電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)--車載逆變電源設(shè)計(jì)

1、<p>　　電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、 設(shè)計(jì)的基本要求…………………………………………1</p><p>　　二、總體方案的確定…………………………………………… 1</p><p>　　1、總體介紹………………………………………………1</

2、p><p>　　2、經(jīng)濟(jì)性好………………………………………………2</p><p>　　三、具體電路設(shè)計(jì)…………………………………………… 2</p><p>　　1、系統(tǒng)基本原理………………………………………… 2</p><p>　　2、DC/DC變換……………………………………………3</p><p>　　3、D

3、C/AC變換……………………………………………5</p><p>　　4、保護(hù)電路設(shè)計(jì)及調(diào)試過程中的一些問題………………7</p><p>　　5、 試驗(yàn)結(jié)果及輸出波形 …………………………………9</p><p>　　6、功率因素校正…………………………………………10</p><p>　　四、附錄…………………………………………

4、………………11</p><p>　　五、參考文獻(xiàn)……………………………………………………11</p><p><b>　　車載逆變電源設(shè)計(jì)</b></p><p>　　摘要：本系統(tǒng)是根據(jù)無源逆變的實(shí)用原理，采用單相全橋逆變電路工作方式，實(shí)現(xiàn)把直流電源（12v）轉(zhuǎn)換成交流電源（320V，50HZ），并對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。達(dá)到的性能要求就是轉(zhuǎn)換出穩(wěn)定

5、的工頻電源，供給給汽車上的一些電器如車燈，音像等使用。</p><p>　　關(guān)鍵字：車載電源 逆變 保護(hù)電路</p><p>　　一、 設(shè)計(jì)的基本要求</p><p>　　在一些交通運(yùn)載、野外測(cè)控、可移動(dòng)武器裝 備 、工程修理車等設(shè)備中都配有不同規(guī)格的電 源。通常這些設(shè)備工作空間狹小，環(huán)境惡劣，干擾 大。因此對(duì)電源的設(shè)計(jì)要求也很高，除了具有良好的電氣性能外，還必

6、須具備體積小、重量輕、成本 低、可靠性高、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)。針對(duì)某種移動(dòng)設(shè) 備的特定要求，研制了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的車載正弦 波逆變電源，采用 SPWM工作模式，以最簡(jiǎn)單的硬 件配置和最通用的器件構(gòu)成整個(gè)電路。實(shí)驗(yàn)證明， 該電源具有電路簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高等特點(diǎn)， 滿足了實(shí)際要求。車載逆變器（電源轉(zhuǎn)換器、 Power Inverter ）是一種能夠?qū)?DC12V 直流電轉(zhuǎn)換為和市電相同的 AC220V 交流電，供一般電器使用，是一種方便的車用

7、電源轉(zhuǎn)換器。車載電源逆變器在國外市場(chǎng)受到普遍歡迎。在國外因汽車的普及率較高，外出工作或外出旅游即可用逆變器連接蓄電池帶動(dòng)電器及各種工具工作。中國進(jìn)入 WTO 后，國內(nèi)市場(chǎng)私人交通工具越來越多，因此，車載逆變器電源作為在移動(dòng)中使用的直流變交流的轉(zhuǎn)換器，會(huì)給你的生活帶來很多的方便，是一種常備的車用汽車電子裝具用品。通過點(diǎn)煙器輸出的車載逆變器可以是 20W 、 40W 、</p><p>　　設(shè)計(jì)汽車逆變電源，提出了一

8、種低成本的方波逆變電源的基本原理及制作方法；介紹了驅(qū)動(dòng)電路芯片 SG3524 和 IR2110的使 用；設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路；給出輸出電壓波形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。</p><p>　　本文闡述了要求非常高的車載電源的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)過程中的一些特殊問題的解決措施，提出了一些新穎的觀點(diǎn) 。這些觀點(diǎn)對(duì)以后的電源設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用 。</p><p>　　二、 總體方案的確定</p><p

