車載逆變電源的研究與設(shè)計(jì)

張波　梁凡

[摘 要]車載逆變電源使有車生活更加方便。隨著我國(guó)汽車普及程度的不斷提高，車載逆變電源的市場(chǎng)會(huì)越來(lái)越大。文章設(shè)計(jì)的逆變電源由兩部分組成：前一部分把汽車電瓶上12V的直流電逆變成220V、頻率10KHz左右的交流電，后一部分再通過交直交變頻得到50Hz的220V交流電，供普通交流電源供電設(shè)備使用。該款逆變電源性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，成本優(yōu)勢(shì)明顯。

[關(guān)鍵詞]高頻逆變；交直交變頻；集成控制器；車載電源

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.45.071

1 引 言

車載逆變電源作用是把汽車蓄電池12V或24V的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?0Hz的交流電，得到的交流電可以給筆記本電腦、數(shù)碼攝像機(jī)、普通照明燈、平板電腦、電動(dòng)工具、車載冰箱等使用220V交流電源的用電設(shè)備供電。車載逆變電源在國(guó)外普遍受到歡迎。中國(guó)已成為世界上汽車產(chǎn)銷量第一大國(guó)，隨著我國(guó)汽車普及程度的逐漸提高，車載逆變電源的市場(chǎng)會(huì)越來(lái)越巨大。

2 總體設(shè)計(jì)

車載逆變電源設(shè)計(jì)主要有兩點(diǎn)，一個(gè)是把蓄電池電壓提升至220V，另一個(gè)就是頻率要為50Hz。把12V的電壓提到220V，采用升壓斬波電路進(jìn)行。采用升壓斬波電路即Boost電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于出電壓比輸入電壓高出很多，升壓倍數(shù)約為18。由Boost電路工作原理易知，占空比約為0.95，理論上可行，但Boost電路實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)[1]，所以要升壓就要借助變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。變壓器如果采用工頻變壓器，輸出同樣功率的情況下，體積和重量會(huì)比高頻變壓器大出很多，是人們不能接受的。因此要采用高頻變壓器，采用高頻變換電路。借助高頻變壓器實(shí)現(xiàn)12V的電壓變?yōu)?20V的電壓，輸出頻率必然也是高頻。高頻的220V交流電，很多我們使用的220V市電供電的用電設(shè)備不能直接使用。要再進(jìn)一步變換，把高頻直流電源變換成50Hz的交流電。從總體結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)的電路共有兩部分：前一部分借助高頻變壓器和相就的變換電路把12V直流電變?yōu)?20V的高頻交流電，后一部分把高頻的220V交流電變換為50Hz的220V交流電。

輸入為12V低壓輸入，輸出功率大時(shí)輸入電流會(huì)很大，屬低壓較大電流輸入。全橋式變換電路回路中有兩個(gè)功率管，而半橋式回路是一半電壓對(duì)應(yīng)一個(gè)功率管，對(duì)推挽式逆變電路回路中功率開關(guān)管只有一個(gè)，相比較而言，可以減少功耗[2]。后一部分輸入的電壓本身比較高，而全橋逆變電路可以實(shí)現(xiàn)比較大的功率輸出。因此電路設(shè)計(jì)前一部分采用推挽逆變電路，后一部分采用全橋逆變電路。推挽變換電路輸出的高頻220V經(jīng)高頻二極管整流濾波后得到直流電，再經(jīng)全橋逆變電路得到50Hz的220V的交流電。

3 推挽逆變部分

該部分功能為把蓄電池12V直流輸出變?yōu)楦邏?20V輸出，頻率為10KHz，屬高頻輸出。推挽式變換電路主要由兩個(gè)開關(guān)管Q1、Q2，變壓器T1構(gòu)成。開關(guān)管Q1、Q2正負(fù)半周交替通斷工作。中心抽頭把變器原邊對(duì)稱地分為兩半。正半周期開關(guān)管Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，12V蓄電池，變壓器原邊的一半和Q1構(gòu)成回路；負(fù)半周期開關(guān)管Q2導(dǎo)通，Q1關(guān)斷，12V蓄電池，變壓器原邊的另一半和Q2構(gòu)成回路。正負(fù)半周流過變壓器原邊的電流方向相反，變壓器副邊得到交流電[3]。這里采用的變壓器副邊匝數(shù)等于原邊匝數(shù)的好多倍，所以輸出電壓高。逆變輸出的交流電頻率主要取決于開關(guān)管工作頻率。如前所敘述，為了減少變壓器的重量和體積，采用高頻變壓器，開關(guān)管工作頻相對(duì)比較高。推挽逆變電路部分如圖1所示。

