逆变电源的设计.docx
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逆变电源的设计
泉州师范学院
毕业论文（设计）
题目逆变电源的设计
物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业07级1班
学生姓名林铃涓学号070303045
指导教师仲伟博职称副教授
完成日期2011年4月15日
教务处制
摘要…………………………………………………………………………………………2
关键词………………………………………………………………………………………2
0引言………………………………………………………………………………………3
1设计方案和比较…………………………………………………………………………4
1.1输出波形的选择…………………………………………………………………4
1.2功率放大电路的选择……………………………………………………………4
1.3脉宽调制（PWM）芯片的选择…………………………………………………6
2电路设计及分析…………………………………………………………………………6
2.1逆变电源的工作原理………………………………………………………………6
2.2电路的组成…………………………………………………………………………7
2.3各部分电路的功能和作用…………………………………………………………8
2.4电路主要技术性能指标……………………………………………………………8
3系统主要元器件简介………………………………………………………………………8
3.1TL494………………………………………………………………………………8
3.1.1TL494简介………………………………………………………………8
3.1.2TL494CN的管脚及其功能………………………………………………8
3.1.3TL494的内部框图………………………………………………………9
3.1.4TL494工作原理简述……………………………………………………10
3.2变压器………………………………………………………………………………11
3.3其他主要器件及其参数……………………………………………………………11
3.4材料清单……………………………………………………………………………12
4电路的调试及结果分析……………………………………………………………………12
4.1逆变电源的性能测试………………………………………………………………13
4.2测试仪器……………………………………………………………………………13
4.3结果分析……………………………………………………………………………13
5总结…………………………………………………………………………………………13
致谢……………………………………………………………………………………………13
参考文献………………………………………………………………………………………14
Abstract………………………………………………………………………………………15
Keywords……………………………………………………………………………………15
附录……………………………………………………………………………………………16
逆变电源的设计
物理与信息工程学院07级电子信息科学与技术070303045林铃涓
指导教师 仲伟博副教授
【摘要】本设计是一种基于TL494芯片的逆变电源，能够实现以12伏直流电压转换成220伏交流电压的逆变器，对日常电子产品实现方便用电，从而为旅行中能源问题提供一个可行性方案，实现我们的日常需求。
本设计具有设计简单，成本低廉，易于携带，电压可升降等特点，可运用于大多数电子产品的临时用电问题，具有相当大的实用价值。
【关键词】TL494；电源；正弦波；变压
0引言
电子技术的快速发展，使得我们的生活离不开电子产品，更离不开使用电子产品的能源。
能源在各个行业和日常生活中的广泛应用，又使我们急迫得需要处理能源的应用问题。
便携式能源的种类也日益更新，但电子产品也在不断得更新，不同国家的市电不同，也会因此造成电子产品的使用。
在旅游、车载、各类舰船以及飞行器、野营、医疗急救等便携式电器产品的使用中，逆变电源可以满足我们的这种需求。
逆变电源是一种能够将DC12V的直流电转换成跟电子产品所需相同的AC220V/50Hz或AC110V/50Hz的交流电，是一款很方便使用的供一般电器使用的电源转换器。
为越来越多的人所用，它的设计和改进具有很大的开发价值和发展前景。
现代逆变技术的发展，结合了众多先进的技术，如半导体电子技术、电子技术、控制技术、计算机技术、电力电子技术等。
逆变电源的发展，将朝着质量轻、体积小、效率高、性能稳定的方向。
本设计所介绍的逆变电源主要采用集成化芯片TL494,电路优点是结构简单、性能稳定、成本较低、适用于各种整流负载。
因此,本文所介绍的逆变电源是一种易于控制、可靠性较高、性能较好的逆变电源设计[1]。
1设计方案和比较
