車載逆變電源的設(shè)計(jì)案例

一、 設(shè)計(jì)的基本要求

在一些交通運(yùn)載、野外測(cè)控、可移動(dòng)武器裝 備 、工程修理車等設(shè)備中都配有不同規(guī)格的電 源。通常這些設(shè)備工作空間狹小，環(huán)境惡劣，干擾 大。因此對(duì)電源的設(shè)計(jì)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(qiáng)等特點(diǎn)。針對(duì)某種移動(dòng)設(shè) 備的特定要求，研制了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的車載正弦 波逆變電源，采用 SPWM工作模式，以最簡(jiǎn)單的硬 件配置和最通用的器件構(gòu)成整個(gè)電路。實(shí)驗(yàn)證明， 該電源具有電路簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高等特點(diǎn)， 滿足了實(shí)際要求。車載逆變器（電源轉(zhuǎn)換器、 Power Inverter ）是一種能夠?qū)?DC12V 直流電轉(zhuǎn)換為和市電相同的 AC220V 交流電，供一般電器使用，是一種方便的車用電源轉(zhuǎn)換器。車載電源逆變器在國(guó)外市場(chǎng)受到普遍歡迎。在國(guó)外因汽車的普及率較高，外出工作或外出旅游即可用逆變器連接蓄電池帶動(dòng)電器及各種工具工作。中國(guó)進(jìn)入 WTO 后，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)私人交通工具越來(lái)越多，因此，車載逆變器電源作為在移動(dòng)中使用的直流變交流的轉(zhuǎn)換器，會(huì)給你的生活帶來(lái)很多的方便，是一種常備的車用汽車電子裝具用品。通過(guò)點(diǎn)煙器輸出的車載逆變器可以是 20W 、 40W 、 80W 、 120W 直到 150W ，功率規(guī)格的。再大一些功率逆變電源200W，300W，400W，500W，600W，700W，800W，1000W，1500W要通過(guò)連接線接到電瓶上。設(shè)計(jì)汽車逆變電源，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(dòng)電路芯片 SG3524 和 IR2110的使 用；設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路；給出輸出電壓波形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文闡述了要求非常高的車載電源的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的一些特殊問(wèn)題的解決措施，提出了一些新穎的觀點(diǎn) 。這些觀點(diǎn)對(duì)以后的電源設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用 。

二、 總體方案的確定

1、總體介紹：

電源是電子設(shè)備的動(dòng)力部分,是一種通用性很強(qiáng)的電子產(chǎn)品。它在各個(gè)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(fù)載能力的強(qiáng)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(jiǎn)單的變換方式，它適用于各種整流負(fù)載，但是對(duì)于變壓器的負(fù)載的適應(yīng)不是很好，有較大的噪聲。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(biāo)。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(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本較低。因此,這種電路是一種控制簡(jiǎn)單、可靠性較高、性能較好的電路。整個(gè)逆變電源也因此具有較高的性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。要選擇專業(yè)的正規(guī)的工廠生產(chǎn)或經(jīng)銷代理的車載逆變器產(chǎn)品。在國(guó)內(nèi)有些用戶為圖方便將一些 DC 直流電器如：手機(jī)充電器、筆記本電腦等在車上不使用自身配的 220V 電源而配上簡(jiǎn)易轉(zhuǎn)接器直接插到點(diǎn)煙器上，這樣是不對(duì)的，汽車的電瓶電壓不穩(wěn)，直接取電可能會(huì)燒毀電器很不安全而且會(huì)大大影響電器使用壽命，因?yàn)樵瓘S家供應(yīng)的 220V 電源是廠家專為其電器設(shè)計(jì)的，有極好的穩(wěn)定性。     另外，在購(gòu)買時(shí)要查看車載逆變器是否有各種保護(hù)功能，這樣才能保證電瓶和外接電器的安全。還要注意車用逆變器的波形，方波的轉(zhuǎn)換器會(huì)造成供電不穩(wěn)定，可能損傷所使用的電器，所以最好選正弦波或修正正弦波形的最新型的車載逆變器。達(dá)到性能要求：

2、經(jīng)濟(jì)性好：

通過(guò)把12V的蓄電池電源轉(zhuǎn)換為工頻使用電源，用于車載內(nèi)部的電器，是一種簡(jiǎn)單，廉價(jià)的方式。主電路設(shè)計(jì)中采用了簡(jiǎn)單的全橋逆變電路，過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路，以及幾款簡(jiǎn)單的芯片。經(jīng)濟(jì)性能良好，使用方便。就本系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性而言，由于未設(shè)計(jì)復(fù)雜的電路進(jìn)行干擾的情況。并且輸出穩(wěn)定，價(jià)格優(yōu)良，是一款性價(jià)比很高的系統(tǒng)。

三、 具體電路設(shè)計(jì)

本文依據(jù)逆變電源的基本原理，利用對(duì)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，220V）。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

   如上面的結(jié)構(gòu)框圖圖1所示：主要包括了DC-AC高頻升壓逆變轉(zhuǎn)換模塊、AC-DC整流模塊、逆變橋逆變、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)等部分組成，功能完整，結(jié)構(gòu)緊湊。

