逆变电源设计.docx
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逆变电源设计
湖南工程学院
课程设计任务书
课程名称:
电力电子技术
题目:
逆变电源设计
专业班级:
电气工程0983
学生姓名:
焦子弦学号:
07
*******
审批:
任务书下达日期2012年5月29日
设计完成日期2012年6月8日
设计内容与设计要求
一.设计内容:
1.电路功能:
1)电路由主电路与控制电路组成,主电路主要环节:
功率变换(高频逆变)、高频滤波。
控制电路主要环节:
脉冲发生电路、脉宽调制PWM、电压电流检测单元、驱动电路。
2)功率变换电路中的高频开关器件采用IGBT或MOSFET。
3)系统具有完善的保护
2.系统总体方案确定
3.主电路设计与分析
1)确定主电路方案
2)主电路元器件的计算及选型
3)主电路保护环节设计
4.控制电路设计与分析
1)检测电路设计
2)功能单元电路设计
3)触发电路设计
4)控制电路参数确定
二.设计要求:
1.设计思路清晰,给出整体设计框图;
2.单元电路设计,给出具体设计思路和电路;
3.分析所有单元电路与总电路的工作原理,并给出必要的波形分析。
4.绘制总电路图
5.写出设计报告;
主要设计条件
1.设计依据主要参数
1)输入电压:
DC12V
2)输出电压:
AC220/50(+2)HZ1A
3)电压调整率:
≤1%
4)负载调整率:
≤1%
5)效率:
≥0.8
6)功率因数:
≥0.8
2.可提供实验与仿真条件
说明书格式
1.课程设计封面;
2.任务书;
3.说明书目录;
4.设计总体思路,基本原理和框图(总电路图);
5.单元电路设计(各单元电路图);
6.故障分析与电路改进、实验及仿真等。
7.总结与体会;
8.附录(完整的总电路图);
9.参考文献;
11、课程设计成绩评分表
进度安排
第一周星期一:
课题内容介绍和查找资料;
星期二:
总体电路方案确定
星期三:
主电路设计
星期四:
主电路设计
星期五:
控制电路设计;
第二周星期一:
控制电路设计
星期二:
电路原理及波形分析、实验调试及仿真等
星期三~四:
写设计报告,打印相关图纸;
星期五:
答辩及资料整理
参考文献
[1].石玉栗书贤.电力电子技术题例与电路设计指导.机械工业出版社,1998
[2].王兆安黄俊.电力电子技术(第4版).机械工业出版社,2000
[3].浣喜明姚为正.电力电子技术.高等教育出版社,2000
[4].莫正康.电力电子技术应用(第3版).机械工业出版社,2000
[5].郑琼林.耿学文.电力电子电路精选.机械工业出版社,1996
[6].刘祖润胡俊达.毕业设计指导.机械工业出版社,1995
[7].刘星平.电力电子技术及电力拖动自动控制系统.校内,1999
[8].康华光,陈大钦.电子技术基础[M].北京:
高等教育出版社,1998:
451—459.
[9].薛永毅,王淑英,何希才,新型电源电路应用实例,电子工业出版社,2001.10
1概述
该电源的设计主要要应用到功率转换、高频滤波等知识点,并且需要了解脉冲发生电路、脉宽调制PWM等电路。
该电路可以将电瓶的12V直流电转换为220V/50HZ的交流电,为随身携带的许多电子产品提供稳定可靠的电源,具有相当强的通用性。
1.1设计思路
本电路的设计思路框图如下图1所示。
该电路由12V直流输入、输入过压保护电路、过热保护电路、逆变电路I、220V/50KHZ整流滤波、逆变电路II、输出过压保护电路等组成。
逆变电路I、逆变电路II的狂徒分别见图2、图3。
逆变电路包括频率产生电路(50KHZ和50HZPWM脉冲宽度调制电路)、直流变换电路(DC/AC)将12V直流转换成220V直流。
交流变换电路(DC/AC)将12V直流变换为220交流。
1.2基本原理
(1)逆变电路原理
逆变电路I原理如图2所示。
此电路的主要功能是将12V直流电转换为220V/50KHZ的交流电。
逆变电路II如图3所示。
此电路的主要功能是将220V直流电转换为220V/50HZ的交流电。
全桥电路以50HZ的频率交替导通,产生50HZ交流电。
(2)电路工作原理
输入12V直流电源电压,经过逆变电路I得到220V/50KHZ的交流电,此交流电在经过整流滤波电路得到220V高压直流电,然后经过逆变电路II得到220V/50HZ交流电。
其中输入过压保护电路。
、输出过压保护电路、过热保护电路构成整个电路的保护电路。
一旦输入电压出现过大或者过小时,保护电路立即启动,然后停止逆变电路I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I停止工作。
输出过压保护电路与逆变电路II构成反馈回路,一旦电路输出异常则停止逆变电路II的工作。
在逆变电路I中使用一块TL494芯片产生50KHZ的脉冲频率,经过变压器推挽电路将12V直流转换成220V/50KHZ的交流电。
