摘要:提出了一種低成本的方波逆變電源的基本原理及制作方法;介紹了驅(qū)動電路芯片SG3524和IR2110的使用;設(shè)計了驅(qū)動和保護電路;給出了輸出電壓波形的實驗結(jié)果。
關(guān)鍵詞:逆變器;自舉電容;低成本
0 引言
電源是電子設(shè)備的動力部分,是一種通用性很強的電子產(chǎn)品。它在各個行業(yè)及日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用,其質(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。方波逆變是一種低成本,極為簡單的變換方式,它適用于各種整流負載,但是對于變壓器的負載的適應(yīng)不是很好,有較大的噪聲。
本文依據(jù)逆變電源的基本原理,利用對現(xiàn)有資料的分析推導(dǎo),提出了一種方波逆變器的制作方法并加以調(diào)試。
1 系統(tǒng)基本原理
本逆變電源輸入端為蓄電池(+12V,容量90A·h),輸出端為工頻方波電壓(50Hz,310V)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 方波逆變器的結(jié)構(gòu)框圖
目前,構(gòu)成DC/AC逆變的新技術(shù)很多,但是考慮到具體的使用條件和成本以及可靠性,本電源仍然采用典型的二級變換,即DC/DC變換和DC/AC逆變。首先由DC/DC變換將DC 12V電壓逆變?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穩(wěn)定的約320V直流電壓;然后再由DC/AC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;再經(jīng)LC工頻濾波得到有效值為220V的50Hz交流電壓,以驅(qū)動負載。
2 DC/DC變換
由于變壓器原邊電壓比較低,為了提高變壓器的利用率,降低成本,DC/DC變換如圖2所示,采用推挽式電路,原邊中心抽頭接蓄電池,兩端用開關(guān)管控制,交替工作,可以提高轉(zhuǎn)換效率。而推挽式電路用的開關(guān)器件少,雙端工作的變壓器的體積比較小,可提高占空比,增大輸出功率。
圖2 DC/DC變換結(jié)構(gòu)圖
雙端工作的方波逆變變壓器的鐵心面積乘積公式為
AeAc=Po(1+η)/(ηDKjfKeKcBm)(1)
式中:Ae(m2)為鐵心橫截面積;
Ac(m2)為鐵心的窗口面積;
Po為變壓器的輸出功率;
η為轉(zhuǎn)換效率;
δ為占空比;
K是波形系數(shù);
j(A/m2)為導(dǎo)線的平均電流密度;
f為逆變頻率;
Ke為鐵心截面的有效系數(shù);
Kc為鐵心的窗口利用系數(shù);
Bm為最大磁通量。
變壓器原邊的開關(guān)管S1和S2各采用IRF32055只并聯(lián),之所以并聯(lián),主要是因為在逆變電源接入負載時,變壓器原邊的電流相對較大,并聯(lián)可以分流,可有效地減少開關(guān)管的功耗,不至于造成損壞。
PWM控制電路芯片SG3524,是一種電壓型開關(guān)電源集成控制器,具有輸出限流,開關(guān)頻率可調(diào),誤差放大,脈寬調(diào)制比較器和關(guān)斷電路,其產(chǎn)生PWM方波所需的外圍線路很簡單。當腳11與腳14并聯(lián)使用時,輸出脈沖的占空比為0~95%,脈沖頻率等于振蕩器頻率的1/2。當腳10(關(guān)斷端)加高電平時,可實現(xiàn)對輸出脈沖的封鎖,與外電路適當連接,則可以實現(xiàn)欠壓、過流保護功能。利用SG3524內(nèi)部自帶的運算放大器調(diào)節(jié)其輸出的驅(qū)動波形的占空比D,使D>50%,然后經(jīng)過CD4011反向后,得到對管的驅(qū)動波形的D<50%,這樣可以保證兩組開關(guān)管驅(qū)動時,有共同的死區(qū)時間。
3 DC/AC變換
如圖3所示,DC/AC變換采用單相輸出,全橋逆變形式,為減小逆變電源的體積,降低成本,輸出使用工頻LC濾波。由4個IRF740構(gòu)成橋式逆變電路,IRF740最高耐壓400V,電流10A,功耗125W,利用半橋驅(qū)動器IR2110提供驅(qū)動信號,其輸入波形由SG3524提供,同理可調(diào)節(jié)該SG3524的輸出驅(qū)動波形的D<50%,保證逆變的驅(qū)動方波有共同的死區(qū)時間。
