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随着社会的发展和科技的进步,新型电力电子器件和电力电子技术的产品逐渐进入我们的日常生活中。
依据逆变技术的原理设计出来的一款生活中用到的逆变电源,该逆变电源了应用开关电源电路技术有关知识,涉及模拟集成电路、电源集成电路、直流稳压电路、开关稳压电路等原理,同时运用芯片TL494的固定频率脉冲宽度调制电路及场效应管N沟道增强型MOSFET的开关速度快、无二次击穿、热稳定性好等一系列优点而组合设计的电路。
该逆变电源的主要组成部分为:
DC/DC电路、过热保护电路、DC/AC变换电路、振荡电路、全桥电路。
在工作时的持续输出功率为200W,具有工作正常指示灯,在无电时报警等功能。
逆变电源的制造成本较为低廉,实用性强,可作为多种便携式电器通用的电能来源,来解决生活中遇到电子产品无电的问题。
该逆变电源可将电瓶的12V直流电转换为220V/50Hz的交流电,供数码相机、CD机、MD唱机、笔记本电脑、小型录像机、电动剃须刀、手机等便携式产品使用。
关键词:
逆变电路电源过载保护经济性
逆变电源的设计
一、设计的基本要求
1、逆变电源的用途
随着社会的发展和科技的进步,新型电力电子器件和电力电子技术的产品逐渐进入我们的日常生活中,采用高频链的方案来实现无工频变压器的逆变电路,来解决生活中遇到电子产品无电的问题。
因此具有相当强的通用性。
逆变电源是一种携带方便的电源转换器,该电源的制作成本低,批量生产成本更低,并且当印制板尺寸不受限制时,逆变电源的市场前景十分广阔。
2、主要技术数据
输出交流220V/50Hz
输入电压:
直流12V
输出功率:
200W
可作为多种电器的通用电源。
转换效率:
87%
空载损耗:
0.7A
故障显示:
红灯闪烁并蜂鸣报警
保护功能:
过载、过流、短路、高温、反接等报警保护
散热风扇:
温度控制
滤波器参数取L=3mH,C=2.2
3、设计内容
逆变电路的选择
晶闸管电流、电压额定的选择
平波电抗器电感值的计算
保护电路的设计
驱动电路的设计
画出完整的主电路原理图和控制电路原理图
列出主电路所用元器件的明细表
4、TL494工作原理
TL494是一种固定频率脉冲宽度调制电路,包含了开关电源控制所需的全部功能,广泛用于单端正激双管式、半桥式以及全桥式开关电源。
其内置线性锯齿波振荡器,振荡频率可以通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。
输出电容的脉冲其实是通过电容上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现的。
功率输出管Q1和Q2受控于或非门,当双稳触压器的时钟信号为低电平时才会被通过,即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。
当控制信号增大,输出脉冲的宽度将减小。
控制信号由集成电路外部输入,一路送至时间死区时间比较器,一路送往误差放大器的输入端。
死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压,它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波的周期4%,当输出端接地,最大输出占空比为96%,而输出端接参考电平时,占空比为48%。
当把死区时间输入端接上固定的电压,即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。
脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段:
当反馈电压从0.5V变化到3.5时,输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降为零。
TL494是一个固定频率PWM控制电路,其性能如下:
1)输入电源电压为7~40V,可用稳压电源作为输入电源,从而使辅助电源简化。
TL494末级的两只三极管在7~40V范围工作时,最大输出电流可达250mA。
因此,其带负载能力较强,即可按推挽方式工作,也可将两路输出并联工作,小功率时可直接驱动。
2)内部有5V参考电压,使用方便,当参考电压短路时,有保护功能,控制很方便。
3)内部有一对误差放大器,可做反馈放大及保护功能,控制非常方便。
4)在高频开关电源中,输出方波必须对称,在其他一些应用中又需要方波人为不对称,即需控制方波的占空比。
通过对TL494的4脚控制,即可调节占空比,还可用作输出软启动保护。
