单相车载电源

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1、车载单相逆变电源电路设计电力电子技术课程设计目录摘要 . 2一 设计的要求. 3二 技术方案的确定 . 42.1 方案比较. . . 42.2 方案论证. 52.3 方案确定. 5三 主电路的设计 . . 73.1系统工作原理73.2 变换电路设计.73.3 保护电路设计 .83.4 主要器件的选择及其参数 .93.5 试验结果及输出波形 . . . . . . . . 103.6设计中遇到的问题12四 结论. .13五 参考文献 . 13摘要逆变电源(也称逆变器)采用SPWM和CPU控制技术，主电路采用进口功率 模块。可以把 12V 直流电源转换为 AC220V/50Hz 稳压、稳频、噪声小

2、纯净交 流电源。高频逆变电源以其体积小，重量轻，效率高，操作简单，无污染等优点， 深受广大用户喜爱；而工频逆变电源 在相对恶劣的环境下都能使用，具有稳 定性强，可靠性高，保护功能全等优点，同时还有很强的非线性负载驱动能 力，可制作大功率电源，深受好评。SummaryInverter (also called inverter) using SPWM and CPU control technology， the main circuit using imported power module. You can convert the 12V DC power supply AC220V / 5

3、0Hz voltage， frequency stabilization， noise clean AC power.Frequency inverter with its small size， light weight， high efficiency，simpleoperation，pollution，etc.，bythemajorityofusers; The frequency inverter power in a relatively harsh environment can be used， with a strong stability， high reliability

4、and protection congruent advantages， but there is a strong non-linear load drive capability， can produce power supply， deep acclaimed.关键词 ： 车载逆变器 BOOST SPWM DC/DC DC/AC 保护电路一 设计的基本要求在一些交通运载、野外测控、可移动武器装 备 、工程修理车等设备 中都配有不同规格的电 源。通常这些设备工作空间狭小， 环境恶劣，干扰 大 因此对电源的设计要求也很高，除了具有良好的电气性能外，还必须具备体 积小、重量轻、成本 低、可靠性

5、高、抗干扰强等特点。针对某种移动设 备 的特定要求，研制了一种简单实用的车载正弦 波逆变电源，采用 SPWM 工作 模式，以最简单的硬 件配置和最通用的器件构成整个电路。实验证明， 该 电源具有电路简单、成本低、可靠性高等特点， 满足了实际要求。车载逆变 器（电源转换器、 Power Inverter ）是一种能够将 DC12V 直流电转换为和市 电相同的 AC220V 交流电，供一般电器使用，是一种方便的车用电源转换器。 车载电源逆变器在国外市场受到普遍欢迎。在国外因汽车的普及率较高，外 出工作或外出旅游即可用逆变器连接蓄电池带动电器及各种工具工作。中国 进入 WTO 后，国内市场私人交通工

6、具越来越多，因此，车载逆变器电源作 为在移动中使用的直流变交流的转换器，会给你的生活带来很多的方便，是 一种常备的车用汽车电子装具用品。通过点烟器输出的车载逆变器可以是 20W 、 40W 、 80W 、 120W 直到 150W ，功率规格的。再大一些功率 逆变电源 200W ，300W，400W ，500W ，600W，700W ，800W，1000W，1500W 要通过连接线接到电瓶上。制作车载正弦波逆变电源，输入 12V 直流，输出 220V，50Hz 的正弦 波， 满载时输出功率50W，效率不小于80%;输出波形失真度小于5%,当负载从 空载到满载变化时，输出电压有效值稳定度高于 3

7、%；具有输入过压和欠压， 输出过流和负载短路保护等功能。介绍了驱动电路芯片 SG3525A 和 IR2110 的使 用;设计驱动和保护电路;给出输出电压波形的实验结果。二 技术方案的确定2.1 方案比较在本逆变电源的设计中，我们的目的是将车载电瓶的 12V 直流电压逆变为交 流 220V/50Hz 的电压，通过一段时间对资料的收集和分析，现总结出如下三种方 案，分别介绍如下：方案 1：基于工频变压器的逆变电路 本方案设计的逆变电源是通过脉宽调制芯片产生的脉宽调制信号用来驱动 半桥逆变电路，产生低压交流信号，再经过工频变压器的升压，转换为所需要的 交流电压。电路框图如图 2-1：图 2-1 基于

8、工频变压器的逆变电路框图方案 2：简单推挽逆变电路本方案设计的逆变器可以作为交流辅助电源。图2-2是本逆变器的电路框图 它是通过在振荡级产生所需要的50Hz的交流信号，再经过推动级的放大，然后把 放大后的电压信号送入推挽输出级经过放大、变压器的升压，从而得到所需要的 220V/50HZ的交流电压。图 2-2 简单推挽逆变电路框图方案 3：车载单相准正弦脉宽调制逆变电路图 2-3 车载单相准正弦脉宽调制逆变电路框图本方案是采用了比较典型的逆变电路的变换方式把直流 12V 电压变换成220V的交流电压，即第一级采用直流/直流变换，通过脉宽调制和高频变压器把直流低压升压变成直流高压，再通过第二级直流

