车载逆变电源毕业设计方案.doc

摘 要车载逆变器就是一种能把汽车上12V直流电转化为220V/50Hz交流电电子装置,是惯用车用电子用品。在寻常生活中逆变器应用也很广泛,例如笔记本电脑、录像机和某些电动工具等。 本设计重要基于开关电源电路技术等基本知识，采用二次逆变实现逆变器设计。重要思路是：运用TL494以及SG3525A等芯片,先将12V直流电源升压为320V/50Hz高频交流电，再通过整流滤波将高频交流电整流为高压直流电，然后采用正弦波脉冲调制法，通过输出脉冲控制开关管导通。最后通过LC工频滤波及相应输入输出保护电路后，输出稳定准正弦波，供负载使用。本设计具备灵活以便、合用范畴广特点，基本可以满足实践需求。并且本设计采用高频逆变方式，具备噪声减少、反映速度提高以及电路调节灵活长处。设计符合逆变电源小型化、轻量化、高频化以及高可靠性、低噪声发展趋势。核心词：车载逆变器 ；脉冲调宽 ；保护电路 ；TL494 ；SG3525A；ABSTRACT Car inverter is a kind of vehicle that can be converted to 220V/50Hz 12V DC AC electronic device which is commonly used in automotive electronic products. The inverter applications are very broad in the daily life ，such as notebook computer，video recorder and electric tools etc. This design is mainly based on switch power supply circuit technology basic knowledge，using two inverter realize inverter design. The main idea uses the TL494 and SG3525A etc chip，the first 12 V dc power boost for 320 V/frequency 50 Hz high frequency alternating current，and rectification of high frequency ac filter will rectifier for high voltage dc and then using sine pulse regulation law，through the output pulse control switch tube conduction. Finally after LC industrial frequency filter and the corresponding input/output protection circuits，stable output prospective sine wave，used for load.The design is flexible and convenient，apply a wide range of features，can basically meet the demand of practice. Besides the design uses the high frequency inverter，with noise reduction，response speed and adjust the advantages of flexible circuit. Finally the design conforms to the power supply miniaturization，lightweight，high frequency and high reliability，low noise trend.Key words：car invert ；pulse width modulation；circuit protection；TL494；SG3525A ;目录1 绪论.1 1.1 车载逆变器及其发展.1 1.2 逆变电源技术发展.2 1.3 逆变电源发展趋势.52 设计总体目的.7 2.1 设计规定及系统指标.7 2.2 总体方案选用.83 整体电路设计.11 3.1 逆变电源整体框图.11 3.2 脉宽调制技术及其原理.13 3.3 正弦波脉宽调制技术.184 逆变电源重要集成芯片外围电路及其功能简介.21 