在逆变电路II中再使用一块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220V50HZ的交流电。
在该电路中都是利用TL494的输出端作为逆变电路工作状态的控制端。
2单元电路设计
2.1主电路
2.1.1功率变换
2.2.2高频滤波
2.2控制电路
2.2.1脉宽调制PWM
TL494是一种固定频率脉冲宽度调制电路,它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、板桥市以及全桥式开关电源。
TL494有SO——16和PDIP——16两种封装形式,以适应不同场合的要求。
(1)主要特征
继承了全部的脉冲宽度调制电路。
TL494内置现行锯齿波振荡器,外置振荡元件仅两个(一个电阻和一个电容)。
TL494内置误差放大器。
TL494内置5V参考基准电压源。
可调整死区时间。
TL494内置功率晶体管,可提供500MV的驱动能力。
有推或拉两种输出方式。
(2)引脚设置及其功能
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(两个)、PWM比较器以及输出电路等组成,各引脚功能见表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,其负载能力较强,即可按推挽方式工作,也可以将两路输出并联工作,小功率时可以直接驱动。
·内部有5V参考电压,使用方便,参考电压短路时,有保护功能控制很方便。
·内部有一队误差放大器,可作为反馈放大及保护功能,控制方便。
·在高频开关电源中,输出方波必须对称,在其他一些应用中有需要方波认为不对称,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,还可以作输出软启动保护用。
·可以选择单端、并联及交替三种输出方式。
TL494的1脚及2脚为物产放大器的输入端。
由TL494芯片构成电压反馈电路时,1、2脚上通过电阻从内部5V基准电压上取分压,作为1脚比较的基准。
3脚用于补偿校正,为PWM比较器的输入端,接入电阻和电容后可以抑制振荡,4脚作为死区时间控制端,加载4脚上的电压越高,死区宽度越大。
当4脚接地时,死区宽度为0,即全输出;当其接5V电压时,死区宽度最大,无输出脉冲。
利用此特点,在4脚和14脚之间接一个电容,可达到输出软启动的目的,还可以供短路保护用。
5脚6脚接振荡器的接地电容、电阻。
TL494内置线性锯齿波振荡器,振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节,起振荡频率如下:
Fosc=1/CtRt
输出脉冲的宽度是通过电容Ct上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较实现的。
三极管VT1和VT2受控于或非门。
当双稳态触发器的时钟信号为低电平时才会被导通,即只有在锯齿波电压大于控制信号时才会被导通。
当控制信号增大时,输出脉冲的宽度将减小。
控制信号由集成电路外部输入,其中一条送至死区比较器,另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周期的4%。
当输出端接地时,最大输出占空比为96%,当输出端接参考电平时,占空比为48%。
在死区时间控制端上接固定电压(0-3.3V之间)时,即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。
PWM比较器为误差放大器调节输出脉冲宽度提供了一个手段:
当反馈电压从0.5变为3.5时,输出的脉冲宽度由被死区确定的最大导通百分比时间下降到0.两个误差放大器具有从0-0.3V到Ucc-2.0V的共模输入范围,这可从电源输出电压和电流中察觉到。
误差放大器的输出端常处于高电平,它与PWM比较器反相输入端进行“或”运算。
正是由于这种电路结构,误差放大器只需最小的输出即可支配控制回路。
当Ct放电时,一个正脉冲将出现在死去时间比较器的输出端,受脉冲约束的双稳态触发器进行计时,同时停止VT1和VT2的工作。
若输出控制端连接到参考电压上,那么调制脉冲交替送至两个三极管,输出频率等于脉冲振荡器的一版。
如果工作于单端状态,且占空比小雨50%时,则输出驱动信号可分别从VT1和VT2中取得。
输出变压器为一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。
在单端工作模式下,当需要更大的驱动电流输出时,可将VT1和VT2并联使用,这时需将输出模式控制端接地,以关闭双稳态触发器。
在这种状态下,输出脉冲的频率将等于振荡器的频率。
TL494内置一个5V的基准电压产生电路,使用外置偏置电压时,可提供高达10mA的负载电流。