9、/交流变换，通过对直流/交流全 桥逆变电路各个桥臂MOS管通断的控制，把高压直流逆变为交流电压，然后通过 滤波电路，滤出我们所需要的50Hz的频率交流电压，从而完成12V直流电压逆 变成 220V/50Hz 的交流电压。2.2 方案论证方案 1：通过脉宽调制芯片把直流低压信号调制成脉宽调制信号，形成脉宽 调制波PWM,并用其来驱动半桥逆变变换电路中的功率场效应管，控制电路中开 关管的通断，变成交流低压信号，再把交流低压信号经过工频变压器的升压变成 220V的交流电压。方案2：首先通过555 型集成电路和一些电阻和电容组成的振荡级来选定我 们所需要的 50Hz 的工作频率的信号；再由几个三极管组

10、成的推动级来对 50Hz 的振荡信号来进行放大，同时再由几只复合管组成推挽放大电路的基极，进一步 对其进行放大，以提高对功率输出级的驱动电流；然后由几只三极管和几只二极 管、输出级变压器组成推挽输出级，它将推动级送来的激励信号进行放大，并通 过变压器将初级电压升高到220V送到输出端。方案 3：电路采用了比较典型的两级变换的方式，在第一级直流/直流变换 电路中利用了集成脉宽调制电路芯片调制出PWM 波,通过PWM波信号来驱动MOS 管的通断，把直流信号变换成交流低压信号，再通过高频变压器把交流低压方波 信号升压成交流高压方波信号，然后通过整流滤波电路，把交流高压信号变成 350V 的直流高压；

11、在第二级中，用另一片脉宽调制芯片与一片正弦函数芯片做 适当的连接产生SPWM波，用来对直流/交流变换电路中的全桥逆变电路进行脉宽 调制，从而把350V直流高压逆变成220V的交流电压，然后通过滤波电路，滤出 我们所需要的 50Hz 的交流信号，就得 220V/50Hz 的交流电压；而且在本次整个 逆变电路中采用了变压器隔离的方法来保证主、控电路不受彼此的相互影响。2.3 方案确定从上面的 3 个方案来分析看，方案2 的简单推挽逆变电路没有使用脉宽调制 技术，电路简单，而且此逆变器输出为 50Hz 的方波信号，由于波形为方波，可 能对电器设备造成干扰，不能满足我们设计所需要的正弦波输出。方案 1

12、 的基于工频变压器的逆变电路过于简单，而且经过升压变压器后的交 流输出电压没有滤波网络，无法对我们所需要的 50Hz 的频率进行滤取，电路体 积较大等，不符合我们设计的要求。方案3 相对于1， 2 两种方案来说，电路设计合理，在电路中采用了中间直 流环节的高频变压器式逆变电源系统结构，它由高频逆变，高频变压器升压，整 流滤波，高频SPWM逆变和输出滤波，可以满足需要的要求。所以方案3符合我 们这次选择设计方案。本次逆变电源的设计主要内容包括：1) 直流/直流变换电路的设计；2) 直流/交流变换电路的设计；3) 直流/直流变换控制保护电路的设计4) 直流/交流变换控制保护电路的设计三主电路的设计

13、3.1 系统工作原理系统方框图如图 3-1 所示，先采用 DC-DC 变换器把 12V 蓄电池的电压升至 320V，保证输出有效值为220V的正弦波不出现截止失真和饱和失真。输出电压 反馈采用调节 SPWM 信号脉宽方式。该系统采用两组相互隔离的辅助电源供电， 一组供给 SPWM 信号控制器使用，另一组供给输出电压、电流测量电路使用，这 样避免了交流输出的浮地和蓄电池的地不能共地的问题。因为 SPWM图 3-1 系统方框图控制器输出的SPWM信号不含死区时间，所以增加了死区时间控制电路和逆 变 H 桥驱动电路。空载检测电路使得当没有负载接入时，让系统进入待机模式， 当有负载接入时，才进入逆变工

14、作模式。同时，空载检测电路也作为过流保护的 采样点。3.2 变换电路设计3.2.1 DC/DC 变换电路直流变换电路由DC/AC和整流滤波电路组成。电路拓扑如图3-2，其拓扑结 构由电压源、串联开关和电流源负载组成。进行拓扑对偶变换式，将电压源变为 电流源（电流源通常用电压源串联较大的电感组成）串联开关变换为并联开关， 负载由电流源变换为电压源（既滤波由串联电感变为并联电容）。这是Buck变换 器的对偶拓扑升压（Boos t）变换器。丄丄-勺+第1 +叮厂T听匚二二Lt图 3-2 Boost 变换器电路拓扑3.2.2 DC/AC 变换电路DC/AC 电路结构如图 3-3 所示，该变换电路为单相