TL494引脚功能表
TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡器、死区时间比较器、误差放大器、PWM比较器以及输出电路等组成,各引脚功能见下表:
引脚
符号
功能
典型电压
1
V1(+)
误差放大器1误差信号输入端(同相信号端)
2.6
2
V1(-)
误差放大器1误差信号输入端(反相信号端)
3
VOUTC
误差放大器1和2输出信号补偿元件连接段
4
CONT
死区控制信号输入端,所加控制电压可调输出脉冲宽度
0.3
5
CT
振荡器外接振荡电容连接端,与6脚外接的电阻一起可产生频率f=1.1/Rc的锯齿信号
0.4-4v
6
RT
振荡器外接振荡电阻连接端,见5脚说明
3.7
7
GND
基准电源电源电路接地线端
8
CA
推挽电路输出信号端A,输出电压可达40V,电流为200mA(反相输出)
0-15v
9
EA
推挽电路输出信号端A,属同相信号输出端
10
EB
推挽电路输出信号端B,属同相信号输出端
11
CB
推挽电路输出信号端B,输出电压可达40V,电流为200mA(反相输出)
与8脚等相位差180度的脉冲波
12
VccIN
工作电源电压输入端
25
13
OUTCON
输出方式设定信号输入端。
当该脚接基准电压是,输出呈推挽型,输出方波最大占空比为48%;
当该脚接地是内部二个输出晶体管并联工作输出电流可达400mA,最大占空比为96%
14
+5
+5V基准电源输出端,可输出5V的基准参考电压
15
V2(-)
误差放大器2误差信号输入端(反相信号端)
5.4
16
V2(+)
误差放大器2误差信号输入端(同相信号端)
5、场效应管
场效应管(FET)是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件,由于它是靠半导体中的多数载流子导电,又称单机型晶体管,场效应管不但具备双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长等优点,而且输入回路的内阻高达107-1012Ω,噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强,而且比后者耗电省,这些优点使之从20世纪60年代诞生起就广泛地应用于各种电子电路之中。
分为结型和绝缘栅型两种结构。
场效应管是一种适应开关电源小型化、高效率化和高可靠性要求的理想器件。
是利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件,这种器件不仅有开关速度快、无存储时间、体积小、重量轻、耗电省、寿命长等优点,而且还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点。
因此大大的扩展了它的应用范围,特别是在大规模和超大规模集成电路中得到的应用更为广泛。
MOSFET开关较快而无存储时间,故在较高工作频率下开关损耗较小,并且所需的开关驱动功率小,降低了电路的复杂性。
本设计采用的是N沟道增强型MOSFET。
在正的漏极电源的作用下,在栅源之间加上正向电压(栅极接正,源极接负),才能使该场效应管导通。
当
>
0时才有可能有电流即漏极电流产生。
即当
时MOS管才导通。
MOSFET代表符号图
二、总体方案的确定
1、逆变电源的基本工作原理
如下图的以单相桥式逆变电路为例,说明其最基本的工作原理。
图中S1~S4是桥式电路的4个臂,他们由电力电子器件及其辅助电路组成。
当开关S1、S4闭合,S2、S3断开时,负载电压u0为正;
带开关S1、S4断开,S2、S3闭合时u0为负。
其波形如图所示,这样就把直流电变成交流电,改变两组开关的切换频率,即改变输出交流电的频率。
这就是逆变电路的最基本得工作原理。
当负载为电阻时,负载电流i0和电压u0的波形形状相同,相位也相同。
当负载为阻感时,i0相位滞后于u0,两者波形的形状也不同,图中给出的就是阻感负载时的i0波形。
设t1时刻以前S1、S4导通,u0和i0均为正。
在t1时刻断开S1、S4,同时合上S2、S3,则u0的极性立刻变为负,但是,因为负载中有电感,其电流方向不能立刻改变而仍维持原方向。
这时负载电流从直流电源负极流出,经S2、负载、S3流回正极,负载电感中储存的能量向直流电源反馈,负载电流逐渐减小,到t2时刻降为零,之后i0才反向并逐渐增大。
S2、S3断开,S1、S4闭合时的情况类似。
上面是S1~S4均为理想开关时的分析,实际电路的工作过程要复杂一些。
逆变电路图
输出波形图
2、逆变电源的优点
1)经济性好
