩(wěn)壓管型號為1N5240A,其穩(wěn)壓值為10V,最大耗散功率為0.5W，最大工作電流為45mA，滿足電路要求。

圖4-22 輸出過壓保護電路圖

4.5.5 輸出過流保護電路

圖4-23 輸出過流保護電路圖

輸出電流保護電路如圖4-23所示：電流采樣由電流互感器T2完成，電流互感器的原邊直接串聯(lián)在逆變電源的輸出端，原邊的工頻電流會在副邊感生出感應(yīng)電流。該感生電流經(jīng)過整流濾波之后通過分壓電阻R20轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后將該電壓信號輸入到電壓比較器U2A的反向端，通過與正向端的基準電壓比較來輸出相應(yīng)的電平信號，該電平信號輸入驅(qū)動芯片IR2110的控制端SD實現(xiàn)對電路的保護功能[19]。
此處設(shè)定輸出最大電流為1.2A,電流互感器的原副邊匝數(shù)比為1：120.則當輸出電流達到1.2A時，在副邊會感生出10mA的電流，經(jīng)過整流橋和濾波電容的整流濾波之后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電流，經(jīng)過可變電阻R20后在運放的反向端輸入一個電壓，取R20為1K,則反向端電壓為5V。調(diào)整R19，使得正向端的電壓也為5V,則當電流大于1.2A時，運放輸出低電平，則Q10集電極向IR2110的SD腳輸出高電平，逆變器停止工作，從而實現(xiàn)過流保護。

5 結(jié)論
本文設(shè)計了一款高性能的車載逆變電源。該電源采用的是比較經(jīng)典的兩級變換的方式，即靠前級是運用直流/直流的變換方式，第二級是運用直流/交流的變換方式。在該高性能車載逆變器中采用中間直流環(huán)節(jié)的高頻變壓器式逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它由高頻變壓器升壓、整流濾波、高頻SPWM逆變和高頻濾波輸出組成。因它工作在高頻情況下，可使變壓器、濾波電容、電容的體積及重量減小，噪聲降低，反應(yīng)速度提高。其中的高頻SPWM由集成芯片構(gòu)成的純硬件電路來產(chǎn)生，避免了使用單片機而需要大量計算和編程的麻煩。該逆變器的主要功能是把汽車上的蓄電瓶提供的12V直流電壓變換成電器所需要的220V/50Hz的交流電，來對我們車上的一些用電設(shè)備進行供電，方便我們的出行。本設(shè)計具有靈活方便、適用范圍廣的特點，基本能夠滿足實踐需求。而且本設(shè)計采用高頻逆變方式，具有噪聲降低、反應(yīng)速度提高以及電路調(diào)整靈活的優(yōu)點。設(shè)計符合逆變電源小型化、輕量化、高頻化以及高可靠性、低噪聲的發(fā)展趨勢。

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