一、 設(shè)計(jì)的基本要求

　　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。設(shè)計(jì)汽車逆變電源，提出了一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

　　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 。

　　二、 總體方案的確定

　　1、總體介紹：

　　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(guó)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(gòu)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電器的安全。還要注意車用逆變器的波形，方波的轉(zhuǎn)換器會(huì)造成供電不穩(wěn)定，可能損傷所使用的電器，所以最好選正弦波或修正正弦波形的最新型的車載逆變器。達(dá)到性能要求：

　　2、經(jīng)濟(jì)性好：

　　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)。

　　三、 具體電路設(shè)計(jì)

　　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),提出了一種方波逆變器的制作方法并加以調(diào)試。

　　1 、系統(tǒng)基本原理

　　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。

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　　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。

　　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。

　　2、 DC/DC變換

　　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,可提高占空比,增大輸出功率。

　　雙端工作的方波逆變變壓器的鐵心面積乘積公式

　　AeAc=Po(1+η)/(ηDKjfKeKcBm) (1)

　　式中

　　Ae(m2)為鐵心橫截面積;

　　Ac(m2)為鐵心的窗口面積;

　　Po為變壓器的輸出功率;

　　η為轉(zhuǎn)換效率;

　　δ為占空比;

　　K是波形系數(shù);

　　j(A/m2)為導(dǎo)線的平均電流密度;

　　f為逆變頻率;

　　Ke為鐵心截面的有效系數(shù);

　　Kc為鐵心的窗口利用系數(shù);

　　Bm為最大磁通量。

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　　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),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

　　3、 DC/AC變換

　　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。

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　　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。

　　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)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

　　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。

　　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)電路通過減小RS和改善電路布線可以使這個(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因門極為高電平而飽和導(dǎo)通，從而在功率開關(guān)管的門極形成了一個(gè)極低阻抗的通路，將功率開關(guān)管的門極電壓箝位在0V，基本上消除了上文中提到的電壓尖刺。

　　在使用這個(gè)電路時(shí)，要注意使MC2D、S與功率開關(guān)管GE間的連線盡量短，以最大限度地降低功率開關(guān)管門極寄生電感和電阻。在電路板的排布上，MC2要盡量靠近功率開關(guān)管，而MC1,RC1和RC2卻不必太靠近MC2，這樣既可以發(fā)揮該電路的作用，也不至于給電路板的排布帶來(lái)很大困難。用雙極型晶體管(如8050)同樣可以實(shí)現(xiàn)上述電路的功能。雙極型晶體管是電流型驅(qū)動(dòng)，其基極必須要串聯(lián)電阻。為了加速其關(guān)斷，同時(shí)防止其本身受到干擾，基極同樣需要并聯(lián)下拉電阻，這樣就使電路更加復(fù)雜。

　　同時(shí)，要維持雙極型晶體管飽和導(dǎo)通，其基極就必須從電源抽取電流，在通常的應(yīng)用場(chǎng)合這并無(wú)太大影響，但在自舉驅(qū)動(dòng)并且是SPWM的應(yīng)用場(chǎng)合，這些抽流會(huì)大大加重自舉電容的負(fù)擔(dān)，容易使自舉電容上的電壓過低而影響電路的正常工作。因此選用MOSFET來(lái)構(gòu)成上述門極關(guān)斷箝位電路?？梢钥吹皆陂T極有一個(gè)電壓尖刺，這個(gè)尖刺與門極脈沖的時(shí)間間隔剛好等于死區(qū)時(shí)間，由此可以證明它是在同一橋臂另一開關(guān)管開通時(shí)產(chǎn)生的。此時(shí)電壓尖刺基本消除。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電路確實(shí)可以抑制和消除干擾，有一定的使用價(jià)值，可以提高電路的可靠性