4.1 TL494外围电路及其应用.21 4.2 SG3525A外围电路及其应用.23 4.3 ICL8038外围电路及其应用.284.4 IR2110外围电路及其应用315 逆变电源单元电路设计.35 5.1 DC/DC变换电路.35 5.2 DC/AC变换电路.36 5.3 输入过压保护电路38 5.4 输入欠压保护电路38 5.5 过热保护电路39 5.6 输出过压保护电路40 5.7 输出过流保护电路41道谢词43参照文献44附录.46 附录一 外文翻译46 附录二 逆变电源原理图631 绪论1.1 车载逆变器及其发展车载逆变电源是将汽车发动机或汽车电瓶上直流电转换为交流电，供普通电器产品使用，是一种较以便车用电源转换设备。它是惯用车用汽车电子用品。通过它可以在汽车上使用平时咱们用市电才干工作电器，例如电视机、笔记本电脑、电钻、医疗急救仪器、军用车载设备等，可应用于各个行业领域。按照输出波形来分，车载逆变电源可分为正弦波输出和方波输出两种。前者可提供不间断高质量交流电，可适应任何负载，但其技术规定及成本高，电路构造比较复杂。后者提供交流电质量较差，且带载能力差，不能接“感性负载”。虽有较多缺陷，但是其技术规定低，体积小，电路简朴，价格低。车载逆变电源按输出来分重要分两类，一类是修正正弦波逆变器和纯方波逆变器，另一类是正弦波逆变器。纯方波逆变器输出则是质量较差方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同步产生，这样，对负载和逆变器自身导致激烈不稳定影响。同步，其负载能力差，仅为额定负载40%60%，不能带感性负载1。如所带负载过大，方波电流中包括三次谐波成分将使流入负载中容性电流增大，严重时会损坏负载电源滤波电容2，方波逆变器制作办法采用简易多谐振荡器，其技术属于50年代水平，将逐渐退出市场。近年来浮现了准正弦波（或称改良正弦波、修正正弦波、模仿正弦波等等）逆变器，其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一种时间间隔，使用效果有所改进，但准正弦波波形依然是由折线构成，属于方波范畴，持续性不好。总括来说，正弦波逆变器提供高质量交流电，可以带动任何种类负载，但技术规定和成本均高。准正弦波逆变器可以满足咱们大某些用电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中主流产品。1.2 逆变电源技术发展概况逆变电源浮现于电力电子技术飞速发展20世纪60年代，逆变电源发展是和电力电子器件发展联系在一起，器件发展带动着逆变电源发展。最初逆变电源采用晶闸管(SCR)作为逆变器开关器件，称为可控硅逆变电源。由于SCR是一种没有自关断能力器件，因而必要通过增长换流电路来逼迫关断SCR，SCR换流电路限制了逆变电源进一步发展。随着半导体制造技术和变流技术发展，自关断电力电子器件脱颖而出，相继浮现了电力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等等。自关断器件在逆变器中应用大大提高了逆变电源性能。由于自关断器件使用，使得开关频率得以提高。从而逆变桥输出电压中低次谐波频率比较高，使输出滤波器尺寸得以减小，并且对非线性负载适应性得以提高。最初，对于采用全控型器件逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈PWM控制技术，其输出电压稳定是通过输出电压有效值或平均值反馈控制办法实现。采用输出电压有效值或平均值反馈控制办法具备构造简朴、容易实现长处，但存在如下缺陷：对非线性负载适应性不强；死区时间存在将使PWM波中具有不易滤掉低次谐波，使输出电压浮现波形畸变；动态特性不好，负载突变时输出电压调节时间长。为了克服单一电压有效值或平均值反馈控制办法局限性，实时反馈控制技术获得应用，它是近十年来发展起来新型电源控制技术，当前仍在不断地完善和发展之中，实时反馈控制技术采用使逆变电源性能有了质奔腾。实时反馈控制技术各种各样，重要有如下几种：(1)谐波补偿控制当逆变电源负载为整流负载时，由于负载电流中具有大量谐波，谐波电流在逆变电源内阻上压降致使逆变电源输出电压波形畸变，谐波补偿控制可以较好地解决这一问题，其是在逆变桥输出PWM波中加入特定谐波，抵消负载电流中谐波对输出电压波形影响，减小输出电压波形畸变。当前这种办法只能由高速数字信号解决器来实现。(2)无差拍控制1959年，Kalman初次提出了状态变量无差拍控制理论。