車載逆變電源設(shè)計(jì)_圖文

1、1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)要求制作車載正弦波逆變電源,輸入 12V 直流,輸出 220V , 50Hz 的 正弦波,滿載時(shí)輸出功率 50W ,效率不小于 80%;輸出波形失真度小 于 5%, 當(dāng)負(fù)載從空載到滿載變化時(shí), 輸出電壓有效值穩(wěn)定度高于 3%; 具有輸入過壓和欠壓,輸出過流和負(fù)載短路保護(hù)等功能。1.2總體設(shè)計(jì)方案題目要求設(shè)計(jì)一個(gè)車載正弦波逆變電源,輸出電壓波形為正弦 波。設(shè)計(jì)中主電路采用電器隔離、 H 橋逆變技術(shù),控制部分采用 SPWM (正弦脈沖調(diào)制 技術(shù),利用逆變元件電力 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)制, 使輸出獲得交流正弦波的穩(wěn)壓電源。1. DC-DC實(shí)現(xiàn)變換器的方案論證與選擇方案一

2、 :推挽式 DC-DC 變換器。 推挽電路是兩個(gè)不同極性晶體管輸出電路 無輸出電壓器 (有 OTL, OCL等 。是兩個(gè)參數(shù)相同的功率 BJT 管或 MOSFET 管,以推挽方式存在于電路中,各負(fù)責(zé)正負(fù)半周的波形放大 任務(wù)。電路工作中,兩只對稱的功率開關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通,所以 導(dǎo)通損耗小,功率高。推挽輸出級既可向負(fù)載灌電流,也可從負(fù)載抽 取電流。方案二 :Boast 升壓式 DC-DC 變換器。 開關(guān)的開通和關(guān)斷受外部 PWM 信號 控制,電感 L 將交替地存儲和釋放能量,電感儲能后使電壓上升,而 電容 C 可將輸出電壓保持平穩(wěn), 通過改變 PWM 控制信號的占空比以相 應(yīng)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化

3、。 該電路采取直接直流升壓, 電路結(jié)構(gòu)較簡單, 損耗較小,效率比較高。方案比較 :方案一和方案一都適用于升壓電路, 推挽式 DC-DC 變換器可由高頻變壓器將電壓升至任何值。 Boost 升壓式 DC-DC 變換器不使用高電 頻變壓器, 由 12V 升至 320V , PWM 信號的占空比比較低, 會使得 Boost 升壓式 DC-DC 變換器的損耗比較大。綜上所述,采用方案一。 2. 輔助電源的方案論證與選擇方案一 :采用線性穩(wěn)壓器 LS7805方案二 :采用 Buck 降壓式 DC-DC 變換器。方案比較 :方案一的優(yōu)點(diǎn)在于可以使用很少元器件構(gòu)成輔助電源, 但是效率 較低。方案二的優(yōu)點(diǎn)在于

4、效率高達(dá) 90%,缺點(diǎn)是需要很多元器件,使 得成本較高穩(wěn)定性較差。 在滿足要求的情況下選擇最優(yōu)方案, 最終決 定采用方案一。2單元硬件電路設(shè)計(jì)2. 1 DC-DC升壓模塊DC-DC升壓電路的基本原理 : DC-DC升壓驅(qū)動(dòng)板,采用的是很常 見的線路,用一片 SG3525實(shí)現(xiàn) PWM 的輸出,后級用二組圖騰輸出, 增加驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)后級的 RUI190N8。板上有二個(gè)小按鈕開關(guān), S1, S2, S1是開機(jī)的, S2是關(guān)機(jī)的,可以控制逆變器的啟動(dòng)和停機(jī)。這驅(qū)動(dòng) 板,是用 J3, J4接口和功率板相連的,其中 J3的第 1P 為限壓反饋 輸入端。原理圖如圖 2-1-1所示。 圖 2-1-1 DC-DC

5、升壓電路圖控制系統(tǒng)的開關(guān)板設(shè)計(jì)如圖 2-1-2所示 :開機(jī)、關(guān)機(jī)由具有自鎖 功能的繼電器進(jìn)行控制,這里的 8050三極管起到開關(guān)電路的作用當(dāng) S1按鍵按下時(shí) 8050晶體管基極導(dǎo)通從而集電極到發(fā)射極有電流三極 管處于導(dǎo)通狀態(tài),繼電器工作, A1導(dǎo)通有電壓輸入, S2鍵按下三極 管處于斷開狀態(tài), 繼電器不工作從而 Al, A2斷開。 原理圖如圖 2-1-2所示 圖 2-1-2 開關(guān)板電路圖PWM波形產(chǎn)生原理圖如圖 2-1-3所示 圖 2-1-3 PWM波形產(chǎn)生原理圖PWM 固定頻率是由 SG3525芯片產(chǎn)生。 SG3525芯片引腳圖如圖 2-1-4所示, SG3525芯片資料見如下 : 圖 2-