15、全桥 PWM 主电路拓扑图。 其驱动信号采用PWM控制，将宽度变化的窄脉冲作为驱动信号。若采用标准正弦 波作为 PWM 调制波，则称为正弦波脉冲宽度调制，常简称为 SPWM.在逆变电源中，场效应管应当能承受320V的直流高压电，考虑到电压波动 以及一定的裕量，场效应管的电压参数应大于400V，参照场效应管的参数表，故 选用型号为IRF820A的场效应管。其耐压值为500V,最大电流为2.5A。足以满足 逆变电源320V以及最大电流1A的要求。图 3-3 单相全桥 PWM 逆变主电路3.3 保护电路模块该系统是由直流变交流，弱电变为强电。故对系统进行必要的安全保护是 必须的，在对系统进行调试时必

16、须要注意安全。系统除了芯片本身具有的保护措 施外，还对系统进行了专门的保护，具体如下：3.1 短路保护电路（快保护）短路保护即防止功率主板中 H 桥的两个 COMS 管同时导通，当其同时导通 时，输出453的电压，经过分压，与LM393的基准电压1. 45V进行比较，若大 于基准电压，则输出报警，并通知前级进行保护措施。导通电压经过加在 0.1/5W 的采样电阻上接地，使输出安全。其电路如图 3-4 所示图 3-43.4 主要器件的选择及其参数3.4.1 场效应管二 MOSFET-N图 3-5 MOSFET 代表符号图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 它是利用

17、电场效应来控制其电流大小的半导体器件。其代表符号如图 3-5。这种 器件不仅兼有开关速度快、无存储时间、体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特 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 中得到了广泛的应用。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10。当 Vgs 0 时才有可 能有电流即漏

18、极电流产生，即当Vgs 0时MOS管才导通。3.5 试验结果及输出波形3.5.1 DC/DC 变换仿真图及仿真结果如图 3-73.8图 3-8 当 L=15h 占空比 70% 时3.5.2 DC/AC 仿真图与仿真结果如图 3-93-10 ：iMWleBfDpPSlyT r. FVsrfudI r Q3 nu u MJ hjFurriDH图 3-9 DC/AC 的驱动信号 PWMh1Det Z!MBCD-Wnk3-! !图 3-103.6 在设计中遇到的问题刚开始和一名同伴设计单相车载逆变电源遇到很多有趣的问题，想了很多不 该想的问题。如：汽车上的蓄电瓶是否能换成超级电容电池，因为当时想到电容

19、 电池充电也非常快，存电的能力强，可以无限次的充电。但当任务书下来后才明 白是要设计电路。我们也对比了很多新进网上的设计方案，但老师要求我们不能 用芯片，最后只会用最基础的设计了。仿真过程是漫长的，因为每个数据都要弄准确，才能做出想要的结果。有些 如DC/AC的仿真图没做出来感觉自己学的还是不够好。不过我们也解决了一 些问题四 结论本文设计了一款普通的车载逆变电源。该电源采用的是比较经典的两级变换 的方式，即第一级是运用直流/直流的变换方式，第二级是运用直流/交流的变换 方式。在该高性能车载逆变器中采用中间直流环节的高频变压器式逆变电源系统 结构，它由高频变压器升压、整流滤波、单相全桥 PWM

20、 逆变电路。因它工作在高 频情况下，可使变压器、滤波电容、电容的体积及重量减小，噪声降低，反应速 度提高。该逆变器的主要功能是把汽车上的蓄电瓶提供的12V直流电压变换成电 器所需要的 220V/50Hz 的交流电，来对我们车上的一些用电设备进行供电，方便 我们的出行。本设计具有灵活方便、适用范围广的特点，基本能够满足实践需求。 而且本设计采用高频逆变方式，具有噪声降低、反应速度提高以及电路调整灵活 的优点。设计符合逆变电源小型化、轻量化、高频化以及高可靠性、低噪声的发 展趋势。五 主要参考文献1 王兆安，黄俊 主编 电力电子技术第四版,机械工业出版社，20032 周渊深.交直流调速系统与Matlab仿真M俨比京:中国电力出版社， 20043 陈伯时，电力拖动自动控制系统运动控制系统，第三版，机械工业 出版社， 20034 莫正康，电力电子应用技术，第三版，机械工业出版社， 20005 张东力、陈丽兰、仲伟峰，直流拖动控制系统，机械工业出版社， 19996 朱仁初、万伯任，电力拖动控制系统设计手册，机械工业出版社， 19947 .辜承林等.电机学 M .武汉:华中科技大学出版社， 2010.8 黄坚自动控制原理及其应用M。北京:高等教育出版社，2010.