1985年，Gokhale在PESC年会上提出将无差拍控制应用于逆变器控制。逆变器无差拍控制才引起了广泛注重。无差拍控制是一种基于微机实现控制办法。这种控制办法依照逆变电源系统状态方程和输出反馈信号来推算下一种采样周期开关时间，使输出电压在每个采样点上与给定信号相等。无差拍控制缺陷是算法比较复杂，实现起来不太容易，它对系统模型精确性规定较高，对负载大小变化及负载性质变化比较敏感，当负载大小变化及负载性质变化时不易获得抱负正弦波输出。(3)重复控制为了消除非线性负载对逆变器输出影响，在UPS逆变器控制中引入了重复控制技术。Haneyoshi及Kawamura等人一方面在PWM逆变器中采用重复控制消除周期性畸变。日后，邹应屿等人进一步完善了逆变器重复控制理论，给出了一种重复控制器设计办法，提出了自适应重复控制理论。重复控制是一种基于内模原理控制办法，它将一种基波周期偏差存储起来，用于下一种基波周期控制，通过几种基波周期重复可达到很高控制精度。在这种控制办法中，加到控制对象输入信号除偏差信号外，还迭加了一种“过去控制偏差”，这个“过去控制偏差”是上一种基波周期中控制偏差，把上一种基波周期偏差反映到当前和“当前偏差以称为重复控制。它突出特点是稳态特性好，控制鲁棒性强。但重复控制控制实时性差，动态响应速度慢。因而，重复控制普通都不单独使用来完毕逆变器控制，而是与其他控制方式相结合，共同来提高整个系统性能。(4)滑模变构造控制滑模变构造控制理论起于20世纪50年代，它最明显特点是对参数变动和外部扰动不敏感，因而非常合用于闭环反馈控制电能变换器。初期滑模变构造控制器采用模仿电路实现，广泛应用于电力拖动系统中。20世纪90年代中后期。台湾邹应屿和香港大学LKWang等人将离散滑模变构造控制理论应用到UPS逆变器中，获得了良好控制效果。滑模变构造控制实质上是一种非持续开关控制办法，它逼迫系统跟踪误差及其导数运营于相平面一条固定滑模曲线上，与系统参数变动及外部扰动无关，因而系统有极强鲁棒性。但是，就波形跟踪质量来说，滑模控制不及重复控制和无差拍控制。(5)单一电压瞬时值反馈控制这种控制办法基本思想是把输出电压瞬时反馈值与给定正弦波进行比较，用瞬时偏差作为控制量，对逆变桥输出PWM波进行动态调节。和老式PWM控制办法相比，由于该办法能对PWM波进行动态调节，故系统迅速性、抗扰性、对非线性负载适应性、输出电压波形品质等都比老式PWM控制办法有所提高。这种办法缺陷是系统稳定性不好，特别是空载时，输出电压容易振荡。系统稳定性问题限制了电压调节器增益提高，因而输出电压波形品质还不是较好。(6)带电流内环电压瞬时值反馈控制带电流内环电压瞬时值反馈控制办法是在单一电压瞬时值反馈控制办法基本上发展而来。在这种办法中，不但引入输出电压瞬时值反馈，还引入滤波电容电流或滤波电感电流瞬时值反馈。电压环是外环，电流环是内环。电流环具备将滤波电容电流或滤波电感电流改造为可控电流源作用，这样控制输入和输出电压之间形成了具备单极点传递函数，因而系统稳定性大大提高，克服了单一电压瞬时值反馈控制系统空载容易振荡缺陷。由于稳定性提高使得电压调节器增益可以取比较大值，因此突加突卸负载时输出电压动态特性大大提高，抗扰性大大提高，对非线性负载适应性也大大提高3。1.3 逆变电源发展趋势随着电力电子技术飞速发展和各行各业对逆变器控制性能规定提高，逆变电源也得到了进一步发展，当前，逆变电源发展趋势重要集中在如下几种方面：(1)高频化提高逆变电源开关频率，可以有效地减小装置体积和重量，并可消除变压器和电感音频噪声，同步改进了输入电压动态响应能力。此外，为了进一步减小装置体积和重量，必要去掉笨重工频隔离变压器，采用高频隔离。高频隔离可以采用两种方式实现：在整流器与逆变器之间加一级高频隔离DCDC变换器；采用高频链逆变技术。高频化仅限于小容量逆变电源。在大容量逆变电源中，由于工频变压器引起矛盾相对不如小容量UPS突出，并且大容量高频逆变器、整流器和高频变压器制作也分别受到高频开关器件容量和高频磁性材料限制。(2)高性能化高性能重要指输出电压特性高性能，它重要体当前如下几种方面：稳压性能好，空载及负载时输出电压有效值要稳定；波形质量高，不但规定空载时波形好，带载时波形也要好，对非线性负载适应性要强；突加突减负载时输出电压瞬态响应特性好；电压调制量小；输出电压频率稳定性好；对于三相电源，带不平衡负载时相电压失衡小。输出电压高性能是用电设备对逆变电源规定，控制方式改进是逆变电源达到高性能重要手段。(3)并联及模块化当今逆变电源发展趋向是大功率化和高可靠性。