兩級變換的單相逆變電源的設計與調試

劉 萍

(廈門大學嘉庚學院 電子工程系，福建 漳州 363105)

兩級變換的單相逆變電源的設計與調試

劉 萍

(廈門大學嘉庚學院 電子工程系，福建 漳州 363105)

針對電源調試困難問題，本文結合兩級變換的單相逆變電源闡述其設計與調試過程，試圖讓初學者能理解電源，能對電源電路排錯，能設計一款系能較好的電源。在實際教學過程中，證明本文的調試方法是切實可行的。

開關;逆變;設計;調試

很多工程師認為設計及調試電源是非常看重經驗的一門技術。對初學者來說，缺少經驗，電源設計還可以模仿成熟電路，但調試過程中遇到的問題有可能百思不得其解，這時需要尋求一種有效的調試方法，找到問題所在，但目前大部分的書籍及網絡資料介紹的調試方法，對于剛剛接觸電源的人來說，難度略大。本文以兩級變換的單相逆變電源為例，引導初學者如何調試電路，做到在實踐中學習、理解理論，最終調試成功。

1 系統設計

本文設計一款簡易電源，要求輸入DC24V，輸出36V、50HZ的工頻正弦波交流電源。電源的輸出高于輸入，直接進行DC/AC轉換無法滿足要求，應通過兩級變換:DC/DC、DC/AC。其主體設計框圖如圖1所示。

確定設計方向之后，查找相應資料。對于剛接觸電源的來說，應找易于實現的簡單電路。基礎此，確定DC/DC部分采用boost升壓電路;DC/AC部分采用全橋逆變電路。

圖1 系統總框圖

2 硬件設計與調試

進入具體的電路設計及調試階段，應遵循模塊化調試的方法。調試每個模塊時，應先將對應理論掌握70%以上，這樣才能對電路中出現的每個問題做出大致的判斷，才能在實踐中學習理論。

2.1 升壓模塊

升壓模塊的具體電路如圖2所示。

圖2 升壓電路圖

2.1.1 TL494

TL494在電源中運用廣泛，能根據輸入的差值自行產生占空比可調的方波。在搭接升壓系統前，應先掌握TL494性能，可以搭接圖3的測試電路。

(1)掌握占空比變化范圍:改變1腳電壓，觀察9腳輸出波形，同時記錄輸出波形的占空比變化范圍及1、2腳的關系。

(2)掌握輸出的幅值受哪個參數控制:改變電源電壓，觀察9腳輸出波形的幅值。

(3)掌握如何鎖定占空變化的范圍:給4腳加0-3.5V的電壓，觀察9腳輸出波形占空比上限的變化。

(4)掌握如何修改輸出的頻率:改變5、6腳的電容電阻值，觀察9腳輸出波形的頻率。

圖3 TL494性能測試電路

圖4 Boost測試電路

2.1.2 BOOST升壓電路

BOOST拓撲結構所需元件少，開關管可選擇導通內阻小，擊穿電壓大，允許管耗大的如IRF540;二極管選擇導通截止切換頻率高、管壓降小、允許通過電流大的肖特基二極管，如F10L60U;電容及電感的選擇難度相對較大;可先通過理論公式計算，再進行微調。微調電路參見圖4。

選定開關管、二極管及理論計算的電容，信號發生器產生方波信號，觀察電路輸出。若電路輸出不滿足要求，可增大方波信號的占空比;改變電感，在同樣占空比的情況下進行測試，記錄其輸出;多次測量，選擇使輸出電壓最大的那個電感值。

在電感確定后，更換電容，用示波器觀測其輸出，選擇較佳的電感值。同時，頻率也可以上下微調，選定一個最佳頻率值。

2.1.3 升壓電路聯調

(1)根據圖4電路確定的電感值，電容值，以及相應的頻率可確定升壓系統的電容、電感及494的5、6腳的電容電阻值。

(2)494的供電電源應與輸入電源共電源，系統參數下，可得較高的效率。

(3)靈活處理494死區控制腳即4腳輸入電壓。空載調試時，4腳的電壓給2.5V左右，根據輸出情況，減小4腳電壓;帶載之后，根據輸出情況，繼續微調4腳電壓。來回幾次調整，最后鎖定4腳電壓值。

(4)改變1腳電壓值，確保系統升壓至45V(可由逆變輸入輸出關系大致確定)。

2.2 逆變模塊

逆變電路如圖5所示。該模塊包括死區(延時)控制、驅動及全橋電路、濾波電路。

圖5 逆變電路

2.2.1 死區控制

全橋電路上下兩個MOS管由一組互補的SPWM(單片機產生)控制。由于MOS管本身存在上升沿、下降沿的延時，這一對MOS管就有可能出現同時導通的情況。為了避免這種情況的出現，對控制信號加入死區控制。死區時間若選擇過大，波形失真;若過小，仍有可能出現兩管同時導通的情況。一般選擇開關管上升沿及下降沿延時間的2-4倍，具體數值由電路的RC值確定。

