一種車載純正弦波微型逆變器設(shè)計(jì)

陸忠芳 康奮威科技（杭州）有限公司 浙江杭州 310051

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一種車載純正弦波微型逆變器設(shè)計(jì)

陸忠芳 康奮威科技（杭州）有限公司 浙江杭州 310051

【文章摘要】

車載純正弦波逆變器已經(jīng)存在于高檔進(jìn)口汽車中，方便用戶生活。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種車載純正弦波微型逆變器，功率為150W，輸電壓220VAC（純正弦波）， 頻率50HZ，適合于汽車前裝市場(chǎng)。系統(tǒng)采用兩級(jí)完成逆變，前級(jí)升壓，后級(jí)逆變（SPWM控制），純正弦波輸出。設(shè)計(jì)特點(diǎn)：高壓電解電容不發(fā)燙，適合全封閉外殼，無風(fēng)扇，可靠性高，壽命長(zhǎng)。

【關(guān)鍵詞】

車載；純正弦波；逆變器；SPWM；H橋

1　系統(tǒng)框圖及介紹

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，輸入電壓12V系統(tǒng)，輸入電流15A， 輸出電壓220VAC（純正弦波）， 頻率50Hz。系統(tǒng)主要包括升壓電路，逆變電路，以及升壓控制板，逆變控制板，輔助供電等。其中升壓電路和升壓控制板共同完成升壓功能，逆變控制板和逆變電路共同完成逆變功能。系統(tǒng)的整體框圖如 圖1 所示。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1升壓電路

升壓電路，實(shí)際是一個(gè)DC-DC電路，完成低壓到高壓的轉(zhuǎn)換。這里的低壓指汽車電瓶浮充電壓，主要為電壓范圍13.8V～14.7V，但考慮汽車運(yùn)行過程中發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出變化對(duì)充電電壓的影響，適當(dāng)提高設(shè)計(jì)的適應(yīng)能力，輸入電壓選擇11.5V～15.5V。輸出高壓用于逆變前端輸入電壓，所以需要高于220VAC的整流直流最高電壓311V，這里設(shè)計(jì)范圍為320V～435V。

升壓設(shè)計(jì)采用推挽正激變換拓?fù)洌凑蛰斎肱c輸出電壓比值，變壓器前后級(jí)匝比為1∶28，工作頻率設(shè)計(jì)50kHz，輸出功率150W，再根據(jù)磁芯AP公式及密閉空間留有余量，磁芯選擇EE41。這里使用推挽設(shè)計(jì)，主要是提高磁芯的利用率，磁芯使用在第一和第三象限，為防止磁偏，控制推挽單顆MOS管最大占空比不要大于45%。

升壓電路的一個(gè)特點(diǎn)是輸出高壓為開環(huán)設(shè)計(jì)，只保留高壓限壓保護(hù)設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)使得輸出高壓在一定范圍變動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間不穩(wěn)定，短時(shí)間穩(wěn)定。設(shè)計(jì)考量：高壓電容C1為前后級(jí)能量的緩沖池，容量為68 uf，耐壓為450V，考慮成本和體積，選擇小型化的高頻長(zhǎng)壽命電解電容比較合適；電解電容紋波大，發(fā)熱大；工程上，電解電容溫度每升高10℃，壽命降低一半；如果按穩(wěn)壓閉環(huán)設(shè)計(jì)，雖然電壓穩(wěn)定，但高頻紋波大，發(fā)熱大，電解電容降低壽命，甚至長(zhǎng)時(shí)間工作需要檢測(cè)電容溫度，并實(shí)施保護(hù)；開環(huán)非穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，高頻紋波小，電容發(fā)熱小，但是對(duì)后級(jí)逆變提出了較高要求。

2.2升壓控制板

升壓控制板，通過控制升壓電路，完成升壓功能。升壓板包括推挽的控制，這里主要指對(duì)MOS管Q5，Q6的驅(qū)動(dòng)控制，本設(shè)計(jì)選用SG2525芯片。升壓電路其它功能還包括輸入保護(hù)，指示燈控制，溫度檢測(cè)，高壓限壓保護(hù)等功能，為了靈活實(shí)現(xiàn)這些功能，可以選用一顆低成本的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)選用PIC12F510，是 MICROCHIP公司的單片機(jī)產(chǎn)品，內(nèi)置ADC。升壓電路的供電由汽車點(diǎn)火線供電產(chǎn)生，防止汽車電瓶虧電，造成無法啟動(dòng)。