6、1-4 SG3525芯片引腳圖管腳說明 :引腳 1:誤差放大反向輸入 引腳 9: PWM比較補(bǔ)償信號輸入端引腳 2:誤差放大同向輸入 引腳 10:外關(guān)斷信號輸入端引腳 3:振蕩器外接同步信號輸入端 引腳 11:輸出 A引腳 4:振蕩器輸出端 引腳 12:信號地引腳 5:振蕩器定時(shí)電容接入端 引腳 13:輸出級偏置電壓接入端 引腳 6:振蕩器定時(shí)電阻接入端 引腳 14:輸出端 B引腳 7:振蕩器放電端 引腳 15:偏置電源輸入端引腳 8:軟啟動(dòng)電容接入端 引腳 16:基準(zhǔn)電源輸出端圖中 11與 14腳輸出兩路互補(bǔ)的 PWM 波,其頻率由與 5、 6管腳 所連的 R, C決定。 PWM 頻率計(jì)算式

7、如下 :f=1/C5(0.7R15+3R16,調(diào) 節(jié) 6端的電阻即可改變 PWM 輸出頻率。同時(shí),芯片內(nèi)部 16腳的基準(zhǔn) 電壓為 5.1 V采用了溫度補(bǔ)償,設(shè)有過流保護(hù)電路, 5.1V 反饋到 2端同向輸入端,當(dāng)反向輸入端也為 5.1V 時(shí),芯片穩(wěn)定,正常工作。 若兩端電壓不相等, 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整將其保持穩(wěn)定。 在脈寬比 較起的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放人器輸出信 號進(jìn)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)河電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng),因此,無論開關(guān) 電源的電壓調(diào)整率、 負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高, 日前比較 理想的新型控制器。

8、 R 和 C 設(shè)定了 PWM 芯片的工作頻率,計(jì)算公式為 T= (0.67*RT+1.3*RD*CT。再通過 R13和 C3反饋回路。構(gòu)成頻率補(bǔ) 償網(wǎng)絡(luò)。 C6為軟啟動(dòng)時(shí)間設(shè)定電容。用一片 SG3525實(shí)現(xiàn) PWM 的輸出,后級用二組圖騰輸出,增加驅(qū) 動(dòng), 驅(qū)動(dòng)后級的 RUI190N8。 該電路中由一對二極管 8050 (NPN和 8550 (P1P組成圖騰電路,用于功率放大器和穩(wěn)壓電源中用于功率放大器 和穩(wěn)壓放大器。本系統(tǒng)中用于功率放大,驅(qū)動(dòng)后級電路。2.2 PWM驅(qū)動(dòng)模塊SPWM 的核心部分采用了 TDS2285單片機(jī)芯片, 用其產(chǎn)生為功率主 板產(chǎn)生占空比變化的矩形波,通過 H 橋產(chǎn)生所需

9、的正弦波。 U3 , U4組成時(shí)序和死區(qū)電路,末級輸出用了 4個(gè) 250光藕, H 橋的二個(gè)上管 用了自舉式供電方式, 這樣做的目的是簡化電路, 可以不用隔離電源, 該模塊原理圖如圖 2-2-1所示 : 圖 2-2-1 PWM驅(qū)動(dòng)電路圖1. 該模塊采用的是 TDS2285芯片,其管腳如圖2-2-2所示 圖 2-2-2 TDS2285芯片管腳圖2. 該 模 塊 TDS2285芯 片 工 作 原 理 圖 如 圖 2-2-3 所 示 圖 2-2-3 TDS2285芯片工作原理圖該芯片的 6、 7管腳生成交流電正、負(fù)半周調(diào)制波輸出引腳,輸 出 SPWM 脈沖,其頻率有接在 2、 3管腳間的晶振來決定。

10、 9腳為故障 報(bào)警輸出端,通常驅(qū)動(dòng)一蜂鳴器,同時(shí)配合 5腳 LED 的狀態(tài),當(dāng)蓄電 池電壓輸入出現(xiàn)過壓或低壓時(shí), 該蜂鳴器隨 LED 指示燈每隔 1秒報(bào)警 一次, 當(dāng)出現(xiàn)交流過流或者短路時(shí), 該蜂鳴器隨 LED 指示燈每隔 0. 5秒報(bào)警一次。 13腳為檢測蓄電池電壓,當(dāng) 13腳的電壓超過 3V 或低 于 1V 時(shí),逆變停止工作,并進(jìn)入欠壓或過壓故障狀態(tài)。通過外接蓄 電池上分壓來實(shí)現(xiàn)。 10腳為交流電壓穩(wěn)壓反饋輸入,實(shí)時(shí)檢測功率 主板輸出的交流正弦波輸出電壓變動(dòng)范圍, 并作調(diào)整輸出達(dá)到穩(wěn)定輸 出電壓的目的。H橋驅(qū)動(dòng)電路接在死區(qū)電路后級,由四個(gè)高速光電耦合 TLP250芯片構(gòu)成,其原理圖如圖 2