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(jí)變換，即DC/DC變換和DC/AC逆變。首先由DC/DC變換將DC12V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(gè)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(dòng)負(fù)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(kāi)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(kāi)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。

雙端工作的方波逆變變壓器的鐵心面積乘積公式

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(kāi)關(guān)管S1和S2各采用IRF32055只并聯(lián)，之所以并聯(lián)，主要是因?yàn)樵谀孀冸娫唇尤胴?fù)載時(shí)，變壓器原邊的電流相對(duì)較大，并聯(lián)可以分流，可有效地減少開(kāi)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(kāi)關(guān)電源集成控制器,具有輸出限流,開(kāi)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(jiǎn)單。當(dāng)腳11與腳14并聯(lián)使用時(shí),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(dāng)腳10（關(guān)斷端）加高電平時(shí),可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖的封鎖,與外電路適當(dāng)連接,則可以實(shí)現(xiàn)欠壓、過(guò)流保護(hù)功能。利用SG3524內(nèi)部自帶的運(yùn)算放大器調(diào)節(jié)其輸出的驅(qū)動(dòng)波形的占空比D，使D>50％，然后經(jīng)過(guò)CD4011反向后，得到對(duì)管的驅(qū)動(dòng)波形的D<50％，這樣可以保證兩組開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)時(shí)，有共同的死區(qū)時(shí)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(gè)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(dòng)器IR2110提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其輸入波形由SG3524提供，同理可調(diào)節(jié)該SG3524的輸出驅(qū)動(dòng)波形的D<50％，保證逆變的驅(qū)動(dòng)方波有共同的死區(qū)時(shí)間。

     IR2110是IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET和IGBT專用驅(qū)動(dòng)集成電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還具有快速完整的保護(hù)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(gè)功率MOS的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)輸入端。SD為保護(hù)信號(hào)輸入端，當(dāng)該腳接高電平時(shí)，IR2110的輸出信號(hào)全被封鎖，其對(duì)應(yīng)的輸出端恒為低電平；而當(dāng)該腳接低電平時(shí)，IR2110的輸出信號(hào)跟隨HIN和LIN而變化，在實(shí)際電路里，該端接用戶的保護(hù)電路的輸出。HO和LO是兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，驅(qū)動(dòng)同一橋臂的MOSFET

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(dá)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(duì)管是高頻互補(bǔ)通和關(guān)斷的。

逆變橋部分，采用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)管。由于IGBT寄生電容和線路寄生電感的存在，同一橋臂的開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)工作時(shí)相互會(huì)產(chǎn)生干擾，這種干擾主要體現(xiàn)在開(kāi)關(guān)管門(mén)極上。以上管開(kāi)通對(duì)下管門(mén)極產(chǎn)生的干擾為例，實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路及其等效電路如圖3所示。實(shí)際電路中，IR2110的輸出推挽電路,這個(gè)電壓尖刺幅值隨母線電壓ＶＢＵＳ和負(fù)載電流的增大而增大，可能達(dá)到足以導(dǎo)致Ｔ２瞬間誤導(dǎo)通的幅值，這時(shí)橋臂就會(huì)形成直通，造成電路燒毀。

同樣地，當(dāng)Ｔ２開(kāi)通時(shí)，Ｔ１的門(mén)極也會(huì)有電壓尖刺產(chǎn)生。帶有門(mén)極關(guān)斷箝位電路的驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)減小ＲＳ和改善電路布線可以使這個(gè)電壓尖刺有所降低，但均不能達(dá)到可靠防止橋臂直通的要求。門(mén)極關(guān)斷箝位電路針對(duì)前面的分析，本文將提出一種門(mén)極關(guān)斷箝位電路，通過(guò)在開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路中附加這種電路，可以有效地降低上述門(mén)極尖刺。門(mén)極關(guān)斷箝位電路由MOSFET管MC1和MC2,MC1門(mén)極下拉電阻RC1和MC2門(mén)極上拉電阻RC2組成。實(shí)際上該電路是由MOSFET構(gòu)成的兩級(jí)反相器。當(dāng)MC1門(mén)極為高電平時(shí)，MC1導(dǎo)通，MC2因門(mén)極為低電平而關(guān)斷，不影響功率開(kāi)關(guān)管的正常導(dǎo)通；當(dāng)MC1門(mén)極為低電平時(shí)，MC1關(guān)斷，MC2因門(mén)極為高電平而飽和導(dǎo)通，從而在功率開(kāi)關(guān)管的門(mén)極形成了一個(gè)極低阻抗的通路，將功率開(kāi)關(guān)管的門(mén)極電壓箝位在0V，基本上消除了上文中提到的電壓尖刺。