圖3 DC/AC逆變電路結(jié)構(gòu)
IR2110是IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET和IGBT專用驅(qū)動集成電路,可以實現(xiàn)對MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動,同時還具有快速完整的保護功能,因而它可以提高控制系統(tǒng)的可靠性,減少電路的復(fù)雜程度。
IR2110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理框圖如圖4所示。圖中HIN和LIN為逆變橋中同一橋臂上下兩個功率MOS的驅(qū)動脈沖信號輸入端。SD為保護信號輸入端,當該腳接高電平時,IR2110的輸出信號全被封鎖,其對應(yīng)的輸出端恒為低電平;而當該腳接低電平時,IR2110的輸出信號跟隨HIN和LIN而變化,在實際電路里,該端接用戶的保護電路的輸出。HO和LO是兩路驅(qū)動信號輸出端,驅(qū)動同一橋臂的MOSFET。
圖4 IR2110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理框圖
IR2110的自舉電容選擇不好,容易造成芯片損壞或不能正常工作。VB和VS之間的電容為自舉電容。自舉電容電壓達到8.3V以上,才能夠正常工作,要么采用小容量電容,以提高充電電壓,要么直接在VB和VS之間提供10~20V的隔離電源,本電路采用了1μF的自舉電容。
為了減少輸出諧波,逆變器DC/AC部分一般都采用雙極性調(diào)制,即逆變橋的對管是高頻互補開通和關(guān)斷的。
4 保護電路設(shè)計及調(diào)試過程中的一些問題
保護電路分為欠壓保護和過流保護。
欠壓保護電路如圖5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SG3524的腳10關(guān)斷端輸出高電平,停止驅(qū)動信號輸出。
圖5 欠壓保護電路圖
圖5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+7.5V,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,LED燈亮,同時三級管V截止,向SG3524的SD端輸出高電平,封鎖IR2110的輸出驅(qū)動信號。
過流保護電路如圖6所示,它監(jiān)測輸出電流狀況,預(yù)設(shè)為1.5A。方波逆變器的輸出電流經(jīng)過采樣進入運算放大器的反向輸入端,當輸出電流大于1.5A后,運算放大器的輸出端跳轉(zhuǎn)為負,經(jīng)過CD4011組成的R-S觸發(fā)器后,使三級管V1基級的信號為低電平,三級管截止,向IR2011的SD1端輸出高電平,達到保護的目的。
圖6 過流保護電路圖
調(diào)試過程遇到的一個較為重要的問題是關(guān)于IR2110的自舉電容的選擇。IR2110的上管驅(qū)動是采用外部自舉電容上電,這就使得驅(qū)動電源的路數(shù)大大減少,但同時也對VB和VC之間的自舉電容的選擇也有一定的要求。經(jīng)過試驗后,最終采用1μF的電解電容,可以有效地滿足自舉電壓的要求。
5 試驗結(jié)果及輸出波形
DC/DC變換輸出電壓穩(wěn)定在320V,控制開關(guān)管的半橋驅(qū)動器IR2110開關(guān)頻率為50Hz,實驗的電路波形如圖7~圖14所示。
圖7 IR2110下管的驅(qū)動波形
圖8 IR2110上管驅(qū)動波形
圖9 SG3524輸出的驅(qū)動波形(DC/AC)
圖10 SG3524的驅(qū)動波形(DC/DC)
圖11 外接整流負載的輸出電壓波形
圖12 外接300Ω電阻負載的輸出電壓波形
圖13 外接500Ω電阻負載的輸出電壓波形
圖14 外接600Ω電阻負載的輸出電壓波形
6 結(jié)語
在逆變電源的發(fā)展方向上,輕量、小型、高效是其所追求的目標。本文所介紹的逆變電源電路主要采用集成化芯片,使得電路結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、成本較低。因此,這種電路是一種控制簡單、可靠性較高、性能較好的電路。整個逆變電源也因此具有較高的性價比和市場競爭力。