一種實(shí)用的車載逆變器的設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，汽車正逐漸成為人們的日常交通工具。然而，人們隨身攜帶的電子產(chǎn)品，比如手機(jī)，卻不能使用汽車上的電源。因此，開發(fā)一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的車載逆變器就成為一種需求。我們采用集成脈寬調(diào)制芯片SG3525A為主控芯片，以CD4020B計(jì)數(shù)器及與非門電路構(gòu)成分頻分相電路并配以保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)了逆變器的脈寬調(diào)制。其在逆變電源工作時(shí)的持續(xù)輸出功率為100W，并具有輸出過流保護(hù)及輸入欠壓保護(hù)等功能，可實(shí)現(xiàn)電源逆變、電壓穩(wěn)定、欠壓保護(hù)及過流保護(hù)等功能。

系統(tǒng)基本原理

本逆變器輸入端為汽車蓄電池(+12V，4.5Ah)，輸出端為工頻方波電壓(50Hz，220V)。其系統(tǒng)主電路和控制電路框圖如圖1所示，采用了典型的二級(jí)變換，即DC/DC變換和DC/AC逆變。12V直流電壓通過推挽式變換逆變?yōu)楦哳l方波，經(jīng)高頻升壓變壓器升壓，再整流濾波得到一個(gè)穩(wěn)定的約320V直流電壓；然后再由橋式變換以方波逆變的方式，將穩(wěn)定的直流電壓逆變成有效值稍大于220V的方波電壓，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，分別采集了DC高壓側(cè)電壓信號(hào)、電流信號(hào)及蓄電池電壓信號(hào)，送入SG3525A，通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比或關(guān)斷脈沖來實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)、過流保護(hù)及欠壓保護(hù)等功能。

圖1 系統(tǒng)主電路和控制電路框圖

主要技術(shù)參數(shù)

輸入電壓:DC 12V；

輸出電壓:AC 220V±5%，50Hz±2%；

額定功率:100W；

保護(hù)功能:輸入直流極性接反保護(hù)，輸入欠壓保護(hù)，輸出過流保護(hù)。

電路設(shè)計(jì)

1 主控芯片SG3525A

SG3525A是ST公司生產(chǎn)的脈沖寬度調(diào)制器控制集成電路,具有集成基準(zhǔn)電壓，振蕩器同步，軟啟動(dòng)時(shí)間控制，輸入欠電壓鎖定等功能。SG3525A的引腳如圖2所示。

圖2 SG3525A引腳分布

振蕩頻率的確定：振蕩頻率由三個(gè)外部元件RT、CT和RD設(shè)置，分別接在6、5、7引腳上。振蕩頻率為fOSC=1/CT(0.7RT +3RD)，其中，0.7RTCT為定時(shí)電容充電時(shí)間，3RDCT為定時(shí)電容放電時(shí)間。為了使分頻分相電路取得50Hz振蕩頻率，本設(shè)計(jì)設(shè)定振蕩頻率為 51.2kHz，取CT＝2000pF, RT=10kΩ，RD=922Ω。

輸出脈寬的調(diào)整：PWM脈沖寬度由引腳9和引腳8中電平較低的一端控制。芯片內(nèi)部的誤差放大器U1將電壓反饋信號(hào)與基準(zhǔn)電壓信號(hào)偏差放大后送入比較器U2的反向輸入端，比較器正向輸入端的輸入則來自電容器CT上的鋸齒波，兩者做比較后輸出方波脈沖來控制SG3525A內(nèi)部輸出功放管的占空比（見圖3）。本設(shè)計(jì)中將8引腳經(jīng)電容接地，9引腳接DC/DC高壓直流電壓的反饋電壓，由此調(diào)整輸出直流電壓的穩(wěn)定。圖3中，U1為SG3525A中的誤差放大器，1、2、9分別為芯片管腳，R1～R7、C1、C2均為外接電阻電容。SG3525A的16引腳輸出5V參考電壓。電阻R3、R4及U1構(gòu)成反比例運(yùn)算器，R4/R3為其靜態(tài)放大倍數(shù)，其值越大控制精度越高。但放大倍數(shù)太大將引起振蕩，因此引入C1和R5使誤差放大器成為不完全比例積分控制器，此時(shí)靜態(tài)誤差放大倍數(shù)不變，動(dòng)態(tài)誤差放大倍數(shù)減小，既不影響控制精度，又避免過沖引起振蕩。

圖3 輸出直流高壓調(diào)節(jié)原理圖

脈沖的關(guān)斷：當(dāng)10引腳加上高電平時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖的封鎖。本設(shè)計(jì)使用該項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)輸出過流過壓、輸入欠壓的保護(hù)。

2 分頻分相電路

由14級(jí)串行二進(jìn)制計(jì)數(shù)/分配器CD4020B構(gòu)成分頻電路，分頻信號(hào)來自SG3525A的振蕩器輸出端引腳4。圖4中的A、B、C分別代表振蕩器脈沖經(jīng)8、9、10級(jí)分頻后的波形，其頻率分別為fA=fOSC/28, fB=fOSC/29, fC=fOSC/210。分相電路由單片兩輸入端四與非門CD4011BC及外圍器件組成，將信號(hào)ABC邏輯組合成逆變橋所需要的驅(qū)動(dòng)脈沖(A+B)C與(A+B)C信號(hào)。該驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有共同死區(qū)，信號(hào)頻率約為50Hz。

圖4 分頻分相波形圖

3 保護(hù)電路

① 輸入欠壓保護(hù)

如圖5所示，D1為蓄電池極性反接保護(hù)。SG3525A的引腳16輸出參考電壓5V,取R3＝R4=10kΩ。在正常情況下，U1的反相輸入端電壓大于正向輸入端電壓，U1輸出低電平，二極管D1、D2截止。當(dāng)蓄電池電壓低于10V時(shí)，比較器U1開始工作，輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?，D2、D3導(dǎo)通，并把同相輸入端電位提升為高電平，使得U1一直穩(wěn)定輸出高電平，向SG3525A的引腳10輸出關(guān)斷信號(hào)。

圖5 輸入欠壓保護(hù)電路

② 輸出電流過載保護(hù)

如圖6所示，運(yùn)放U2及外圍電阻構(gòu)成反比例放大器，運(yùn)放U3及外圍電路構(gòu)成比較器。圖1中的R3為取樣電阻，取2.2Ω，2W。當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，該電阻的壓降△U增大。

圖6 輸出電流過載保護(hù)電路

運(yùn)放U3正向輸入端輸入電壓為： U＋=(1+R2/R1)×(R3/R4)×△U

合理的調(diào)整R1、R2、R3、R4的取值，使得當(dāng)負(fù)載電流超過1.5A后，U3的正向輸入端電位高于反向輸入端，輸出高電位，二極管D2、D3導(dǎo)通，并把同相輸入端電位提升為高電平，使得U1一直穩(wěn)定輸出高電平，向SG3525A的10引腳輸出關(guān)斷信號(hào)。

散熱設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步減小體積，減輕重量，采取了利用外殼(機(jī)殼)散熱致冷辦法，既解決了散熱，又使整機(jī)體積變小，重量減輕。

逆變器試驗(yàn)輸出波形

DC／DC變換輸出電壓穩(wěn)定在320V，逆變橋開關(guān)頻率為50Hz，接500Ω電阻負(fù)載。實(shí)驗(yàn)的電路波形如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)電路輸出波形

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的車載逆變電源電路主要采用集成化芯片，使得電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本較低。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，該逆變電源工作穩(wěn)定可靠，能夠持續(xù)輸出功率100W。