11、-2-4所示 圖 2-2-4 H橋驅(qū)動(dòng)電路圖由于光電耦合 TPL250工作電壓為 15V , 而系統(tǒng)只提供 12V 的電壓, 要經(jīng)過升壓模塊。該系統(tǒng)采用 MC34063芯片,專用于三端穩(wěn)壓 78L15作為輸出。其原理如圖 2-2-5所示。 圖 2-2-5 15V電源產(chǎn)生電路圖2.3功率主板模塊功率主板是產(chǎn)生 320V, 50Hz正弦波的關(guān)鍵部分所在。主板包括 了 DC-DC 推挽升壓和 H 橋逆變兩部分。 1號板送過來的兩路 PWM 波送 至變壓器兩端, 電平電壓經(jīng)過濾波電容后送至變壓器的抽頭處, 經(jīng)過 變壓器后輸出其電路如圖 2-3-1 所示。圖 2-3-1 功率主板電路圖1號板送過來的兩路

12、 PWM 波送至變壓器兩端,電瓶電壓經(jīng)過濾波 電容后送至變壓器的抽頭處,經(jīng)過變壓器后輸出,經(jīng)過電橋整流, RC 濾波后輸出約為 453V 的直流電壓。直流電壓電路反饋到一號板芯片 的 SG3525的 1腳,一路輸出到 H 橋逆變電路。H橋式逆變電路由四個(gè) IRFP460場效應(yīng)管構(gòu)成的橋,由經(jīng)變壓器 升壓后的 453直流電壓與 3號板產(chǎn)生的 PWM 波同時(shí)經(jīng)過 H 橋逆變, 再 經(jīng)過 RC 濾波,即可得到 320V, 50Hz 的正弦波。其原理如圖 2-3-2所 示。圖 2-3-2單相橋式 PWM 逆變電路2.4保護(hù)電路模塊慢保護(hù)是對輸出線的一路電流進(jìn)行測試,并進(jìn)行保護(hù)。采用 5A/5MA的電流

13、互感器進(jìn)行慢保護(hù)。從電流互感器出來的交流電經(jīng) DB107進(jìn)行整流,后經(jīng)采樣,與 LM393的比較器基本電壓 0.45V 進(jìn)行 比較,若大于基準(zhǔn)電壓,進(jìn)行報(bào)警,并反饋到前級,發(fā)出報(bào)警。系統(tǒng) 經(jīng)過自動(dòng)調(diào)整對其進(jìn)行保護(hù)。慢保護(hù)電路如圖 2-4-1所示。 圖 2-4-1 慢保護(hù)電路短路保護(hù)即防止功率主板中 H 橋的兩個(gè) COMS 管同時(shí)導(dǎo)通,當(dāng)其 同時(shí)導(dǎo)通時(shí), 輸出 453的電壓, 經(jīng)過分壓, 與 LM393的基準(zhǔn)電壓 1. 45V 進(jìn)行比較, 若大于基準(zhǔn)電壓, 則輸出報(bào)警, 并通知前級進(jìn)行保護(hù)措施。 導(dǎo)通電壓經(jīng)過加在 0.1/5W的采樣電阻上接地,使輸出安全。其電路 如圖 2-4-2所示。 圖 2-

14、4-2短路保護(hù)電路參考文獻(xiàn)1. 劉風(fēng)君 . 實(shí)用電源技術(shù)叢書 -正弦波逆變器 (第一版 . 科學(xué)出版社,2002, 1-3.2.(英 Marty Brown.開關(guān)電源設(shè)計(jì)指南,徐德鴻、沈旭、楊成林、周 鄧燕等譯 (第 二版 . 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004, 230.3. 王兆安, 黃俊等 . 電力電子技術(shù) (第 4版 . 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009, 132-1404. 陳國呈 .PWM 變頻調(diào)速及軟幵關(guān)電力變換技術(shù)第一版 . 機(jī)械工業(yè) 出版社, 2001, 25-270.5. 曾毅,王效良,吳皓,張朝平 . 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與維護(hù) (第 二版 . 山東 科學(xué)出版社, 2002, 54-

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16、0h 8050 NPN PNP RHRP8120 4007 4148 IN5819 HER107 4700f 330/450v 4.7f 100f/16v 220f 10f 100f 16 1 1 1 1 1 3 3 2 3 2 4 5 4 1 4 4 1 1 1 2 1 1 電解電容 電解電容 電解電容 電解電容 瓷片電容 瓷片電容 瓷片電容 瓷片電容 瓷片電容 瓷片電容 瓷片電容 瓷片電容 瓷片電容 瓷片電容 場效應(yīng)管 場效應(yīng)管 LED 整流橋 三端穩(wěn)壓管 繼電器 變壓器 晶振 470f/16v 47f/25v 4.7f/16v 47f/16v 475/630 105/630v 222 22 100f 221 47 104 103 102 IPFP460 RU190N80 2 2 1 1 1 1 1 2 1 1 4 16 3 2 4 2 4 DB107 78L05 自鎖功能 10kHz 16MHz 17 1 1 1 1 1 蜂鳴器 開關(guān) 排插 保險(xiǎn)絲 保險(xiǎn)絲 集成芯片 集成芯片 集成芯片 集成芯片 集成芯片 集成芯片 集成芯片 集成芯片 集成芯片 s 臥式 4A 3A SG3525 MC34063 78L15 MM74HC04 MM74HC00 TDS2285 78L05 LM393 TPL250 1 2 6