如何理解死區電路，為了觀測的方便，可用信號發生器產生方波信號代替SPWM，同時觀測輸入與輸出。

2.2.2 全橋逆變

控制信號SPWM不能直接加載至全橋電路中，而要經過驅動電路。本設計選擇電源常用驅動芯片IR2110，它有兩路互補輸出，有自舉輸出端，輸入范圍大。驅動電路與全橋連接，需將IR2110的7腳(HO)輸出應控制全橋的上管，1腳(LO)輸出控制全橋下管，不能接反。同時，自舉輸出端應接至上管的3腳。若自舉端接至地端，上管則無法導通。

將死區控制的輸出信號分別連至驅動電路，用示波器兩路通道同時觀測輸出信號，確定兩路信號是否是互補的方波信號，方波的高電平接近電源電壓，方波的頻率由SPWM頻率確定。若得不到正確的輸出信號，應檢查驅動電路的HO、LO是否有正常輸出。若出現過流現象，可適當延長死區控制時間。

2.2.3 濾波

本系統輸出信號50HZ，SPWM 20KHZ，一般可選擇LC濾波。若全橋逆變輸出選擇一路LC濾波，且用示波器觀測，則會出現短路的情況，原因是，示波器探頭本身接地，而逆變輸出端是浮動輸出，無任何一端接地。為能進行測量，可用差分式探頭測量，也可用兩路LC濾波，如圖5所示。根據理論公式計算可得到C、L的大致范圍。一般電感用鐵粉芯磁芯繞制，電感用CBB電容。

根據輸出波形，適當調整電感、電容值。

2.3 檢測模塊

若僅將升壓模塊的輸出接至逆變模塊的輸入，則系統的可靠性差，尤其是帶大負載時。為了實現電源帶載(一定范圍內)仍有36v穩定輸出，需設計閉環控制系統，將輸出的采樣電壓接至圖6電路，構成閉環。

調試該電路時，可在輸入端接入信號發生器產生的正弦信號，觀測輸出是否是穩定的直流，若紋波大，則應更改R、C的值。

圖6 交－直流轉換電路

2.4 附加電源模塊

評價電源優劣的一項重要指標是電源的效率。提高效率除了在系統設計上、參數選擇上下功夫外，附加電源也是不可忽視的部分。常見的線性電源如78、79系列效率較低，而很多開關集成穩壓芯片的效率都可達80%以上。

3 軟件調試及系統聯調

軟件的調試可以與硬件同步進行。若硬件還沒有搭接成功，可以用信號發生器產生的信號代替硬件的反饋信號。本系統使用Stc12c5620ad單片機產生SPWM，隨著反饋電壓變化，SPWM的占空比應反向變化。基本功能調試成功后，再與硬件聯調。

將單片機的輸入接至延時電路的輸入端，將升壓模塊的輸入接至逆變模塊的輸入。給系統上電，測試:

(1)空載輸出。

圖7 系統輸出波形

(2)帶載測試:若空載輸出與帶載輸出波形不同，則應修改軟件算法;若波形穩定速度比較慢，也應修改軟件算法;若算法修改無效后，應手動設置SPWM占空比的值，觀察輸出變化范圍。如果占空比大范圍變化，輸出仍無法達到要求，應考慮優化電路設計。

4 實驗結果

按上述方法設計及調試電路，最終測試系統輸出波形如圖7所示，滿足設計要求。

5 結語

電源的調試是一項非常復雜的工作，設計一款性能優良的電源它也需要長時間的學習和經驗的積累。本文介紹的調試方法雖簡單易行，但僅對初學者而言，僅適用于比較簡單的電路。這些對剛剛著手學習電源的人來說，應該會有很大幫助。

［1］普利斯曼，比利斯，莫瑞.開關電源設計［M］.王志強，肖文勛，虞龍等譯.北京:電子工業出版社，2010.

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［3］鐘曉強，李方園.電力電子技術簡明教程［M］.北京:機械工業出版社，2013.

［4］韓學軍.模擬電子技術基礎［M］.北京:中國電力出版社，2011.

［5］周志敏，周紀海，紀愛華.逆變電源實用技術:設計與應用［M］.北京:中國電力出版社，2005.

［6］沈錦飛.電源變換應用技術［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［7］周潔敏.開關電源理論及設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2012.

Design and Debugging for Single-phase Inverter Power of Two-stage Conversion

LIU Ping
(Department of Electronic Engineering，Tan Kah Kee College of Xiamen University，Zhangzhou 363105，China)

In view of the difficult power debugging problem，this paper combines the single-phase inverter power of two-stage conversion to explain its design and debugging process，trying to make beginners understand power，debug power circuit and design a better system.In the actual teaching process，it proves that this debugging method is feasible.

switch;inverter;design;debugging

TM615

A

1009-3907(2013)12-1535-03

2013-09-26

劉萍(1981-)，女，江西豐城人，講師，碩士，主要從事控制類課程的教學和電源類方向的研究。

責任編輯:

吳旭云