車載逆變器的設計與實現

范朋奎，吳靜

（遼寧工業大學電氣工程學院，遼寧錦州，121001）

隨著社會的發展和人們生活質量的提高，汽車逐漸變為人們出行最主要的交通工具，所以對車載逆變器需求和供電質量的要求也越來越高。因此開發一款高效、經濟、實用的移動車載逆變器以方便人們的用電需求，有著重要的實際意義。本設計基于AT89C52單片機為控制芯片，采用高頻直流升壓和正弦波逆變方法設計了一款體積小、可靠性高的隔離式車載逆變器，此車載逆變器除了實現12V直流電逆變為220V/50Hz的逆變功能外還具有過壓、欠壓、過載、過熱等保護功能。

1 系統設計方案

本設計的主電路分為前后兩級，前級是由推挽電路構成的直流升壓電路，后級為全橋逆變電路。前級直流升壓電路通過把12V直流電逆變為高頻的方波交流，然后通過高頻變壓器進行升壓，經過整流和濾波之后穩定輸出310V直流電。后級的全橋逆變電路以AT89C52單片機為控制芯片，運用SPWM控制技術將直流電逆變交流電，經過LC濾波之后輸出穩定的220V/50Hz的正弦工頻交流電。為了提高系統運行的安全可靠性，除了主電路和控制電路外還設計了輸入過壓、欠壓保護和輸出過載保護等保護電路。系統總體方案框圖如圖1所示。

圖1 系統總體方案結構框圖

2 硬件電路設計

2.1 直流升壓電路設計

直流升壓電路如圖2所示，推挽電路采用兩個開關管進行交替導通，把12V直流輸入電壓轉變為方波脈沖加在變壓器原邊上，變壓器變比為1∶26，通過二極管和LC濾波之后穩定的輸出310V直流電壓。考慮到變壓器的散熱和體積問題，在此推挽電路逆變的頻率為50kHz。開關管承受的最大峰值電壓為2Vin，流過開關管的電流越為15A，所以考慮到要留有一定的安全裕量開關管額定電壓取50V，額定電流為30A。

高頻變壓器在電路中起著電氣隔離和升壓的作用，根據最大輸出功率，確定窗口面積Ae為1.7672cm ，變壓器磁芯選擇R2KB1。利用法拉第定律來進行確定變壓器初級繞組匝數為：

通過變壓器變比可以得出變壓器次級繞組匝數為104匝。通過計算可得變壓器初級和次級繞組線徑為1.8mm和1mm。

圖2 直流升壓電路

2.2 全橋逆變電路設計

逆變電路最常使用的為全橋逆變電路，全橋電路由四個開關管構成，互為對角的為一組，兩組開關管交替導通，將直流電壓轉換為電壓幅值為310V的方波交流電壓加在變壓器一次繞組W1上。電路中與開關管并聯的二極管起到保護作用，通過改變開關管的導通時間就可以改變輸出電壓Vo。開關管承受的峰值電壓均為Vin，考慮到開關管的選擇要留有一定的裕量，所以選擇開關管額定電壓為400V。系統輸出的額定電流為0.7A，最大電流為1A，在留有一定安全裕量的情況下，選擇額定電流為4A。在SPWM調制之后的輸出波形為50Hz的正弦波，為了輸出穩定的正弦波需要加入后續濾波電路。紋波電壓最大可以為?vmax，通過計算得到濾波電容取82μ F，濾波電感的最小取值為25mH。電路如圖3所示。

圖3 全橋逆變電路

2.3 控制電路設計

控制電路部分包括單片機最小系統、按鍵電路、顯示電路。AT89C52單片機的最小系統是使單片機正常運行的最小配置，由復位電路、時鐘電路、CPU和電源電路組成。通過時鐘電路提供的時鐘脈沖作為運行頻率來進行工作，復位電路可以把正常運行的程序從初始位置重新開始。本設計設置了三個按鍵，分別為工作開始鍵、工作暫停鍵、復位鍵。通過按鍵可以控制逆變使能的進行和停止，復位鍵可以使系統的工作進入初始狀態。顯示部分采用LCD1602作為系統的顯示器件，該顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富、超薄輕巧等優點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統中得到廣泛的應用。目前字符型液晶顯示模塊已經是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件。電路如圖4所示。

圖4 單片機控制電路

3 系統主程序設計

系統主程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統主程序流程圖

4 測試與焊接調試結果

對系統進行調試，主要是根據系統焊接之后的實際運行進行期間參數的微調和控制程序的一些優化和調整。通過系統調試可以使系統運行更加可靠、穩定。本文中的系統調整主要是對SPWM控制技術中一些程序跟延時的調整和保護電路功能的測試。

主要使用的測試儀器為示波器和萬用表，對一些系統參數進行測量觀察。

圖6 系統實物圖

圖7 系統PCB圖

5 結論

車載逆變器的設計全面說明了逆變器的基本結構、控制原理以及系統硬件和軟件的設計。本文所設計的基于51單片機的車載逆變器具有硬件結構簡單、保護功能完善等特點。主要實現了如下功能：

(1)采用AT89C52作為控制核心，加強了對系統的控制；

(2)具有安全保護系統，實現了系統的過流保護、過載保護等功能；

(3)對系統主電路和控制電路進行了設計，提高系統運行的可靠性；

(4)系統軟件采用模塊化設計，為系統優化提供了便利的條件。

該系統還存在著一些不足，由于設計中功耗的原因，實物的輸出功率可能達不到任務中的要求。另外由于時間和能力方面的限制，本文所設計的車載逆變器還有進一步改善的方法，使系統具有更好的靈活性和穩定性。