基于LM25037的車載便攜式SPWM逆變器設(shè)計(jì)

目前，汽車普及率日益升高，車載逆變器將汽車點(diǎn)煙器輸出12 V DC轉(zhuǎn)換成220 V/50 Hz交流電，供一般的電器產(chǎn)品使用。車載逆變器作為一種移動(dòng)中使用的電源轉(zhuǎn)換器，為人們外出工作或旅游提供了很大的便利，具有廣闊的市場前景。汽車上使用的電器多為商用或一般生活用，如車用冰箱、筆記本電腦、手機(jī)充電器、汽車DVD等，有些設(shè)備方波逆變不能滿足其供電要求，如車用冰箱，必須要50 Hz的正弦波才能正常工作，因此車載正弦波逆變電源成為一種趨勢。

本文介紹的基于LM25037的高效便攜式車載逆變電源的主要參數(shù)為：輸入電壓9.6～16.2 V DC；輸出電壓220 V(±10 V)50 Hz(±0.5%) AC；輸出功率500 W。

系統(tǒng)基本原理

系統(tǒng)輸入為12 V DC蓄電池，輸出為220 V/50 Hz。采用如圖1所示的典型二級結(jié)構(gòu)DC/DC高頻升壓和DC/AC低頻逆變。首先，DC/DC變換器將蓄電池12 V DC升高至360 V；然后全橋SPWM逆變將直流電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成有效值為220 V/50 Hz方波，供負(fù)載使用。

DC/DC電路設(shè)計(jì)

對于高壓輸出場合，從安全角度考慮，一般采用變壓器隔離型結(jié)構(gòu)。推挽正激變換器具有推挽變換器和正激變換器的優(yōu)點(diǎn)，變壓器雙向勵(lì)磁，磁芯利用率高，加入箝位電容后能夠有效地抑制開關(guān)管的電壓尖峰及變壓器偏磁問題，并且無需磁復(fù)位電路，在輸入低壓大電流的場合具有一定的應(yīng)用價(jià)值[1，2]。本系統(tǒng)輸入電壓9.6～16 V DC,滿載時(shí)輸入電流50 A左右，單個(gè)推挽正激變換器難以實(shí)現(xiàn)較高的效率。因此，本系統(tǒng)采用了如圖2所示的組合式推挽正激變換器，即輸入側(cè)并聯(lián)輸出側(cè)串聯(lián)IPOS。IPOS結(jié)構(gòu)有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：原邊開關(guān)電流應(yīng)力減??；2個(gè)變換器采用交錯(cuò)并聯(lián)控制方式，減小輸入電流紋波；輸出側(cè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)減小了輸出整流二極管電壓應(yīng)力[3]。輸出側(cè)加入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)[1]提出的雙CDD吸收電路有效的抑制了整流二極管反向恢復(fù)引起的電壓尖峰，便于選取額定電壓較低的二極管，減小導(dǎo)通損耗。

DC/DC控制電路采用美國國家半導(dǎo)體公司針對車載電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的芯片LM25037，該芯片具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：(1)寬范圍輸入工作電壓5.5 V～75 V；(2)可采用電壓前饋模式或峰值電流模式控制；(3)內(nèi)部集成前饋PWM鋸齒波發(fā)生器；(4)具有可編程的遲滯欠壓保護(hù)和死區(qū)時(shí)間功能；(5)帶有延時(shí)的定時(shí)器雙重模式的過流保護(hù)功能；(6)可編程的最大占空比和軟啟動(dòng)；(7)內(nèi)部集成了高精度的誤差放大器和過流比較器，具有外同步等功能；(8)2路交替輸出的驅(qū)動(dòng)信號，適合于推挽、全橋和半橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]。

DC/DC變換器采用Common-duty ratio控制，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制模塊2的輸出電壓穩(wěn)定在180 V。利用十進(jìn)制的CD4017分頻器對1 MHz的輸入信號分頻，得到相差1/4T s的2個(gè)時(shí)鐘信號作為2片LM25037的外同步信號，模塊2輸出電壓誤差PI調(diào)節(jié)后信號作為2片控制芯片COMP端給定，實(shí)現(xiàn)2個(gè)模塊的交錯(cuò)并聯(lián)。

變壓器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)指標(biāo)：輸入電壓范圍9.6 V～16 V；輸出電壓Vo=360 V；模塊2輸出電壓Vc2=180 V；功率Po=500 W；工作頻率fs=50 kHz；最大工作占空比Dmax=0.47；變壓器的匝比為：

　
實(shí)際選取鐵氧體ETD39的磁芯，匝比N=20，原邊N1=N2=5匝，副邊N3=100匝。

DC/DC輸出濾波電感設(shè)計(jì)

按設(shè)計(jì)要求實(shí)際選取臨界工作電流Ioc=0.4，Io=0.28 A，輸出濾波電感值為：

　
后級全橋整流兩橋臂對稱，將1.4 mH的電感分成2個(gè)相同的0.7 mH的電感繞在同一個(gè)磁芯上。選用鐵氧體EI30磁芯，中柱加入0.2 mm的氣隙，匝數(shù)nf=65。

LM25037外圍電路設(shè)計(jì)