9、><b>　　1、總體介紹：</b></p><p>　　電源是電子設(shè)備的動(dòng)力部分,是一種通用性很強(qiáng)的電子產(chǎn)品。它在各個(gè)行業(yè)及日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，其質(zhì)量的好壞極大地影響著電子設(shè)備的可靠性,其轉(zhuǎn)換效率的高低和帶負(fù)載能力的強(qiáng)弱直接關(guān)系著它的應(yīng)用范圍。方波逆變是一種低成本，極為簡(jiǎn)單的變換方式，它適用于各種整流負(fù)載，但是對(duì)于變壓器的負(fù)載的適應(yīng)不是很好，有較大的噪聲。在逆變電源的發(fā)展方向

10、上，輕量、小型、高效是其所追求的目標(biāo)。本文所介紹的逆變電源電路主要采用集成化芯片,使得電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本較低。因此,這種電路是一種控制簡(jiǎn)單、可靠性較高、性能較好的電路。整個(gè)逆變電源也因此具有較高的性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。要選擇專業(yè)的正規(guī)的工廠生產(chǎn)或經(jīng)銷代理的車載逆變器產(chǎn)品。在國內(nèi)有些用戶為圖方便將一些 DC 直流電器如：手機(jī)充電器、筆記本電腦等在車上不使用自身配的 220V 電源而配上簡(jiǎn)易轉(zhuǎn)接器直接插到點(diǎn)煙器上，這樣是不對(duì)的，汽車

11、的電瓶電壓不穩(wěn)，直接取電可能會(huì)燒毀電器很不安全而且會(huì)大大影響電器使用壽命，因?yàn)樵瓘S家供應(yīng)的 220V 電源是廠家專為其電器設(shè)計(jì)的，有極好的穩(wěn)定性。 另外，在購買時(shí)要查看車載逆變器是否有各種保護(hù)功能，這樣才能保證電瓶和外接</p><p><b>　　2、經(jīng)濟(jì)性好：</b></p><p>　　通過把12V的蓄電池電源轉(zhuǎn)換為工頻使用電源，用于車載內(nèi)部的電器，是

12、一種簡(jiǎn)單，廉價(jià)的方式。主電路設(shè)計(jì)中采用了簡(jiǎn)單的全橋逆變電路，過壓過流保護(hù)電路，以及幾款簡(jiǎn)單的芯片。經(jīng)濟(jì)性能良好，使用方便。就本系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性而言，由于未設(shè)計(jì)復(fù)雜的電路進(jìn)行干擾的情況。并且輸出穩(wěn)定，價(jià)格優(yōu)良，是一款性價(jià)比很高的系統(tǒng)。</p><p><b>　　三、 具體電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本文依據(jù)逆變電源的基本原理，利用對(duì)現(xiàn)有資料的分析推導(dǎo),提出了

13、一種方波逆變器的制作方法并加以調(diào)試。</p><p><b>　　1 、系統(tǒng)基本原理</b></p><p>　　本逆變電源輸入端為蓄電池（＋12V，容量90A·h），輸出端為工頻方波電壓（50Hz，220V）。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。</p><p>　　如上面的結(jié)構(gòu)框圖圖1所示：主要包括了DC-AC高頻升壓逆變轉(zhuǎn)換模塊、AC-DC

14、整流模塊、逆變橋逆變、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)等部分組成，功能完整，結(jié)構(gòu)緊湊。</p><p>　　目前，構(gòu)成DC/AC逆變的新技術(shù)很多，但是考慮到具體的使用條件和成本以及可靠性，本電源仍然采用典型的二級(jí)變換，即DC/DC變換和DC/AC逆變。首先由DC/DC變換將DC12V電壓逆變?yōu)楦哳l方波，經(jīng)高頻升壓變壓器升壓，再整流濾波得到一個(gè)穩(wěn)定的約320V直流電壓；然后再由DC/AC變換以方波逆變的方式，將穩(wěn)定的直流電壓逆變