2.3逆變電路

逆變電路就是一個(gè)DC-AC電路，包括H橋，低通濾波，電流檢測(cè)等。

逆變功能主要由H橋和低通濾波實(shí)現(xiàn)，具體方法：將高壓直流電平通過SPWM控制，變成高頻輸出（內(nèi)含50Hz的220VAC電平），再通過低通濾波，將高頻濾掉，輸出50Hz的220VAC電平。這里采用上橋臂高頻控制，下橋臂低頻控制的方式。上橋臂的控制頻率為22kHz，略高于人耳可以聽到的頻率，避免噪聲。下橋臂的控制頻率為50Hz。

一個(gè)輸出正弦波的過程如下：

（1）初始條件：高壓VH正常 ，MOS 管Q1， Q2， Q3， Q4都關(guān)閉；

（2）MOS管Q3導(dǎo)通，MOS管Q2通過調(diào)制的SPWM控制（含50Hz正弦波信息），H橋輸出高頻的高壓電平，經(jīng)過低通濾波（L1C2），VOUT輸出正弦波的上半波；

（3）MOS管Q2關(guān)閉；MOS管Q3關(guān)閉；

（4）等待一定時(shí)間，即過零點(diǎn)或死區(qū)；

（5）MOS管Q4導(dǎo)通，MOS管Q1通過調(diào)制的SPWM控制（含50Hz正弦波信息），H橋輸出高頻的高壓電平，經(jīng)過低通濾波（L1C2），VOUT輸出正弦波的下半波；

（6）MOS管Q1關(guān)閉；MOS管Q4關(guān)閉；等待一定時(shí)間；

（7）重復(fù)（2）～（6）；

這樣，就形成了50Hz的正弦波輸出。

低通濾波選擇約800Hz的轉(zhuǎn)折頻率，過濾高頻。因?yàn)長(zhǎng)1C2頻譜上有個(gè)極點(diǎn)，選擇ESR較大的電容可以消除這個(gè)極點(diǎn)，甚至可以考慮串聯(lián)電阻。

2.4逆變控制板

逆變控制板集成逆變控制主芯片（生成SPWM信號(hào)），H橋驅(qū)動(dòng)芯片，過流檢測(cè)，錯(cuò)誤報(bào)警等功能。

其中H橋的驅(qū)動(dòng)芯片選用仙童的FAN7384，兩片分別控制兩個(gè)半橋。由于上橋臂的控制由自舉電容供電，電容需及時(shí)充電，所以上橋臂使用高頻控制。

主控芯片采用DSPIC33FJ12MC201 主要負(fù)責(zé)SPWM的生成。DSPIC33FJ12MC201 是MICROCHIP公司的產(chǎn)品，內(nèi)置乘法器和ADC，這是一顆高端單片機(jī)。這里選擇帶乘法器單片機(jī)，主要是因?yàn)檩斎敫邏菏亲儎?dòng)的，生成SPWM需要實(shí)時(shí)計(jì)算，并且計(jì)算頻率滿足22kHz的頻率，對(duì)計(jì)算能力要求高。

過流檢測(cè)是通過電流檢測(cè)電阻，經(jīng)過運(yùn)放放大，濾波，AD采樣實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)兩級(jí)保護(hù)，分別是短路保護(hù)和過流保護(hù)，設(shè)計(jì)不同的閾值和不同的響應(yīng)時(shí)間。

錯(cuò)誤報(bào)警可以通過光耦向前級(jí)傳遞信號(hào)。2.5 輔助供電及其它設(shè)計(jì)

輔助供電可以在推挽變壓器上繞輔助繞組，實(shí)現(xiàn)后級(jí)控制板的供電，穩(wěn)定電平可以使用LDO芯片穩(wěn)壓。

圖1　逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3　結(jié)語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種車載微型逆變器的設(shè)計(jì)，效率約為92%?？梢酝ㄟ^變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，整流管的優(yōu)選，提高性能。需要說明，所選擇的芯片僅作為一種參考，希望給讀者一個(gè)思路或一點(diǎn)啟發(fā)，目的就達(dá)到了。

【參考文獻(xiàn)】

［1］孫肖子，張企民編著 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

【作者簡(jiǎn)介】

陸忠芳（1983.11-），男，浙江杭州人，康奮威科技（杭州）有限公司助理工程師，研究方向：電源技術(shù)，電子技術(shù)