在典型的0℃—70℃范围和50mV电压的条件下,该基准电压产生电路能提供±5%的精度。
2.2.2场效应管MOSFET
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,另外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。
只有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Vgs>0时才有可能有电流即漏极电流产生。
即当Vgs>0时MOS管才导通。
2.2.3三极管
本设计选用两种三极管,应为电路中有50KHz和50Hz两个频率,用于50LHz电路的三极管选择为8550型,而用于50Hz的三极管选择为KSP44型。
三极管的工作状态有截止、放大、饱和三种。
此设计电路中主要运用三极管的导通截止的开关特性。
2.3各部分支路设计
2.3.1DC/DC变换电路
由DC/AC和整流滤波电路组成。
电路结构如图6.VT1和VT2的基极分别接TL494的两个内置晶体管发射机。
中心器件变压器T1,实现电压由12V脉冲电压转变为220V脉冲电压。
此脉冲电压经过整流滤波电路变成220V高压直流电压。
变压器T1的工作频率选为50KHz左右,因此T1可选用EI33型高频变压器,变压器的匝数比为12/220=0.05,变压器选择为E型。
经过实践调制选择初级匝数为10×2,次级匝数为190.10/190≈0.05即满足变啊器匝数比约为0.05.电路正常时,TL494的两个内置晶体管交替导通,导致图中晶体管VT1、VT2的基极也应此而交替导通,VT3和VT4交替导通。
因为变压器选择为E型,这样使变压器工作在推挽状态,VT3和VT4以频率为50KHz交替导通,使变压器的初级输入端有50KHz的交流电。
当VT1导通时,场效应管VT3因为栅极无正偏压而截止,而此时VT2截止,导致场效应管VT4栅极有正偏压而导通。
当VT1导通时,VT2截止,场效应管VT3因为栅极无正偏压而截止,而此时VT2截止,导致场效应管VT4栅极有正偏压而导通。
且交替导通时其峰值电压为12V,即产生了12V/50KHz的交流电。
当电路工作不正常时,TL494输出控制端为低电平时,TL4949的两个内置晶体管的集电极(8脚和9脚)有12V正偏压,基极为高电平,导致两晶体管同时导通。
VT1和VT2因为基极都为高电平而饱和导通,而场效应管VT3、VT4将因栅极无正偏压都处于截止状态,逆变电源停止工作,。
极性电容C1滤去12V直流中的交流成风,降低输入干扰。
滤波电容C1可取2200µF。
R1、R2、R3起限流作用,取值为4.7KΩ。
整流滤波电路由四只整流二极管和一个滤波电容组成。
四只整流二极管D1-D4接成电桥形式,称单相桥式整流电路。
在桥式整流电路中,电容C2滤去了电路中的交流成分,由模拟电路直流稳压电源的电容滤波电路知:
τd=RC≥(3——5)T1/2
当f=50KHz时,T=1/50KHz,R=116KΩ时,R为后继负载电阻,则C≥4.3×10-10F。
根据电容标称值选择C2为10µF.输出220V高压直流电,供后继逆变电路使用。
2.3.2输入过压保护电路
电路结构如图7,由DZ1电阻R1和电阻R2、电容C1、二极管VD1组成。
输出端口接TL494芯片I的同相输入端(1脚),通过该芯片的误差比较器对其输出进行控制,当输入过大电压时,停止逆变电路工作从而使电路得到保护。
因为输入电压直接决定了输出电压的值,对输入端电压的保护也是对输出端子间过大电压进行负载保护。
VD1、C1、R1组成了保护状态维持电路,只要输入电压在一瞬间有过大现象,就导致稳压管击穿,电路将沿C1和R1支路充电,继续维持同相端的低电平状态,保护电路就会启动并维持一段时间。
当C1和R1充电完成,C1和R2支路开始处于放电状态,当C1放电完成时,TL494芯片I的同相输入端由低电平翻转为高电平,导致TL494芯片I的3脚(反馈输入端)为高电平状态,进而导致TL494芯片内部的PWM比较器为截止状态。
此时将导致直流变换电路的场效应管处于截止状态,直流变换电路停止工作。
同时TL494的4脚为高电平状态,4脚为高电平时,将抬高芯片内部死区时间比较器同相输入端的电位,使该比较器输出为恒定的高电平,由TL494芯片内部结构可知芯片内置三极管截止,从而停止后继电路的工作。
稳压管的稳压值一般为驶入电压的100%-130%。
稳压管DZ1的稳压值决定了该保护电路的启动门限电压值,这里我们取15V,稳压管的功率为0.15W。
R1取为100KΩ,R2、R3均取为4.7KΩ,C1、C2均取为47µF。
2.3.3输出过电压保护电路
电路结构图如图8,当输入电压过高时将导致稳压管DZ1击穿,使TL494芯片II的4脚对地的电压升高,启动TL494芯片II的保护电路,切断输出。
VD1、C1、R2组成了保护状态维持电路,R3、R4为保护电阻,用以增大输出阻抗。