15、成有效值稍大于220V的方波電壓；再經(jīng)LC工頻濾波得到有效值為220V的50Hz交流電壓，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。</p><p>　　2、 DC/DC變換</p><p>　　由于變壓器原邊電壓比較低,為了提高變壓器的利用率,降低成本,DC/DC變換如圖2所示，采用推挽式電路，原邊中心抽頭接蓄電池，兩端用開關(guān)管控制，交替工作，可以提高轉(zhuǎn)換效率。而推挽式電路用的開關(guān)器件少,雙端工作的變壓器的體積比較小

16、,可提高占空比,增大輸出功率。</p><p>　　雙端工作的方波逆變變壓器的鐵心面積乘積公式為</p><p>　　AeAc=Po(1＋η)/(ηDKjfKeKcBm)    （1）</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　Ae(m2)為鐵心橫截面積；</p&

17、gt;<p>　　Ac(m2)為鐵心的窗口面積；</p><p>　　Po為變壓器的輸出功率；</p><p><b>　　η為轉(zhuǎn)換效率；</b></p><p><b>　　δ為占空比；</b></p><p><b>　　K是波形系數(shù)；</b></p&g

18、t;<p>　　j(A/m2)為導(dǎo)線的平均電流密度；</p><p><b>　　f為逆變頻率；</b></p><p>　　Ke為鐵心截面的有效系數(shù)；</p><p>　　Kc為鐵心的窗口利用系數(shù)；</p><p><b>　　Bm為最大磁通量。</b></p><

19、;p>　　變壓器原邊的開關(guān)管S1和S2各采用IRF32055只并聯(lián)，之所以并聯(lián)，主要是因?yàn)樵谀孀冸娫唇尤胴?fù)載時(shí)，變壓器原邊的電流相對(duì)較大，并聯(lián)可以分流，可有效地減少開關(guān)管的功耗，不至于造成損壞。</p><p>　　PWM控制電路芯片SG3524，是一種電壓型開關(guān)電源集成控制器,具有輸出限流,開關(guān)頻率可調(diào),誤差放大,脈寬調(diào)制比較器和關(guān)斷電路,其產(chǎn)生PWM方波所需的外圍線路很簡(jiǎn)單。當(dāng)腳11與腳14并聯(lián)使用時(shí),

20、輸出脈沖的占空比為0～95％,脈沖頻率等于振蕩器頻率的1/2。當(dāng)腳10（關(guān)斷端）加高電平時(shí),可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖的封鎖,與外電路適當(dāng)連接,則可以實(shí)現(xiàn)欠壓、過流保護(hù)功能。利用SG3524內(nèi)部自帶的運(yùn)算放大器調(diào)節(jié)其輸出的驅(qū)動(dòng)波形的占空比D，使D>50％，然后經(jīng)過CD4011反向后，得到對(duì)管的驅(qū)動(dòng)波形的D<50％，這樣可以保證兩組開關(guān)管驅(qū)動(dòng)時(shí)，有共同的死區(qū)時(shí)間。</p><p>　　3、 DC/AC變換<

21、/p><p>　　如圖3所示，DC/AC變換采用單相輸出，全橋逆變形式，為減小逆變電源的體積，降低成本，輸出使用工頻LC濾波。由4個(gè)IRF740構(gòu)成橋式逆變電路，IRF740最高耐壓400V，電流10A，功耗125W，利用半橋驅(qū)動(dòng)器IR2110提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其輸入波形由SG3524提供，同理可調(diào)節(jié)該SG3524的輸出驅(qū)動(dòng)波形的D<50％，保證逆變的驅(qū)動(dòng)方波有共同的死區(qū)時(shí)間。</p><p&g

22、t;　　IR2110是IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET和IGBT專用驅(qū)動(dòng)集成電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還具有快速完整的保護(hù)功能，因而它可以提高控制系統(tǒng)的可靠性，減少電路的復(fù)雜程度。</p><p>　　IR2110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理框圖如圖4所示。圖中HIN和LIN為逆變橋中同一橋臂上下兩個(gè)功率MOS的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)輸入端。SD為保護(hù)信號(hào)輸入端，當(dāng)該腳接高電平時(shí)，IR2110的輸出信號(hào)

