一種基于場效應管及反相器的逆變電源的研究

安徽師范大學 謝停停 曹一凡 張仕超

一種基于場效應管及反相器的逆變電源的研究

安徽師范大學 謝停停 曹一凡 張仕超

本設計主要任務是分析并實現了一個能將直流12V電源轉變為220V交流市電的逆變電源。具體為首先由六反相器4069UB和78L05構成50Hz方波信號發生器后經由MOS場效應管將其電壓由原來的5V峰值放大至12V。經初次自制濾波后經12-220變壓器進行升壓并再次利用自制濾波電路逆變電源要求。本設計中的12V直流供電采用自制對的電源模塊。通過測試可以實現功能。同時為了達到過流保護功能，我們利用三極管及繼電器實現的閾值可設定的過流保護模塊，通過測試能滿足過流保護功能。

DC-DC變換器；過流保護；逆變器；CD4069；PFC功率因數校正

0.引言

一般情況下，逆變電路的作用是將直流電交流化，對于電壓比較低的情況，我們使用升壓電路（直流轉直流）進行升壓，至于頻率可以通過震蕩器去設置。在這里采用反相器，配合50hz頻率模擬市電。本系統采用以MOS產效應管及普通電源變壓器為核心實現將直流12V電源轉變為220V交流市電的逆變電源。電路模塊依次為方波信號發生器，前級低通濾波器，放大電路，變壓電路及次級濾波電路。同時我們在電路中實現了過流保護功能。下面分別對不同部分進行討論，各模塊分析將在單元模塊設計中介紹。

1.大體結構

采用的DC-DC升壓電路，由12V升壓到24V，可以進行切換電路。由CD6049產生方波信號，以進行逆變，通過變壓器將電壓升到220V,再經過濾波電路，反復調試可以得到220V正弦波電路，此時再對電路進行功率因數校正，可以大大的提高效率，再接燈泡實現帶載。為了實現達到要求的帶負載能力，我們利用場效應管實現由5V的電壓放大至12V電壓，同時為了實現正弦波的輸出，我們利用了兩次濾波實現檢頻的功能。具體為首先由六反相器4069UB和78L05構成50Hz方波信號發生器后經由MOS場效應管將其電壓由原來的5V峰值放大至12V。經初次自制濾波后經12-220變壓器進行升壓并再次利用自制濾波電路逆變電源要求。本設計中的12V直流供電采用自制對的電源模塊。本系統主要有DC-DC電路、CD4069方波信號電路、逆變電路、濾波電路、過流保護電路，功率因數矯正電路組成可參考系統結構圖（如圖1所示）。

圖1 系統結構圖

2.DC-DC升壓電路的論證與選擇

對于這種逆變器市場普遍采用恒頻脈寬調制控制器TL494，494芯片在電源設計上有很大的功能，尤其在逆變電路中，因為其功能大多內置，因此不需要過多的外設，這樣對電路的復雜度有好處而且效率也還不錯。但是PWM輸出的紋波震蕩的很厲害，不好調整，不利于電路穩定，而且TL494特別不好調節，容易燒場效應管，需要耐很大電流的場效應管，要求和限制較多，不可靠。因此相比之uc3843芯片在這方面做得更好，這個芯片支持單端輸出同時也能推挽，工作頻率為1--300KHz，輸出電壓可達40V，內有5V的電壓基準，準確度較高，可實現升壓，電壓電流可調，在輸出方面功能也很強大，通過測量升壓電路效率可達95%。

3.CD4069方波信號電路及 PFC功率校正電路

一般UA741放大電路外接若干二極管、電阻電容可實現產生方波電路，這種方案硬件電路復雜，可靠性差，方波產生不穩定。如果采用 CD4069（反相器） 實現方波（大致）的發生。有時由于電源的不穩定，會使得電壓發生一定范圍的紋波，在這種情況下極大地使頻率發生了改變所以我們在設計時需要加入補償電阻。這樣所產生的方波可靠性好，實現了電路的穩定。同樣采用單相PWM整流電路可以使其輸入電流接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數接近1。具有很高的效率，而且能夠實現功率因數的調整。但PWM驅動復雜，硬件閉環控制實現起來困難。所以這里利用斬波電路進行升壓，結合功率因數校正實現整流。這樣一來電壓電流調整的問題很容易就解決并且符合基本要求。PFC主要進行功率因數的調整，在使用前需要進行一點調整，從而提高效率。

4.DC-DC升壓電路

UC3843升壓電路（如圖2所示），正如前面所述其本身具有非常強大的功能，首先內置強大使得外圍電路很容易搭建，省去了手工焊接的麻煩。其次uc3843的工作頻率也很高。一般來說，開關電源芯片需要考量其工作的啟動電流，因為啟動電流如果很大，意味著效率會有影響，且芯片發熱也受其影響。DC-DC升壓電路主要由UC3843和mos管電路實現組成。由12V升壓到24V具有很高的效率，而且可以通過大電流，保證mos管電路安全。現附DC-DC升壓電路圖：

圖2 uc3843升壓電路

圖3 LM358過流保護電路

5.過流保護電路

LM358是使用較多的過流保護電路的主要芯片（如圖3所示）。檢測電流值需要采樣電阻進行采樣，采樣值與比較值經過LM358芯片的比較后一旦電流過大則需要放大器輸出高電平高電平驅動所控制的繼電器，這樣就能控制使得過流情況下電流斷路。

6.功率校正電路

功率因數矯正電路（PFC）可分為升壓型和降壓型，首先ucc28019屬于有源PFC需要單獨供電。然后將輸入端電流轉化為與接入的市電相同的相位如圖4所示，輸出反饋端與Uref進行比較輸入給放大器，比較器的輸出端一方面與電流放大器out-進行比較，比較的結果輸入到PWM比較器，這里PWM輸出值會影響柵極電壓從而控制主電路中的開關管。

圖4 PFC功率矯正電路原理圖

7.總結

開關電源和逆變電源在現實生活中已經大范圍的使用了，我們所設計的這套開關電源系統不通過產生SPWM波進行逆變，而是通過反相器，最后通過濾波方式進行正弦化。在此過程中解決了許多問題。其實開關電源是一門特別需要耐心和細心的學科，首先器件的選擇很重要，我們通過了經過了多次計算才確定了選用的元器件，如磁芯、漆包線、二極管、電阻電容的選擇，在做出了實物后，仍要反復試驗，從而提高效率。盡管如此但是本設計還存在其缺陷，那就是效率問題，效率要想更加好必須對濾波電路進行改進，其次本逆變器沒有解決并網的問題，無法實現與市電網絡的結合。總之還需要很多的改進！

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