逆变电源可将12V直流电转换为220V/50Hz的交流电,供数码相机、CD机、MD唱机、笔记本电脑、小型录像机、电动剃须刀、手机等便携式产品使用,因此具有相当强的通用性。
这种逆变电源在工作时的持续输出功率为200W,并且具有过压保护、过流保护以及过热保护等功能。
这种电源的制造成本比较低廉,千台以上数量的批产成本仅在30元/台左右,并且当印制板的尺寸不受限制时,可以将输出功率做到200W以上,因此该逆变电源几乎可以替代目前市场上所售的各种逆变器或者逆变电源产品,其应用前景十分广阔。
2)高性能价格比
逆变电源的大批制造成本比较低,再者是我们日常生活中能够救急的装备,以及现运行的综合自动化变电所中,一般设后台监控微机,通讯设备多为微波及光纤机等,此类监控和通讯设备工作电源为交流电源,要做到不间断供电以满足四遥要求,不同的设备须单独装设不间断电源和蓄电池组。
而变电所中装设逆变电源可直接利用所用直流电源系统的大容量蓄电池提供交流电源,比UPS供电方案节约了投资费用,也避免了蓄电池组的重复投资,减少了维护工作量,降低了运行成本。
逆变电源设计为标准19英寸模块或可内嵌到19英寸机柜内,功率密度大、体积小、重量轻,相对其它电源节约占地空间。
该模块采用自然降温方式,噪音小,安装在19英寸机架内,与电信机房内的其它设备在物理结构上兼容,便于设计和摆放安装。
3)高可靠性
变电所中装设的直流电源系统,可靠性高、寿命长,采用直流动力加逆变器方案,利用所用直流电源系统的监控功能和逆变器的通讯功能可远方实时监视逆变电源的运行状态。
由于变电所直流电源系统蓄电池容量大,电网断电后不间断供电时间大大延长,真正起到了保安电源的作用,提高了其供电可靠性。
电力逆变器是新一代的DC/AC电源产品,输入为220V直流电,输出为220V、50Hz正弦波交流电,输入输出端完全与市电隔离,避免了市电波动对负载的影响,而完全与市电隔离,还可避免雷电等过电压造成的电源板烧毁事故,提高了负载的安全性。
4)维护维修方便
模块化真冗余可并联逆变电源系统中如果个别模块发生故障,在不停电的情况下用户可以自行热插拔模块,进行更换。
三、具体电路设计
1、主电路设计
12V直流电压经过高频逆变和高频整流,得到一个符合要求的350V直流电压,该部分的控制信号由TL494芯片产生。
再经过全桥DC/AC逆变电路,得到220V/50Hz交流电压输出。
为保证系统可靠运行,防止主电路对控制电路的干扰,采用主、控电路完全隔离的方法,即驱动信号用光耦隔离,反馈信号用变压器隔离,辅助电源用变压器隔离等。
对于整个系统而言,逆变电路能否正常工作决定了整个系统能否正常运行。
设计的重点在逆变器的控制和检测上。
输入12V直流电源电压,经过逆变电路得到220V/50KHz的交流电,此交流电再经过整流滤波电路得到220V高压直流电,然后再经过逆变得到220V/50Hz交流电。
其中过流保护电路、过热保护电路构成整个电路的保护电路。
当输入电压出现过大或者过小时,保护电路就会启动,停止逆变电路的工作,过热保护电路是当电路工作温度过高时,启动保护使逆变电路停止工作。
输出过压保护电路与逆变电路构成反馈回路,当电路输出异常则停止逆变电路的工作。
在逆变电路中是用一块TL494芯片产生50KHz的脉冲频率,经过变压器电路将12V直流转换成220V/50KHz的交流电。
在第二个逆变电路中也用一块TL494芯片产生50Hz的脉冲波,全桥电路以50Hz的频率交替导通,从而将220V直流和50Hz脉冲电路整合,然后输出220V/50Hz的交流电。
车载电源系统结构
2、过电流保护电路设计
过电流保护采用电流互感器作为电流检测元件,其具有足够快的响应速度,能够在IGBT允许的过流时间内将其关断,起到保护作用。
如图所示,过流保护信号取自CT2,经分压、滤波后加至电压比较器的同相输入端,当同相输入端过电流检测信号比反相输入端参考电平高时,比较器输出高电平,使D2从原来的反向偏置状态转变为正向导通,并把同相端电位提升为高电平,使电压比较器一直稳定输出高电平。
同时,该过电流信号还送到SG3525的脚10。
当SG3525的脚10为高电平时,其脚11及脚14上输出的脉宽调制脉冲就会立即消失而成为零。
过电流保护
3、驱动电路的设计
驱动电路在主电路和控制电路之间,用来对控制电路的信号进行放大的中间电路,即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管,称为驱动电路。
驱动电路的基本任务是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求,转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间,可以使其开通或关断的信号。