23、全被封鎖，其對(duì)應(yīng)的輸出端恒為低電平；而當(dāng)該腳接低電平時(shí)，IR2110的輸出信號(hào)跟隨HIN和LIN而變化，在實(shí)際電路里，該端接用戶的保護(hù)電路的輸出。HO和LO是兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，驅(qū)動(dòng)同一橋臂的MOSFET。</p><p>　　IR2110的自舉電容選擇不好，容易造成芯片損壞或不能正常工作。VB和VS之間的電容為自舉電容。自舉電容電壓達(dá)到8.3V以上，才能夠正常工作，要么采用小容量電容，以提高充電電壓，要么直接在

24、VB和VS之間提供10～20V的隔離電源，本電路采用了1μF的自舉電容。    為了減少輸出諧波，逆變器DC/AC部分一般都采用雙極性調(diào)制，即逆變橋的對(duì)管是高頻互補(bǔ)通和關(guān)斷的。</p><p>　　逆變橋部分，采用IGBT作為功率開關(guān)管。由于IGBT寄生電容和線路寄生電感的存在，同一橋臂的開關(guān)管在開關(guān)工作時(shí)相互會(huì)產(chǎn)生干擾，這種干擾主要體現(xiàn)在開關(guān)管門極上。以上管開通對(duì)下管門極產(chǎn)生的

25、干擾為例，實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路及其等效電路如圖3所示。實(shí)際電路中，IR2110的輸出推挽電路,這個(gè)電壓尖刺幅值隨母線電壓ＶＢＵＳ和負(fù)載電流的增大而增大，可能達(dá)到足以導(dǎo)致Ｔ２瞬間誤導(dǎo)通的幅值，這時(shí)橋臂就會(huì)形成直通，造成電路燒毀。同樣地，當(dāng)Ｔ２開通時(shí)，Ｔ１的門極也會(huì)有電壓尖刺產(chǎn)生。帶有門極關(guān)斷箝位電路的驅(qū)動(dòng)電路通過減?。遥雍透纳齐娐凡季€可以使這個(gè)電壓尖刺有所降低，但均不能達(dá)到可靠防止橋臂直通的要求。門極關(guān)斷箝位電路針對(duì)前面的分析，本文將提出一種門極

26、關(guān)斷箝位電路，通過在開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路中附加這種電路，可以有效地降低上述門極尖刺。門極關(guān)斷箝位電路由MOSFET管MC1和MC2,MC1門極下拉電阻RC1和MC2門極上拉電阻RC2組成。實(shí)際上該電路是由MOSFET構(gòu)成的兩級(jí)反相器。當(dāng)MC1門極為高電平時(shí)，MC1導(dǎo)通，MC2因門極為低電平而關(guān)斷，不影響功率開關(guān)管的正常導(dǎo)通；當(dāng)MC1門極為低電平時(shí)，MC1關(guān)斷，MC2因門極為高電平</p><p>　　4、 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

27、及調(diào)試過程中的一些問題</p><p>　　保護(hù)電路分為欠壓保護(hù)和過流保護(hù)。</p><p>　　欠壓保護(hù)電路如圖5所示，它監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓狀況，如果蓄電池電壓低于預(yù)設(shè)的10.8V，保護(hù)電路開始工作，使控制器SG3524的腳10關(guān)斷端輸出高電平，停止驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。</p><p>　　圖5中運(yùn)算放大器的正向輸入端的電壓由R1和R3分壓得到，而反向輸入端的電壓由穩(wěn)壓管

28、箝位在＋7.5V，正常工作的時(shí)候，由三極管V導(dǎo)通，IR2110輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)晶閘管正常工作，實(shí)現(xiàn)逆變電源的設(shè)計(jì)。當(dāng)蓄電池的電壓下降超過預(yù)定值后，運(yùn)算放大器開始工作，輸出跳轉(zhuǎn)為負(fù)，LED燈亮，同時(shí)三級(jí)管V截止，向SG3524的SD端輸出高電平，封鎖IR2110的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此時(shí)沒有逆變電壓的輸出。</p><p>　　過流保護(hù)電路如圖6所示，它監(jiān)測(cè)輸出電流狀況，預(yù)設(shè)為1.5A。方波逆變器的輸出電流經(jīng)過采樣進(jìn)入