推挽逆變的控制驅(qū)動(dòng)以SG3525為核心。 SG3525是專用的集成電壓型的PWM控制器。圖1推挽逆變電路中芯片1腳，2腳對(duì)應(yīng)一誤放大器同向輸入端和反向輸入端，兩腳電壓差比較大，輸出PWM占空比最大[4]，同樣條件下，逆變電路輸出電壓也最大。5腳，6腳外接電阻電容大小決定了芯片輸出PWM信號(hào)頻率也就決定了推挽逆變器工作頻率。11 腳和14腳輸出兩波形一樣而相位相差180°的PWM信號(hào)，分別通過R6、R7驅(qū)動(dòng)Q1和Q2。

4 整流與全橋逆變部分

整流與全橋逆變部分也即交直交變頻部分。該部分功能為把前一部分220V高頻輸出轉(zhuǎn)變成頻率50Hz的220V的交流電。電路如圖2所示。220V的高頻交流電經(jīng)二極管VD1-VD4構(gòu)成的橋式整流電路整流濾變?yōu)橹绷麟姾笤俳?jīng)過四個(gè)功率管VT1-VT4逆變后得到220V，50Hz交流電?？刂埔訲L494為核心。芯片5腳6腳接的電阻電容決定了其輸出PWM信號(hào)的頻率也就決定了逆變電路輸出頻率，5腳6腳接的電阻電容選擇恰當(dāng)?shù)闹稻涂梢宰屇孀冸娐份敵鲱l率為50Hz。1腳、2腳對(duì)應(yīng)于一誤差放大器同向輸入端和反向輸入端，15腳、16腳對(duì)應(yīng)于另一誤差放大器。兩誤差放大器反向輸出端接14腳獲得比較高的電壓，而同輸入端接地，這樣輸出的PWM信號(hào)占空比最大。8腳和11腳為PWM信號(hào)輸出端，互補(bǔ)輸出，即相位相差180°。8腳的輸出控制VT1和VT3，11腳的輸出控制VT2和VT4。8腳和9腳分別是芯片內(nèi)部集成的開關(guān)三極管的集電極和射極8腳輸出是低電位時(shí)，VT3不導(dǎo)通，Q11也不導(dǎo)通，蓄電池12V電壓通過VD5，R4和R1讓VT1導(dǎo)通；8腳輸出高電位時(shí)，通過R7使VT3導(dǎo)通，同時(shí)易知Q11也導(dǎo)通，把VT1柵極電位拉低，VT1截止。11腳的輸出驅(qū)動(dòng)控制VT2和VT4工作過程和8腳輸出驅(qū)動(dòng)控制VT1和VT3相同，只是8腳和11腳輸出的PWM相位上相差180°。

TL494也是常用的電壓型脈寬調(diào)制集成控制器。其內(nèi)部主要集成了線性鋸齒波振蕩器，兩個(gè)誤差放大器，死區(qū)時(shí)間比較器，PWM比較器，基準(zhǔn)電壓源，觸發(fā)器等，共有16個(gè)引腳。線性鋸齒波振蕩器的振蕩頻率由5腳、6腳上外接的電阻電容來(lái)決定。兩個(gè)誤差放大器在這里地位是一樣的，它們的輸出分別經(jīng)過一個(gè)二極管送到PWM比較器的同向輸入端，與加在PWM比較器反向輸入端的線性鋸齒波做比較，產(chǎn)生PWM信號(hào)。3腳是兩誤差放大器的輸出端，也是PWM比較器同向輸入端；脈沖寬度的調(diào)節(jié)可以通過3腳上的電壓來(lái)控制，也可分別通過誤差放大器進(jìn)行調(diào)節(jié)[5]。13端為輸出控制端，當(dāng)其接低電平時(shí)，兩管子工作情況相同，當(dāng)其接高電平時(shí)兩管子推挽輸出。TL494內(nèi)部還有一個(gè)基準(zhǔn)電壓源，通過14腳為其在應(yīng)用時(shí)提供5.0V的基準(zhǔn)電壓。芯片的4腳為死區(qū)控制引腳，可用來(lái)限定芯片輸出PWM的最大占空比。利用此功能，引入反饋信號(hào)至引腳上可以限定全橋逆變電路的最大輸出電壓，圖2中未畫出該部分。

5 結(jié) 論

經(jīng)實(shí)踐可知，該款逆變電源性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，成本優(yōu)勢(shì)明顯，可使有車生活更加方便。不足之處在于它的輸出不是正弦波，輸出電壓會(huì)受輸入電壓影響，在220V左右一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

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