稳压管的稳压值一般规定为输出电压的130%-150%。
后级电路为220V/50Hz输出,其中负载电阻为100KΩ,TL494芯片II的输出脚电压最大为12V,R1为限流电阻,取值为100KΩ,R2为保护电阻可取值为16KΩ,根据电路分压知识,则R2上的电压为:
U=R2×220÷(R1+R1)=220×16÷116≈30.34V
即稳压管的电压取值最大为30.34V,这里取30V。
2.3.4DC/AC变换电路
电路结构图如图9所示,该变换电路为全桥桥式电路。
其中TL494芯片的8脚和11脚为内置的两个三极管的集电极,且两个内置三极管是交替导通的,频率为50Hz。
图中8脚和11脚分别介入了上下两部分完全堆成的桥式电路,因为两个三极管交替工作,频率为50Hz,所以选用桥式电路,目的在于得到50Hz的交流电。
上下两部分电路工作过程完全相同。
选其中一部分为说明。
这里将其简化成图10。
图中VT0为TL494芯片II的一个内置三极管设为VT00,另一个设为VT01。
当VT00导通时,VT01截止,VT1的基极没有正偏压,从而使VT1截止,然后VT3的栅极有12V正偏电压,是VT3导通。
而VT4因为栅极无正偏压截止,输出220V电压。
当VT00截止时,VT01导通,VT1基极有12V正偏压,集电极有12V反向电压,从而导通。
VT3的栅极无正偏电压,从而使VT3截止。
而VT4因为栅极有12V正偏压导通。
因为此时TL494芯片II的另一个内置三极管VT01导通,它的集电极即11脚使逆变电路I有220V电压输出。
原理同上。
上下两部分以频率50Hz交替导通,从而使电路有220V50Hz的交流电输出。
由于TL494芯片为脉冲调制器,其产生的波形为脉冲波而不是正弦波。
VT1、VT2、VT3、VT4、VT5和VT6为场效应管可选择为IRF740型。
限流电阻可选择10KΩ、1KΩ、4.6KΩ、3.3KΩ的经典取值。
C1、C2和C3均为平滑输出的吸收电容。
C1和C2可取为10µF,C3取为0.01µF。
2.3.5TL494芯片I外围电路
电路结构图如图11,包括过热保护电路及振荡电路。
15脚为芯片TL494的反相输入端,16为同相输入端,电路正常情况下15脚电压应略高于16脚电压才能保证误差比较器II的输出为低电平,才能使芯片内的两个三极管正常工作。
因为芯片内置5V基准电压源,负载能力为10mA。
所以15脚电压应高于5V。
15脚电压计算公式为:
U=12×R2÷(R1+R2+Rt)
这里Rt为正温度系数热敏电阻,常温阻值可在150-300Ω范围内任选,是当选大些可提高过热保护电路启动的灵敏度。
这里取200Ω。
R1取36KΩ,R2取39KΩ,则15脚电压为6.22V。
该脉宽调制器的振荡频率为50KHz,由Fosc=1/CtRt,图中C2、R3为芯片的振荡元件。
C2即为Ct,R3即为Rt。
其中Fosc取为50KHz,C2取4700pF,则R3取4.3KΩ。
2.3.6TL494芯片II外围电路
电路结构图如图12,15脚同样为TL494的反相输入端,16脚为同相输入端,电路正常情况下15脚电压应略高于16脚电压才能保证误差比较器II的输出电平为低电平,才能使芯片内两个三极管正常工作。
因为芯片内置5V基准电压源,由图知15脚的电压为5V,16脚的电压为0V。
芯片内置比较器II的输出为低电平。
5脚和6脚为振荡器的定式电容和定时电阻接入端。
因为要使输出频率为50Hz,由公式Fosc=1/CtRt知:
当Rt取220KΩ时,Ct≈9.09×10-8µF。
C1和R2是芯片的振荡元件,即是R2取值为220KΩ,C1取值为0.1µF。
芯片的8脚和11脚接逆变电路II,4脚接输入过压保护电路。
电容C2取值为47µF,电阻R3取值为10KΩ,当输入过压保护电路启动后,使电容C2对R3放电,使4脚保持为低电平,使TL494芯片II的电路维持一段时间,知道C2放电完毕,则使4脚为高电平,抬高死区电压,从而使芯片II停止工作。
3附录
4总结与体会
6参考文献
[1].石玉栗书贤.电力电子技术题例与电路设计指导.机械工业出版社,1998
[2].王兆安黄俊.电力电子技术(第4版).机械工业出版社,2000
[3].浣喜明姚为正.电力电子技术.高等教育出版社,2000
[4].莫正康.电力电子技术应用(第3版).机械工业出版社,2000
[5].郑琼林.耿学文.电力电子电路精选.机械工业出版社,1996
[6].刘祖润胡俊达.毕业设计指导.机械工业出版社,1995
[7].刘星平.电力电子技术及电力拖动自动控制系统.校内,1999
[8].康华光,陈大钦.电子技术基础[M].北京:
高等教育出版社,1998:
451—459.
[9].薛永毅,王淑英,何希才,新型电源电路应用实例,电子工业出版社,2001.10
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