29、運(yùn)算放大器的反向輸入端，當(dāng)輸出電流大于1.5A后，運(yùn)算放大器的輸出端跳轉(zhuǎn)為負(fù)，經(jīng)過CD4011組成的RS觸發(fā)器后，使三級(jí)管V1基級(jí)的信號(hào)為低電平，三級(jí)管截止，向IR2011的SD1端輸出高電平，達(dá)到保護(hù)的目的。</p><p>　　調(diào)試過程遇到的一個(gè)較為重要的問題是關(guān)于IR2110的自舉電容的選擇。IR2110的上管驅(qū)動(dòng)是采用外部自舉電容上電，這就使得驅(qū)動(dòng)電源的路數(shù)大大減少，但同時(shí)也對(duì)VB和VC之間的自舉電容的

30、選擇也有一定的要求。經(jīng)過試驗(yàn)后，最終采用1μF的電解電容，可以有效地滿足自舉電壓的要求。</p><p>　　5、 試驗(yàn)結(jié)果及輸出波形 </p><p>　　DC/DC變換輸出電壓穩(wěn)定在320V，</p><p>　　控制開關(guān)管的半橋驅(qū)動(dòng)器IR2110開關(guān)頻率為50Hz，實(shí)驗(yàn)的電路波形如圖7～圖14所示。</p><p>&l

31、t;b>　　6、功率因素校正：</b></p><p>　　低功率因數(shù)電源存在問題：使電網(wǎng)波形畸變，線路損耗加大；降低供電系統(tǒng)的功率因數(shù)、增大系統(tǒng)供電容量；降低用電設(shè)備的使用壽命；干擾儀器儀表；使計(jì)算機(jī)無法正常工作等不連續(xù)工作模式的校正原理在低功率（P<200W）的PFC中，多采用DCM工作模式。常用的控制方法有恒頻控制技術(shù)和恒導(dǎo)通時(shí)間控制技術(shù)。</p><p>　

32、　1.恒頻控制技術(shù) PFC電路的開關(guān)頻率保持不變，而且PWM控制輸出的控制脈沖的占空比在半個(gè)工頻周期內(nèi)保持不變。</p><p>　　VT導(dǎo)通時(shí)，電感電流的峰值</p><p>　　在一個(gè)開關(guān)周期Ts中，電感電流的平均值為</p><p>　　若在半個(gè)工頻周期內(nèi)Ton和Tdon均為恒定值，則輸入電流的峰值與輸入電壓成正比，電流的平均值與電壓相位相同。當(dāng)Tdon 恒定

33、時(shí)，則輸入電壓與輸入電流的比值恒定，從而實(shí)現(xiàn)PF=1。</p><p>　　但在實(shí)際電路中Tdon在半個(gè)工頻周期內(nèi)并不恒定，導(dǎo)致了平均輸入電流存在一定程度的畸變。提高輸入電壓和輸出電壓的峰值比值，可以減小電流的畸變程度。</p><p><b>　　四、附錄</b></p><p><b>　　元器件明細(xì)表</b><

34、/p><p><b>　　五、 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1】 CaceresRamon 0．BarbiIraABoostDC—ACConvener：Analysis， Design， and Experimentation[J】 ．IEEE Transactions on Power Electronics，1999，14(1)：134— 141． &l

35、t;/p><p>　　【2】 Stanley Gerald R。Bradshaw Kenneth M．Precisi0n DC— to—AC Power Conversion by Optimization of the Output Current Waveform-- The Half Bridge Revisited【J】．電力電子技術(shù)。</p><p>　　[3】 李強(qiáng)，周希德 ．

36、車栽單相正弦脈寬調(diào)制IGBT逆變器 的研制 【J】．電力電子技術(shù)，1997，3l(2)． 作者簡(jiǎn)介 李 政(1981一)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡?力電子技術(shù)。 單慶曉(1973一)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。</p><p>　　[4】李 政， 單慶曉 一種低成本的車載逆變電源(國防科技大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410073)</p><p>　　[5】王兆安