一種車載用方波逆變電源的設計

2021-03-07 18:17:37朱浩亮

電子樂園·上旬刊 2021年4期

摘要：論文設計了一款車載用12伏轉220伏DC-AC方波逆變器電源;該方波逆變器采用芯片TL494作為核心主控制器;為了減弱外部電流對芯片產生的干擾，增強高電平輸出時的驅動能力，利用四個二極管與兩個開關管構成灌電流驅動電路，用來驅動兩路N通道MOSFET開關管;在分析方波逆變器工作原理基礎上，還根據其性能對電路的元件進行了分析并制作了樣機，并且對樣機做出調試和測試;詳細闡述了樣機方波逆變器的制作和測試過程，分析了試驗的波形和測試結果;實驗結果表明，該方波逆變器的主電路結構清晰，使用較為方便、成本低廉、性能穩定。

關鍵詞：方波逆變器;TL494;車載電源;PWM

1 引言

由于近幾年汽車工業的快速發展，車載電子設備的日益綜合化、實用化和小型化，已廣泛的運用在汽車電子的各個領域中;而隨著大數據、人工智能、新能源汽車技術研究的不斷深入，車載電子設備技術也在不斷的迭代與更新。開關電源在電子設備應用方面涉及范圍較廣，而且在現代的汽車電子產業中具有較大的發展思路和空間，其中逆變電源在車載方面應用也越來越多。逆變器主要分為方波逆變器和正弦波逆變器，目前市場上車載逆變器主要是方逆變器，因為逆變器電路結構簡單，輸出電壓穩定;而隨著電子產品的不斷發展目前很多負載對于供電要求也逐漸降低，最大的需求還是在電能變換的環節，因此車載方波逆變器也得到了行業越來越多的關注和研究。相比正弦波逆變技術，方波逆變的技術要求和生產成本更低，而車載設備對于交流電的波形質量要求都不高，方波也基本上可以滿足供電要求，所以今后的方波逆變器的研究依舊是比較熱門的課題，因此降低方波逆變電路的成本及提高電路性能依然是值得投入研究的方向。

2 硬件設計

2.1 系統框圖

本電路設計是以芯片TL494為主的控制電路，外接驅動電路，經變DC-AC變換后，得到直流電轉交流電的目的，逆變器工作的框圖如上圖1所示。

2.2 TL494工作原理

TL494的原理構圖和內部結構如圖2所示。由圖可見，它的內部內置了兩個比較器、一個振蕩器、一個觸發器、一個+5V基準電源、死區控制、兩個輸出功率放大用的開關管。TL494的工作原理由輸出控制電路、供電與基準電源電路、振蕩電路、死區時間控制電壓比較控制電路、PWM比較控制電路五個部分組成。輸出控制電路是在TL494內置2個功率輸出管，提供500mA的驅動力，TL494的工作狀態是由引腳13來控制;TL494的電源供電端也就是引腳12，它可以允許輸入8-40V的電壓。TL494無需在外部接穩壓器，TL494的引腳14是一個+5V的基準電壓源;振蕩電路就是TL494內置的直流電源端和電源直流地，即引腳12和7，形成供電回路;死區電壓比較控制電路采用TL494內部振蕩電路產生的鋸齒波震蕩電壓送到內部電壓比較器1的同相端，然后再與輸入帶電壓比較器的死區電平控制信號;PWM比較控制電路由TL494內置誤差放大器和電壓發生器所輸出的控制信號，經過門控電路后產生的一個控制信號，并將這個信號送到電壓比較器2的反相端，再與被送到電壓比較器2的鋸齒波震蕩電壓作比較，鋸齒波震蕩電壓是由鋸齒波振蕩器產生的。該芯片的振蕩頻率與主電路圖中的四個開關管有關，即它的開關損耗和開關速度。它的開關輸出頻率與振蕩器的頻率一樣，提供了開關電源必須的振蕩控制信號，頻率由引腳5、6外接的Rt、Ct決定。

2.3 激式變換部分TL494

由芯片TL494，兩路驅動電路，芯片經變換輸出兩路不同的PWM波，一個45W的EI型硅鋼片變壓器組成。當S1關斷時，TL494無輸出脈沖，MOS FET開關管D3、D4無任何電流。K1接通時，這三個端口電壓值為實驗室可調電源的正極電壓。引腳9和10為內部驅動級三極管發射極，正常情況下電壓值約為1.8V，每一路個兩只并聯。引腳13、14和15連一起，接引腳2，其中引腳14輸出5V基準電壓，讓引腳13有5V高電平，控制門電路，觸發器輸出兩路驅動脈沖，用于TL494內部推挽開關電路。引腳15接5V電壓，構成誤差放大器反相輸入基準電壓。此接法中，引腳16輸入大于5V的高電平時，可通過穩壓作用降低輸出電壓，或關斷驅動脈沖而實現保護。在它激逆變器中輸出超壓的可能性幾乎沒有，所以在主電路中電路中引腳16未用，直接接地。TL494激式部分如圖3所示。

2.4 正弦逆變電路設計

如圖4所示，為逆變器核心電路部分，其核心開關芯片采用TL494，芯片內部具有線性鋸齒波振蕩器、5V參考基準電壓源、誤差放大器、可調整死區時間控制等。而它連接之外的是灌電流驅動電路，D1-D4、Q1-Q2構成灌電流驅動電路，用來驅動兩路各兩只55V、110A的MOS FET N通道開關管，每路開關管采用的是并聯應用。經主電路變換之后，直流電轉變成交流電，再接上變壓器，便可得到輸出交流電220V。芯片TL494可以產生一個兩路互補的PWM波，當第一路為高電平的時候，第二路為低電平;變壓器是初級為兩個線圈，次級為一個線圈。初級兩個線圈不能同時導通的，用以保證MOS管的正常工作。然后就是當一路的MOS管導通，而對應的變壓器初級上半個線圈導通，就會在次級線圈感應出正半軸的交流電;接著第二路的兩只MOS管導通，同時變壓器初級下半個線圈導通，次級線圈就會感應出一個反方向的交流電，即負半軸的交流電。電路中R6、R7、R10、R11四個電阻的作用是為了均流，從而減小由于功率參數管的差異對電路的影響。而且它還可以對四個MOS管提供啟動電壓。同時選擇小電阻的原因就是它的阻值越小，越能減小電路功率的損耗，最短限度的實現功率輸出。

由上所示的表3-1與3-2統計，逆變器在10-50W的恒定功率輸出的情況下，輸出電壓比較穩定，且誤差相對較小，能夠達到一般的車載電子設備的供電要求，該設計具有一定的實用性。

4結語

本設計提出的基于TL494車載用方波逆變電源，在車載電子產品中有一定的應用。從實驗的數據可以得出該電路具有較好的性能，并且電路成本比較低、結構相對簡單，對于功率要求不高的220V交流供電的汽車電子產品中有一定的應用價值。

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