一種實用車載逆變器的設計

摘要：介紹了一種以SG3525A為主控芯片的車載逆變器的設計，該逆變電源工作效率高、實用、可靠。

關鍵詞：SG3525A；逆變；脈寬調制

引言

隨著經濟水平的提高，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家用電器比如手機卻不能與汽車上的電源電壓相匹配，因此開發一款經濟實用的車載逆變器成為一種需求。

本逆變器設計輸入電源取自汽車的點煙器(12VDC)，輸出為工頻方波交流電(50Hz，220V)。其系統主電路和控制電路框圖如圖1所示，采用二級變換方式，即DC/DC變換和DC/AC逆變。即DCl2V電壓通過推挽式電路逆變為高頻方波，經高頻升壓變壓器升壓，再整流濾波得到一個穩定的約320V直流電壓；然后再由橋式變換以方波逆變的方式，將穩定的直流電壓逆變成有效值稍大于220V的方波電壓，以驅動負載。為保證系績的可靠運行，分別采集了DC高壓側電壓信號、電流信號及蓄電池電壓信號，送入SG3525A，通過調整驅動脈沖的占空比或關斷脈沖來實現電壓調節、過流保護及欠壓保護等功能。

主要技術參數：

輸入電壓：DCl2V；

輸出電壓：AC220V±5％，50Hz±2％；

額定功率：100W；

保護功能：輸入直流極性接反保護，輸入欠壓保護，輸出過流保護。

電路設計

主控芯片SG3525A

SG3525A是ST公司的脈沖寬度調制器控制集成電路，具有集成基準電壓，振蕩器同步，軟啟動時間控制，輸入欠電壓鎖定等功能。

振蕩頻率的確定：振蕩頻率由三個外部元件R_T、C_T和R_D設置，分別接在6、5、7引腳上。振蕩頻率為f_osc=1/C_T(0.7R_T+3R_D)，其中0.7R_TC_T為定時電容充電時間，3R_DC_T為定時電容放電時間。為了使用分頻分相電路取得50Hz，本設計采用振蕩頻率為51.2KHz，取C_T=2000pF，R_T=10KΩ，R_T=922Ω。

輸出脈寬的調整：PWM脈沖寬度由反饋PWM輸入引腳9和軟啟動引腳8中電平較低的一端控制。如圖2所示，芯片內部的誤差放大器U1將電壓反饋信號與基準電壓信號偏差放大后送入比較器U2的反向輸入端，比較器正向輸入端輸入來自電容器C_T上的鋸齒波，兩者做比較，比較器輸出的方波脈沖來控制SG3525A內部輸出功放管的占空比。本設計中將8引腳接電容后接地，9端接DC/DC高壓直流電壓的反饋電壓，由此調整輸出直流電壓的穩定。圖2中U1為SG3525A中的誤差放大器，1、2、9分別為芯片引腳，R1～R7、C1、C2均為外接電阻電容。SG3525A的16引腳輸出參考電壓5V。電阻R3、R4及U1構成反比例運算器，R4/R3為其靜態放大倍數，其值越大控制精度越高，但放大倍數太大將引起振蕩，引人C1和R5使誤差放大器成為不完全比例積分控制器，此時靜態誤差放大倍數不變，動態誤差放大倍數減小，既不影響控制精度，又避免過沖引起振蕩。

脈沖的關斷：當10引腳加上高電平時，實現對輸出脈沖的封鎖。本設計使用該項功能實現輸出過流過壓、輸入欠壓的保護。

分頻分相電路

由14級串行二進制計數/分配器CD4020B構成分頻電路，分頻信號來自SG3525A的振蕩器輸出端引腳4。圖3中的A、B、C分別代表振蕩器脈沖經8、9、10級分頻后的波形，其頻率分別為f_A=f_osc/28，f_B=f_osc/29，f_c=f_osc/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ABC邏輯組合成逆變橋所需要的驅動脈沖(A+B)C與(A+B)信號。該驅動信號具有共同死區。脈沖驅動信號約為50Hz。

保護電路

輸入欠壓保護

如圖4所示，D1為蓄電池極性反接保護。SG3525A的16引腳輸出參考電壓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。當蓄電池電壓低于10V時，比較器U1開始工作，輸出由低電平變為高電平，D2、D3導通，并把同相輸入端電位提升為高電平，使得U1一直穩定輸出高電平，向SG3525A的10引腳輸出關斷信號。

輸出電流過載保護

如圖5所示，運放U2及外圍電阻構成同相比例放大器，運放U3及外圍電路構成比較器。電流過載信號取自圖1中的電阻R3上的壓降，設為△U。R3取2.2Ω，2W.當負載電流增大時，△u增大．

圖5中運放U3正向輸入端輸入電壓為：U+=(1+R2/R1)×[R4/(R3+R4)]×△U

合理的調整R1、R2、R3、R4的取值，使得當負載電流超過1.5A后，U3的正向輸入端電位高于反向輸入端，U3輸出高電位，二極管D2、D3導通，并把同相輸入端電位提升為高電平，進一步促使U3一直穩定輸出高電平，向SG3525A的10引腳輸出關斷信號。

散熱和結構設計

為了進一步減小體積，減輕重量，為此采取了利用外殼(機殼)散熱致冷辦法，可靠地解決了散熱，又使整機體積變小，重量減輕。

逆變器試驗結果及輸出波形

實驗的電路波形如圖6所示。

結語

本文設計采用集成脈寬調制芯片SG3525A為主控芯片，以CD4020B計數器及與非門電路構成分頻分相電路并配以保護電路，實現了逆變器的脈寬調制。由于該電路充分利用了SG3525A芯片的振蕩器脈沖輸出功能，省去了專用的脈寬調制芯片，使得電路結構簡單、性能穩定、成本較低。該車載逆變器樣品在汽車上進行了試用，試用證明，該逆變電源工作穩定可靠，故障率低，能夠持續輸出功率100W。目前，該產品已經投放市場。