逆變電源的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

謝海瑞

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系 福建龍巖 364021）

逆變電源的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

謝海瑞

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系 福建龍巖 364021）

本文從逆變電源的原理開(kāi)始，重點(diǎn)分析了逆變電源的線路設(shè)計(jì)過(guò)程，并以較好的設(shè)計(jì)思路提高逆變電源的效率。關(guān)鍵詞：逆變電源；電路設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

一、前言

根據(jù)逆變電源的設(shè)計(jì)原理和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用芯片TL494的固定頻率脈沖寬度調(diào)制電路和場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)與三極管起構(gòu)成的組合設(shè)計(jì)電路。

二、設(shè)計(jì)方案

1.設(shè)計(jì)原理。該設(shè)計(jì)電路的方框圖如圖l。該電路由12V直流輸入、輸入過(guò)壓保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路、逆變電路I、400V整流濾波、逆變電路II、輸出過(guò)壓保護(hù)電路等組成。逆變電路又包括頻率產(chǎn)生電路(50KHz和50HzPWM脈沖寬度調(diào)制電路)、直流變換電路(DC/DC)將12V直流轉(zhuǎn)換成400V直流、交流變換電路(DC/AC)將12V直流變換為400V交流。

圖1 整機(jī)原理方框圖

逆變電路主要功能是將12V直流電轉(zhuǎn)換為400V的交流電。全橋電路以50Hz的頻率交替導(dǎo)通，產(chǎn)生50Hz交流電。輸入12V直流電源電壓，經(jīng)過(guò)逆變電路得到400V的交流電，此交流電再經(jīng)過(guò)整流濾波電路得到400V高壓直流電，然后經(jīng)過(guò)逆變得到400V/50Hz交流電。

2.逆變電源的技術(shù)性能指標(biāo)及主要特點(diǎn)

輸入12V直流(汽車蓄電池)；輸出400V交流(非正弦波)；輸出功率=大于IOOW；具有輸入過(guò)壓保護(hù)和輸出過(guò)壓保護(hù)；有過(guò)熱保護(hù)功能；可作為多種電器的通用電源；含有工作正常指示燈。

三、電路設(shè)計(jì)及其參數(shù)計(jì)算

1.DC/DC變換電路(附工作指示燈)。由DC/AC和整流濾波電路組成如圖2，VT1和VT2的基極分別接TL494的兩個(gè)內(nèi)置晶體管的發(fā)射極。中心器件變壓器Tl，實(shí)現(xiàn)電壓由12V脈沖電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?00V脈沖電壓。此脈沖電壓經(jīng)過(guò)整流濾波電路變成400V高壓直流電壓。變壓器Tl的工作頻率選為50KHz左右，因此Tl可選用EI33型的高頻鐵氧體磁心變壓器，變壓器的匝數(shù)比為12/220=0.05，變壓器選擇為E型，可自制固經(jīng)過(guò)實(shí)踐調(diào)制選擇初級(jí)匝數(shù)為IOX2，次級(jí)匝數(shù)為200.即滿足變壓器匝數(shù)比約為0.05。電路正常時(shí)，TL494的兩個(gè)內(nèi)置晶體管交替導(dǎo)通，導(dǎo)致圖中晶體管VT1、VT2的基極也因此而交替導(dǎo)通，VT3和VT4交替導(dǎo)通。因?yàn)樽儔浩鬟x擇為E型，這樣使變壓器工作在推挽狀態(tài)，VT3和VT4以頻率為50KHz交替導(dǎo)通，使變壓器的初級(jí)輸入端有50KHz的交流電。當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管VT3因?yàn)闁艠O無(wú)正偏壓而截止，而此時(shí)VT2截止，導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管VT4柵極有正偏壓而導(dǎo)通。當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，VT2截止，場(chǎng)效應(yīng)管VT3因?yàn)闁艠O無(wú)正偏壓而截止，而此時(shí)VT2截止，導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管VT4柵極有正偏壓而導(dǎo)通。且交替導(dǎo)邊時(shí)其峰值電壓為12V，即產(chǎn)生了12V/50KHz交流電。當(dāng)電路工作不正常時(shí)，TL494輸出控制端為低電平時(shí)，TL494的兩個(gè)內(nèi)置晶體管的集電極(8腳和9腳)有12V正偏壓，基極為高電平，導(dǎo)致兩晶體管同時(shí)導(dǎo)通。VTI和VT2因?yàn)榛鶚O都為高電平而飽和導(dǎo)遍，而場(chǎng)效應(yīng)管VT3、VT4將因柵極無(wú)正偏壓都處于截止?fàn)顟B(tài)，逆變電源停止工作，LED指示燈熄滅。極性電容C1濾去12V直流中的交流成分，降低輸入干擾。濾波電容C1可取為2200μF。R1、R2、R3起限流作用，取值為4.7KΩ。