驱动电路的设计既要考虑在功率管需要导通时,能迅速地建立起驱动电压,又要考虑在需要关断时,能迅速地泄放功率管栅极电容上的电荷,拉低驱动电压。
具体驱动电路如图:
驱动电路
其工作原理是:
当光耦原边有控制电路的驱动脉冲电流流过时,光耦导通,使Q1的基极电位迅速上升,导致D2导通,功率管的栅极电压上升,使功率管导通;
当光耦原边无控制电路的驱动脉冲电流流过时,光耦不导通,使Q1的基极电位拉低,而功率管栅极上的电压还为高,所以导致Q1导通,功率管的栅极电荷通过Q1及电阻R3迅速泄放,使功率管迅速可靠地关断。
对于功率管的保护同样重要,所以在功率管源极和漏极之间要加一个缓冲电路避免功率管被过高的正、反向电压所损坏。
四、附录
实验原理图
PCB图
元件参数表
装配位号
装配参数
C1
22
F/16V
C2
47
F/16V
C3
C4
4700pF
C5
2200
C6
C7
C8
0.1
F
C9
0.01
C10
C11
0.22
C12
F/400V
C14
F/1000V
C13
F/50V
VD1~VD4
1N4148
C15
VD9~VD11
VD5~D8
HER306
VD13
VD12
FR107
DZ1
15V/0.5W
VD14
IC1、IC2
TL494CN
DZ2
30V/0.5W
VT1、VT3
8550
LED
绿色Ф3
VT5、VT8
KSP44
VT2、VT4
IRF3205
VT9、VT10
IRF740
VT6、VT7
R2
39K
R1
36K
R4
270
R3
100K
R6
4.7K
R5
R8~R11
R7
4.3K
R13
10K
R12
470K
R15
R14
220K
R17、R18
1K
R16
R20
R19
3.3K
R22
R21
R25
R23、R24
R27
R26
16K
DCIN
12V/DC
XAC
弹片插孔
Rt
150
T1
EI33
R28、R29
--
五、心得与总结
经过了一周半的的电力电子课程设计,这次我的课题方向是:
有源、无源逆变技术的工程应用(含逆变的组合电路也可),主要是探讨设计电路并做仿真。
本次电力电子课程设计中,以单相全控桥式有源逆变电路为研究对象,对其原理做了很深入的理解。
通过本次电力电子课程设计,暴露出了我在平时学习电力电子技术这门课程中存在的问题,在学习中只局限于课本知识,没有去深入探索新知识,至使在本次课程设计中出现当拿到课题后毫无头绪、无从下手的感觉;
在学习了电力电子这门学科后,没能很好的将本学科中的知识互相联系,也没能将本学科和模拟电子技术、数字电子技术等学科相互联系,造成了在设计触发电路时遇到很大的困难,最终在老师的指导和同学的帮助下才完成;
缺少实际操作能力,忽视了电力电子技术主要在于应用这一点,在设计时由于缺少实践经验,对参数的估算以及各元件参数的设定都走了很多弯路。
本次的课程设计需要查询大量的资料阅读大量的期刊,提高了文献检索的能力,特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。
通过本次设计明白了不是任何信息都能在网络中轻易得到,还是需要自己的耐心寻找和仔细的筛选,找出真正对自己有用的信息。
同时,通过本次课程设计使我明白了当面对实际的电力电子技术方面问题时,要能够将自己的理论知识与其结合起来,对以后的学习和工作有了更好的指导。
六、参考文献
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机械工业出版社,2009
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清华大学出版社,2006
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高等教育出版社,2004
都永超,朱汉林,无线电(期刊)[J],北京:
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黄燕,常用电子设备开关电源检修方法[M],北京:
科学出版社,2002
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夏路易,石宗义,电路原理图与电路板设计教程protel99se[M],北京:
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赵良炳,现代电力电子技术基础,北京:
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