虽然当前已经能生产几千千伏安大型逆变电源，完全可以满足大功率规定场合，但是，这样整个系统可靠性完全由单台电源决定，无论如何是不也许达到很高。为了提高系统可靠性，就必要实现模块化。模块化意味着顾客可以以便地将小容量模块化电源任意组合，构成一种较大容量逆变电源。模块化需要解决逆变电源之间并联问题，逆变电源并联要比直流电源并联复杂，它面临着负荷分派、环流补偿、通断控制等多方面问题。但是，逆变电源并联运营可以带来如下几种方面好处：1)可以用来灵活地扩大电源系统容量；2)可以构成并联冗余系统以提高运营可靠性；3)具备极高系统可维修性。当单台电源浮现故障时，可以很以便地通过热插拔方式进行更换和维修。(4)小型化在逆变电源中，决定整个装置体积和重量某些是变压器和LC滤波器，变压器也许放在输入某些，也也许放在输出某些，起电压隔离或电压匹配作用；LC滤波器用于滤除PWM波中高次谐波，滤波器尺寸与PWM波频谱特性关于。要使逆变电源小型化，可以采用办法有三种：1)提高开关频率，使滤波器小型化；2)采用新PWM控制方式，优化逆变桥输出PWM波频谱，使滤波器小型化；3)用高频变压器实现电压隔离及匹配，代替输入或输出低频变压器，实现变压器小型化。(5)高输入功率因数化对于交流输入逆变电源，中间环节直流电源普通由二极管整流获得，其输入电流成尖脉冲状，因而，输入功率因数不高。提高整流侧输入功率因数不但可大大提高逆变电源对输入电能运用率，并且可以克服逆变电源对电网产生谐波污染缺陷。(6)数字化逆变电源数字化并不是简朴指在系统中应用了数字器件，如单片机及FPGA等，而是指整个系统控制应用数字器件计算能力和离散控制办法来完毕，随着硬件技术发展解决器计算速度提高，必然促使逆变电源向数字化方向发展。(7)智能化一种智能化逆变电源除了可以完毕普通逆变电源所有功能外，还应具备如下功能：1)对运营中逆变电源进行监测，随时将采样点状态信息送入计算机进行解决，一方面获取电源工作时关于参数，另一方面监视电路中各某些状态，从中分析电路各某些工作与否正常；2)在逆变电源发生故障时，依照监测成果，进行故障诊断，指出故障部位，给出解决办法；3)自动显示所监测参数，有异常或发生故障时，可以自动记录关于异常或故障信息；4)按照技术阐明书给出指标，自动定期地进行自检，并形成自检记录文献；5)可以用程序控制逆变电源启动和停止，实现无人值守自动操作；6)具备信息互换功能，可以随时向上位机输入信息，或从上位机获取信息4。 2 设计总体目的2.1 设计规定及系统指标车载逆变器是一种可以将 DC/12V 直流电转换为和市电相似 AC/220V 交流电，供普通电器使用，是一种以便车用电源转换器。普通设备工作空间狭小，环境恶劣，干扰大。因而对电源设计规定也很高，除了具备良好电气性能外，还必要具备体积小，重量轻，成本低，可靠性高，抗干扰强等特点。逆变电源质量好坏极大地影响着电子设备可靠性，其转换效率高低和带负载能力强弱直接关系着它应用范畴，因而本设计规定输出电压波形为准正弦波，以克服方波逆变器不能带感性负载特点。本设计对逆变电源规定有：1、 输入直流电压12V或24V2、 输出220V50Hz交流电3、 驱动器件:IR2110 隔离光耦:6N136 主功率器件:60N1004、 专用芯片用TL4945、 输出电压波动时使V4导通，V3关断，=；当时使V4关断，V3导通，=0。在负半周，V1保持断态，V2保持通态，当时使V3关断，V4导通，=0。这样，就得到了SPWM波形。图中虚线表达中基波分量。像这种在半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范畴内变化，所得到PWM波形也只在单个极性范畴变化控制办法方式称为单极性PWM控制办法。图3.7 单极性PWM控制方式波形和单极性PWM控制方式相相应是双极性控制方式。图3.4单相桥式逆变电路在采用双极性控制方式时波形如图3.6所示。采用双极性方式时，在半个周期内，三角形载波不再是单极性，而是有正有负，所得到PWM波也是有正有负。在一种周期内，输出PWM波只有正负两种电平，而不象单极性控制时尚有零电平。依然在调制信号和载波信号交点时刻控制各开关器件通断。在正负半周，对各开关器件控制规律相似。即当时，给V1和V4以导通信号，给V2和V3以关断信号，这时如0，则V1、V4通，如果0，则VD1和VD4通，不论哪种状况都是输出电压=。当时，给V2和V3以导通信号，给V1和V4以关断信号，这时0，则CD2和VD3通，不论哪种状况都是= -。