圖2 直流變換電路圖

2.輸入過(guò)壓保護(hù)電路。電路結(jié)構(gòu)如圖3，由DZ1、電阻R1和電阻R2、電容Cl、二極管VD1組成。輸出端口接TL494芯片I的同相輸入端(第l腳)，通過(guò)該芯片的誤差比較器對(duì)其輸出進(jìn)行控制，當(dāng)輸入過(guò)大電壓時(shí)，停止逆變電路工作從而使電路得到保護(hù)。因?yàn)檩斎腚妷褐苯記Q定了輸出電壓的值，對(duì)輸入端電壓的保護(hù)也是對(duì)輸出端子間過(guò)大電壓進(jìn)行負(fù)載保護(hù)。VD1、C1、R1組成了保護(hù)狀態(tài)維持電路，只要發(fā)生瞬間的輸入電壓過(guò)大現(xiàn)象，就導(dǎo)致穩(wěn)壓管擊穿，電路將沿C1和R1支路充電，繼續(xù)維持同相端的低電平狀態(tài)，保護(hù)電路就會(huì)啟動(dòng)并維持段時(shí)間。當(dāng)C1和R1充電完成，C1和R2支路開(kāi)始處于放電狀態(tài)，當(dāng)Cl放電完成時(shí)，TL494芯片I的同相輸入端由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平，導(dǎo)致TL494芯片I的3腳即反饋輸入端為高電平狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致TL494芯片內(nèi)部的PWM比較器、或門、或非門的輸出均發(fā)生翻轉(zhuǎn)，TL494芯片內(nèi)置功率輸出級(jí)三極管VT1和VT2均轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)將導(dǎo)致直流變換電路的場(chǎng)效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)，直流變換電路停止工作.同時(shí)TL494的4腳為高電平狀態(tài)，4腳為高電平時(shí)，將抬高芯片內(nèi)部死區(qū)時(shí)間比較器同相輸入端的電位，使該比較器的輸出為恒定的高電平，由TL494芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)知，芯片內(nèi)置三極管截止，從而停止后繼電路的工作。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值一般為輸入電壓的100%～130%。穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)壓值決定了該保護(hù)電路的啟動(dòng)門限電壓值。考慮到汽車行駛過(guò)程中電瓶電壓的正常值變化幅度大小，通常將穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值選為15V或者16V較為合適。在此取為15V，穩(wěn)壓管的功率為0.15W.R1取為100KΩ，R2、R3均取為4.7KΩ，C1、C2均取為47μf。

圖3 輸入過(guò)壓電路保護(hù)圖

3.輸出過(guò)壓保護(hù)電路。當(dāng)輸出電壓過(guò)高時(shí)將導(dǎo)致穩(wěn)壓管DZ1擊穿，使TL494芯片II的4腳對(duì)地的電壓升高，啟動(dòng)TL494芯片II的保護(hù)電路，切斷輸出。VD1、Cl、R2組成了保護(hù)狀態(tài)維持電路，R3、R4為保護(hù)電阻，用以增大輸出阻抗。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值一般規(guī)定為輸出電壓的130%～150%。后繼電路為400V/50Hz輸出，其中負(fù)載電阻為100，TL494芯片II的輸出腳電壓最大為12V，R1為限流電阻可取值為100，R2為保護(hù)電阻可取為16，根據(jù)電路分壓知識(shí)，則R2上的電壓為：

u=R2x220/(R1+R2)=220x16/116=30.34V

即穩(wěn)壓管的電壓取值最大為30.34V，這里穩(wěn)壓管取值為30V。

4.DC/AC變換電路。該變換電路為全橋橋式電路。其中TL494芯片的8腳和11腳為內(nèi)置的兩個(gè)三極管的集電級(jí)，且兩個(gè)內(nèi)置三極管是交替導(dǎo)通的，變替導(dǎo)通的頻率為50Hz。因?yàn)閮扇龢O管交替工作，工作頻率為50Hz，所以選用橋式電路，目的在于得到50Hz交流電。

5.TL494芯片外圍電路。電路結(jié)構(gòu)15腳為芯片TL494的反相輸入端，16腳為同相輸入端，電路正常情況下15腳電壓應(yīng)略高于16腳電壓才能保證誤差比較器II的輸出為低電平，才能使芯片內(nèi)兩個(gè)三極管正常工作。因?yàn)樾酒瑑?nèi)置5V基準(zhǔn)電壓源，可知15腳的電壓為5V，16腳的電壓為OV。芯片內(nèi)置比較器的輸出為低電平。

四、調(diào)試

該逆變電源在接通12V直流電源后LED指示燈亮，說(shuō)明電路工作正常。由于該電路設(shè)有上電軟啟動(dòng)功能，在接通電源后要等7S左右才有400V直流輸出。若發(fā)生輸入電流過(guò)大、輸出電壓過(guò)大或者電路工作環(huán)撞過(guò)熱的情況均會(huì)使LED指示燈變暗，說(shuō)明逆變電路停止工作。若在接通電源后要等10S左右指示燈還沒(méi)有點(diǎn)亮，說(shuō)明逆變電路有問(wèn)題或者LED燈極性安裝反了。

五、總結(jié)

逆變電源的設(shè)計(jì)工作任重道遠(yuǎn)，需要設(shè)計(jì)者不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，調(diào)整設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)出更高效的逆變電源產(chǎn)品。

[1]黃燕.常用電子設(shè)備開(kāi)關(guān)電源檢修方法[M].北京科學(xué)出版社,2002:30-38.

[2]周志敏,周級(jí)海,紀(jì)愛(ài)華.現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源控制電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2005:124-147

Analysis and optimization design of inverter power supply

Xie Hai-rui

(Electrical Engineering Department of Minxi Vocational and Technical College, Longyan Fujian, 364021, China)

This paper starts from the principle of inverter, analyzed the design process of inverter power supply circuit, and to design better improve the efficiency of inverter power supply.

inverter power; circuit design; optimization design

TL503.5

A

1000-9795（2014）04-0023-01

［責(zé)任編輯：董 維］

2014-02-08

謝海瑞（1964-），男，福建武平人，實(shí)驗(yàn)師，從事應(yīng)用電子實(shí)驗(yàn)工作。