LM25037的外圍電路如圖3所示。下面對各部分參數(shù)選取做出詳細(xì)介紹。

開關(guān)頻率和重啟時(shí)間設(shè)定

根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊設(shè)定開關(guān)頻率為f=50 kHz，死區(qū)時(shí)間為250 ns，外同步工作方式下外部時(shí)鐘的頻率應(yīng)至少比R6設(shè)定的自由運(yùn)行頻率高出10%[4]，選取R6=81 kΩ，R7=50 kΩ。

如圖4所示，過流保護(hù)后重啟時(shí)間由以下3部分決定：
(1)t1：過流時(shí)，內(nèi)部20 μA的電流源對C9充電至2 V；
(2)t2：1 μA的電流源對C10從0 V充電至1 V；
(3)t3：100 μA的電流源對C10從1 V充電至5 V。

因此通過設(shè)定RES及SS引腳電容C9和C10的值就可以設(shè)定出現(xiàn)過流保護(hù)后的重啟時(shí)間。取C9=100 pF，C10=100 nF，則TRES約為10.4 ms。

前饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

如圖5所示，前饋電壓信號是通過外部的RC網(wǎng)絡(luò)在每個(gè)開關(guān)周期輸入電壓對C3充電，得到斜率與輸入電壓成正比的鋸齒波。在開關(guān)周期結(jié)束時(shí)通過芯片內(nèi)部的MOS管對C3放電，使電容復(fù)位。

取C3=100 pF，R3=200 kΩ，其中Tdischarge<50 nS，Tsw為振蕩周期，VRAMP為斜坡電壓峰值，Vin為輸入電壓，Ron為內(nèi)部MOS管導(dǎo)通電阻。

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

推挽正激變換器驅(qū)動(dòng)不同于推挽電路，比如當(dāng)在推挽正激變換器中，當(dāng)接地的開關(guān)管Q2導(dǎo)通時(shí)，浮地的開關(guān)管上Q1承受的是-Vin，一般的驅(qū)動(dòng)芯片不能承受負(fù)壓，因此采用如圖6所示的變壓器隔離驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)變壓器設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮漏感，漏感的大小直接影響驅(qū)動(dòng)信號速度，并且在2個(gè)開關(guān)管均關(guān)斷的時(shí)間與結(jié)電容發(fā)生振蕩，引起開關(guān)管誤導(dǎo)通。LM25037的PWM輸出端最大驅(qū)動(dòng)電流為50 mA，在隔離型驅(qū)動(dòng)中為防止芯片過熱，加入專用驅(qū)動(dòng)芯片LM5110，其驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

DC/AC電路設(shè)計(jì)

逆變電路采用ATMEL公司8位AVRmega16單片機(jī)控制。該單片機(jī)具有2個(gè)分別獨(dú)立可預(yù)分頻的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；1個(gè)具有比較、捕獲的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；4路PWM通道；8路10位ADC等功能。

單片機(jī)控制及逆變器驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。為了減小開關(guān)損耗，逆變器采用單極性倍頻的調(diào)制方式，將內(nèi)部16位定時(shí)器T1當(dāng)成2個(gè)8位使用，分別與2個(gè)相位差180°的正弦波比較即可得到需要的按正弦規(guī)律變化的PWM信號?；鶞?zhǔn)正弦信號通過查表得到，當(dāng)點(diǎn)煙器輸出電壓較低時(shí)，直流母線電壓可能達(dá)不到360 V，因此采用前饋控制，根據(jù)不同的母線電壓值判斷查不同的正弦表，以保證輸出正弦波有效值在設(shè)定的范圍內(nèi)。T1a和T1b工作在移相PWM模式，輸出腳OCR1A和OCR1B作為逆變器的控制信號。為了防止開關(guān)管直通，開關(guān)管上下橋臂之間需要加入死區(qū)，采用驅(qū)動(dòng)芯片IR2103可以方便地實(shí)現(xiàn)信號的取反、加入510 ns對稱的死區(qū)以及電平的轉(zhuǎn)換。

實(shí)驗(yàn)波形

在輸入電壓Vbat=12 VDC，滿載時(shí)輸出功率Po=500 W的電阻性負(fù)載情況下測得如下波形，其中圖8為正激變換器開關(guān)管驅(qū)動(dòng)及DS的電壓波形?？梢钥闯?，由于箝位電容的吸收作用，推挽正激變換器關(guān)斷時(shí)Vds的電壓尖峰大大減小。圖9為加入CDD吸收電路后整流二極管承受的反向電壓波形?？梢钥闯鲶槲浑娐酚行У匾种屏硕O管的反向恢復(fù)，減小了電壓尖峰及反向恢復(fù)損耗。圖10為滿載時(shí)直流母線電壓及其紋波波形，滿載時(shí)直流母線電壓紋波峰-峰值約為4 V。圖11為滿載時(shí)，逆變器輸出的電壓、電流波形，經(jīng)過分析得出，輸出電壓波形的諧波THD為0.97%，滿載時(shí)的效率為85.7%。

本文提出的基于LM25037便攜式車載逆變電源，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有電能利用率高、THD低、外圍電路簡單、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，在便攜式電源中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。