图3.8 双极性PWM控制方式波形可以看出，单相桥式电路既可采用单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制规律不同，它们输出波形也有较大差别。3.3 正弦波脉宽调制技术实现办法 3.3.1软件生成法由于微机技术发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因而，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制办法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。 自然采样法是以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形自然交点时刻控制开关器件通断，这就是自然采样法。其长处是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一种周期内不等距，从而脉宽表达式是一种超越方程，计算繁琐，难以实时控制。 规则采样法是一种应用较广工程实用办法，普通采用三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波交点时刻控制开关器件通断，从而实现SPWM法。当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波交点所拟定脉宽，在一种载波周期(即采样周期)内位置是对称，这种办法称为对称规则采样。当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波交点所拟定脉宽，在一种载波周期(此时为采样周期两倍)内位置普通并不对称，这种办法称为非对称规则采样7。 规则采样法是对自然采样法改进，其重要长处就是是计算简朴，便于在线实时运算，其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦。其缺陷是直流电压运用率较低，线性控制范畴较小。除上述两种办法外，尚有一种办法叫做等面积法。该方案事实上就是SPWM法原理直接阐释，用同样数量等幅而不等宽矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表方式生成PWM信号控制开关器件通断，以达到预期目。由于此办法是以SPWM控制基本原理为出发点，可以精确地计算出各开关器件通断时刻，其所得波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制缺陷。 3.3.2硬件调制法硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐缺陷而提出，其原理就是把所但愿波形作为调制信号，把接受调制信号作为载波，通过对载波调制得到所盼望PWM波形。普通采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到就是SPWM波形。其实现办法简朴，可以用模仿电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来拟定它们交点，在交点时刻对开关器件通断进行控制，就可以生成SPWM波8。并且随着电力电子技术发展，当前已经产生了各种可以产生SPWM波芯片，如TL494、SG3525A等，这些集成芯片浮现使得电路设计大大简化，并且功能更加齐全。本次设计就采用硬件调制法，通过使用脉冲调制芯片来产生所需要正弦脉冲调宽波。4 逆变电源重要集成芯片外围电路及其功能简介4.1 TL494外围电路及其应用1.TL494外围电路图4.1 TL494外围电路图50HZ脉冲产生芯片TL494外围电路如上图所示：15脚为芯片TL494反相输入端，16为同相输入端，电路正常状况下15脚电压应略高于16脚电压才干保证误差比较器输出为低电平，才干使芯片内两个三极管正常工作。由于芯片内置5V基准电压源，负载能力为10mA。因此15脚电压应高于5V。过热保护R4为200，则15脚电压为6.22V不不大于16脚电压。14脚输出基准电压，由于推挽电路为双端输出，故将输出控制端13脚与14脚连在一起。12脚为电源端，接外部12V电压。8、11脚末级三极管集电极，此处亦接外接电源。9、10引脚用于输出50K脉冲控制开关管。7脚为接地端，5、6脚外接震荡电阻和电容用于控制输出脉冲频率。4脚为死区控制端其上加0-3.3V电压时，可使截止时间从2%线性变化到100%，本设计中