一種車載純正弦波微型逆變器設計

陸忠芳 康奮威科技（杭州）有限公司 浙江杭州 310051

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一種車載純正弦波微型逆變器設計

陸忠芳 康奮威科技（杭州）有限公司 浙江杭州 310051

【文章摘要】

車載純正弦波逆變器已經存在于高檔進口汽車中，方便用戶生活。該設計實現一種車載純正弦波微型逆變器，功率為150W，輸電壓220VAC（純正弦波）， 頻率50HZ，適合于汽車前裝市場。系統采用兩級完成逆變，前級升壓，后級逆變（SPWM控制），純正弦波輸出。設計特點：高壓電解電容不發燙，適合全封閉外殼，無風扇，可靠性高，壽命長。

【關鍵詞】

車載；純正弦波；逆變器；SPWM；H橋

1　系統框圖及介紹

系統設計的主要參數，輸入電壓12V系統，輸入電流15A， 輸出電壓220VAC（純正弦波）， 頻率50Hz。系統主要包括升壓電路，逆變電路，以及升壓控制板，逆變控制板，輔助供電等。其中升壓電路和升壓控制板共同完成升壓功能，逆變控制板和逆變電路共同完成逆變功能。系統的整體框圖如 圖1 所示。

2　系統設計及實現

2.1升壓電路

升壓電路，實際是一個DC-DC電路，完成低壓到高壓的轉換。這里的低壓指汽車電瓶浮充電壓，主要為電壓范圍13.8V～14.7V，但考慮汽車運行過程中發動機功率輸出變化對充電電壓的影響，適當提高設計的適應能力，輸入電壓選擇11.5V～15.5V。輸出高壓用于逆變前端輸入電壓，所以需要高于220VAC的整流直流最高電壓311V，這里設計范圍為320V～435V。

升壓設計采用推挽正激變換拓撲，按照輸入與輸出電壓比值，變壓器前后級匝比為1∶28，工作頻率設計50kHz，輸出功率150W，再根據磁芯AP公式及密閉空間留有余量，磁芯選擇EE41。這里使用推挽設計，主要是提高磁芯的利用率，磁芯使用在第一和第三象限，為防止磁偏，控制推挽單顆MOS管最大占空比不要大于45%。

升壓電路的一個特點是輸出高壓為開環設計，只保留高壓限壓保護設計。這樣的設計使得輸出高壓在一定范圍變動，長時間不穩定，短時間穩定。設計考量：高壓電容C1為前后級能量的緩沖池，容量為68 uf，耐壓為450V，考慮成本和體積，選擇小型化的高頻長壽命電解電容比較合適；電解電容紋波大，發熱大；工程上，電解電容溫度每升高10℃，壽命降低一半；如果按穩壓閉環設計，雖然電壓穩定，但高頻紋波大，發熱大，電解電容降低壽命，甚至長時間工作需要檢測電容溫度，并實施保護；開環非穩壓設計，高頻紋波小，電容發熱小，但是對后級逆變提出了較高要求。

2.2升壓控制板

升壓控制板，通過控制升壓電路，完成升壓功能。升壓板包括推挽的控制，這里主要指對MOS管Q5，Q6的驅動控制，本設計選用SG2525芯片。升壓電路其它功能還包括輸入保護，指示燈控制，溫度檢測，高壓限壓保護等功能，為了靈活實現這些功能，可以選用一顆低成本的單片機實現，本設計選用PIC12F510，是 MICROCHIP公司的單片機產品，內置ADC。升壓電路的供電由汽車點火線供電產生，防止汽車電瓶虧電，造成無法啟動。

2.3逆變電路

逆變電路就是一個DC-AC電路，包括H橋，低通濾波，電流檢測等。

逆變功能主要由H橋和低通濾波實現，具體方法：將高壓直流電平通過SPWM控制，變成高頻輸出（內含50Hz的220VAC電平），再通過低通濾波，將高頻濾掉，輸出50Hz的220VAC電平。這里采用上橋臂高頻控制，下橋臂低頻控制的方式。上橋臂的控制頻率為22kHz，略高于人耳可以聽到的頻率，避免噪聲。下橋臂的控制頻率為50Hz。

一個輸出正弦波的過程如下：

（1）初始條件：高壓VH正常 ，MOS 管Q1， Q2， Q3， Q4都關閉；

（2）MOS管Q3導通，MOS管Q2通過調制的SPWM控制（含50Hz正弦波信息），H橋輸出高頻的高壓電平，經過低通濾波（L1C2），VOUT輸出正弦波的上半波；

（3）MOS管Q2關閉；MOS管Q3關閉；

（4）等待一定時間，即過零點或死區；

（5）MOS管Q4導通，MOS管Q1通過調制的SPWM控制（含50Hz正弦波信息），H橋輸出高頻的高壓電平，經過低通濾波（L1C2），VOUT輸出正弦波的下半波；

（6）MOS管Q1關閉；MOS管Q4關閉；等待一定時間；

（7）重復（2）～（6）；

這樣，就形成了50Hz的正弦波輸出。

低通濾波選擇約800Hz的轉折頻率，過濾高頻。因為L1C2頻譜上有個極點，選擇ESR較大的電容可以消除這個極點，甚至可以考慮串聯電阻。

2.4逆變控制板

逆變控制板集成逆變控制主芯片（生成SPWM信號），H橋驅動芯片，過流檢測，錯誤報警等功能。

其中H橋的驅動芯片選用仙童的FAN7384，兩片分別控制兩個半橋。由于上橋臂的控制由自舉電容供電，電容需及時充電，所以上橋臂使用高頻控制。

主控芯片采用DSPIC33FJ12MC201 主要負責SPWM的生成。DSPIC33FJ12MC201 是MICROCHIP公司的產品，內置乘法器和ADC，這是一顆高端單片機。這里選擇帶乘法器單片機，主要是因為輸入高壓是變動的，生成SPWM需要實時計算，并且計算頻率滿足22kHz的頻率，對計算能力要求高。

過流檢測是通過電流檢測電阻，經過運放放大，濾波，AD采樣實現。實現兩級保護，分別是短路保護和過流保護，設計不同的閾值和不同的響應時間。

錯誤報警可以通過光耦向前級傳遞信號。2.5 輔助供電及其它設計

輔助供電可以在推挽變壓器上繞輔助繞組，實現后級控制板的供電，穩定電平可以使用LDO芯片穩壓。

圖1　逆變器系統結構圖

3　結語

本設計實現一種車載微型逆變器的設計，效率約為92%?？梢酝ㄟ^變壓器的優化設計，整流管的優選，提高性能。需要說明，所選擇的芯片僅作為一種參考，希望給讀者一個思路或一點啟發，目的就達到了。

【參考文獻】

［1］孫肖子，張企民編著 模擬電子技術基礎［M］西安：西安電子科技大學出版社，2001.

【作者簡介】

陸忠芳（1983.11-），男，浙江杭州人，康奮威科技（杭州）有限公司助理工程師，研究方向：電源技術，電子技術