在使用這個(gè)電路時(shí)，要注意使MC2D、S與功率開(kāi)關(guān)管GE間的連線盡量短，以最大限度地降低功率開(kāi)關(guān)管門(mén)極寄生電感和電阻。在電路板的排布上，ＭＣ２要盡量靠近功率開(kāi)關(guān)管，而MC1,RC1和RC2卻不必太靠近MC2，這樣既可以發(fā)揮該電路的作用，也不至于給電路板的排布帶來(lái)很大困難。用雙極型晶體管(如８０５０)同樣可以實(shí)現(xiàn)上述電路的功能。雙極型晶體管是電流型驅(qū)動(dòng)，其基極必須要串聯(lián)電阻。為了加速其關(guān)斷，同時(shí)防止其本身受到干擾，基極同樣需要并聯(lián)下拉電阻，這樣就使電路更加復(fù)雜。

同時(shí)，要維持雙極型晶體管飽和導(dǎo)通，其基極就必須從電源抽取電流，在通常的應(yīng)用場(chǎng)合這并無(wú)太大影響，但在自舉驅(qū)動(dòng)并且是ＳＰＷＭ的應(yīng)用場(chǎng)合，這些抽流會(huì)大大加重自舉電容的負(fù)擔(dān)，容易使自舉電容上的電壓過(guò)低而影響電路的正常工作。因此選用MOSFET來(lái)構(gòu)成上述門(mén)極關(guān)斷箝位電路。可以看到在門(mén)極有一個(gè)電壓尖刺，這個(gè)尖刺與門(mén)極脈沖的時(shí)間間隔剛好等于死區(qū)時(shí)間，由此可以證明它是在同一橋臂另一開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)產(chǎn)生的。此時(shí)電壓尖刺基本消除。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電路確實(shí)可以抑制和消除干擾，有一定的使用價(jià)值，可以提高電路的可靠性

4、 保護(hù)電路設(shè)計(jì)及調(diào)試過(guò)程中的一些問(wèn)題

保護(hù)電路分為欠壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)。

欠壓保護(hù)電路如圖5所示，它監(jiān)測(cè)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(hù)電路開(kāi)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(dòng)信號(hào)輸出。

圖5中運(yùn)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，正常工作的時(shí)候，由三極管V導(dǎo)通，IR2110輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)晶閘管正常工作，實(shí)現(xiàn)逆變電源的設(shè)計(jì)。當(dāng)蓄電池的電壓下降超過(guò)預(yù)定值后，運(yùn)算放大器開(kāi)始工作，輸出跳轉(zhuǎn)為負(fù)，LED燈亮，同時(shí)三級(jí)管V截止，向SG3524的SD端輸出高電平，封鎖IR2110的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此時(shí)沒(méi)有逆變電壓的輸出。

過(guò)流保護(hù)電路如圖6所示，它監(jiān)測(cè)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(guò)采樣進(jìn)入運(yùn)算放大器的反向輸入端，當(dāng)輸出電流大于1.5A后，運(yùn)算放大器的輸出端跳轉(zhuǎn)為負(fù)，經(jīng)過(guò)CD4011組成的R?S觸發(fā)器后，使三級(jí)管V1基級(jí)的信號(hào)為低電平，三級(jí)管截止，向IR2011的SD1端輸出高電平，達(dá)到保護(hù)的目的。

調(diào)試過(guò)程遇到的一個(gè)較為重要的問(wèn)題是關(guān)于IR2110的自舉電容的選擇。IR2110的上管驅(qū)動(dòng)是采用外部自舉電容上電，這就使得驅(qū)動(dòng)電源的路數(shù)大大減少，但同時(shí)也對(duì)VB和VC之間的自舉電容的選擇也有一定的要求。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果及輸出波形

DC/DC變換輸出電壓穩(wěn)定在320V，

控制開(kāi)關(guān)管的半橋驅(qū)動(dòng)器IR2110開(kāi)關(guān)頻率為50Hz，實(shí)驗(yàn)的電路波形如圖7～圖14所示。

6、功率因素校正：

低功率因數(shù)電源存在問(wèn)題：使電網(wǎng)波形畸變，線路損耗加大；降低供電系統(tǒng)的功率因數(shù)、增大系統(tǒng)供電容量；降低用電設(shè)備的使用壽命；干擾儀器儀表；使計(jì)算機(jī)無(wú)法正常工作等不連續(xù)工作模式的校正原理在低功率（P<200W）的PFC中，多采用DCM工作模式。常用的控制方法有恒頻控制技術(shù)和恒導(dǎo)通時(shí)間控制技術(shù)。

1.恒頻控制技術(shù) PFC電路的開(kāi)關(guān)頻率保持不變，而且PWM控制輸出的控制脈沖的占空比在半個(gè)工頻周期內(nèi)保持不變。 VT導(dǎo)通時(shí)，電感電流的峰值

在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts中，電感電流的平均值為

若在半個(gè)工頻周期內(nèi)Ton和Tdon均為恒定值，則輸入電流的峰值與輸入電壓成正比，電流的平均值與電壓相位相同。當(dāng)Tdon 恒定時(shí)，則輸入電壓與輸入電流的比值恒定，從而實(shí)現(xiàn)PF=1。

但在實(shí)際電路中Tdon在半個(gè)工頻周期內(nèi)并不恒定，導(dǎo)致了平均輸入電流存在一定程度的畸變。提高輸入電壓和輸出電壓的峰值比值，可以減小電流的畸變程度。

四、附錄