逆变电源的分类原则较多，有根据输出交流电压的相数，分为单相逆变电源和三相逆变电源；根据逆变电源电路使用的半导体器件类型不同，分为MOSFET模块、晶体管逆变电源及可关断晶闸管逆变电源等；根据输出电压波形，分为方波逆变电源和正弦波逆变电源；根据功率转换电路的不同，分为桥式电路、推挽电路和高频升压电路逆变器等。
在电路的设计过程中，可以通过分类的不同选择较好的电路模块。
1.1输出波形的选择
方案一：
采用方波输出
方波逆变电源的输出交流电压波形为50HZ的方波。
方波逆变器所使用的逆变线路不全相同，但是线路比较简单，使用的功率开关管数量比较少。
设计功率在几十瓦至几百瓦之间。
优点是：
价格较便宜，维修较简单。
缺点是：
因方波电压含有大量高次谐波，对收音机和某些通信设备有干扰，在以变压器为负载的用电器中将会产生附加损耗。
此外，方波逆变器有些调压范围不够宽，有些方面的保护功能不够完善，输出噪声比较大。
方案二：
采用正弦波输出
正弦逆变电源输出的交流电压波形为50HZ正弦波，制作采用简易的多谐振荡器，其优点是：
除了转换效率高之外，输出波形好，失真度低，噪声低，性能稳定，适用于各种整流负载，并且控制简单，对通信设备无干扰，成本也较低。
此外，保护功能齐全，对电容型性和电感性负载适应性强。
缺点是：
线路较复杂，对维修的技术要求较高，价格较贵。
方案选择：
经过比较可知，方波波形输出在一些方面不够完善，且输出噪声比较大；而正弦波形输出的技术性能和工作可靠性较好，噪声低，适用于各种整流负载，容易满足题目的要求，故选择方案二。
1.2功率放大电路的选择
逆变电源的功率放大电路一般有推挽式、全桥式和高频升压式逆变电路三种，其主电路分别如图1.1、图1.2和图1.3所示。
图1.1 推挽式电路原理框图
方案一：
采用推挽单端输出方式
图1.1所示的推挽式电路，变压器的中心抽头接于正电源，功率管交互工作，输出交流电压。
从原理图可看出，功率晶体管共地，驱动及控制电路比较简单，且因变压器具有一定的漏感，限制短路电流，从而提高了电路的可靠性。
缺点是升压变压器的利用率较低，带负载的能力较差。
输出效率很高，但电源利用率不高。
图1.2 全桥式电路原理框图
方案二：
采用全桥式输出方式
图1.2所示的是全桥式电路，4个60V/20A的MOSFET管并联连接，组成两个对称互补的电路，完成对输入信号的放大，克服了推挽式电路的缺点，电源利用率较高，有效提高了输出功率。
缺点是其上、下桥臂的晶体管不共地，必须采用隔离电源或采用专门驱动电路。
其电路结构较复杂。
图1.3高频升压式电路原理框图电路
方案三：
采用高频升压式输出方式
图1.3为高频升压式电路，由于前两种电路的输出都必须加升压变压器，因变压器体积较大，且效率低，价格也较贵，采用高频升压变式电路逆变，可实现高功率逆变。
其前级电路采用推挽式结构，逆变后经过高频变压器变压成为高频交流电，后又经高频整流滤波电路，滤波后得到高压直流电，最后通过全桥式逆变电路实现逆变。
高频升压式电路的缺点是电路较前两种复杂，可靠性比前两种电路都偏低[2]。
方案选择：
经过比较可知，推挽单端输出方式的驱动及控制电路比较简单，且电路的可靠性较高。
所以选择方案二。
1.3脉宽调制（PWM）芯片的选择
脉宽调制的脉冲生成的方法很多，分为两大类，完全由模拟电路产生或由专用集成芯片产生。
方案一：
采用SG3524芯片
SG3524芯片可以直接产生脉宽调制信号，但是这种电路产生的波形线性不好，达到要求较难，产生PWM方波时所需的外围线路简单。
而且它所产生的脉宽调制波的占空比不高，波形不理想。
且由SG3524所做的逆变器不允许带感性负载。
方案二：
采用SG3525／7芯片
集成脉宽调制芯片SG3525／7，它的集成度较高，可调频又可调宽，而且可调性较强，可调动态范围较大，可用来构建不同类型的驱动电路。
可将其制作成逆变电源，其转换效率较高，所需外围元器件较少，体积较小，成本低，且性能好，可靠性高。
是SG3524的增强版，在很多方面进行改进。
方案三：
采用TL494芯片
TL494芯片的主要特征是，它集成了全部的脉宽调制电路，芯片内片内置线性锯齿波振荡器和误差放大器，且外置振荡元件就两个，一个电容和一个电阻，线路较简单，稳压精度为5V土5%。
芯片内置5V的参考基准电压源，可不要外接电源。
而且其内置功率晶体管能够提供0.5A的驱动能力，使得设计的电路能够提供不间断的交流电，同时满足电路简单，体积小的要求。
芯片的输出方式为推或拉两种。
方案选择：
通过以上方案的比较可知，TL494芯片具备软启动功能，还可调整死区时间，同时还具备输入、输出、过压、过热保护。
所以选择方案三。
2电路设计及分析
2.1逆变电源的工作原理
逆变电源是把直流电转变成交流电的电子装置，电路原理图如图2.1所示。
它主要由逆变桥电路、控制逻辑电路和滤波电路组成。
分别利用TL494的5脚接电容和6脚接电阻作为脉宽调制电路的定时元件，用来决定输入和输出脉宽调制的频率，外加由外围器件组成的保护电路，则设计的逆变电源可输出220V/50Hz正弦波。
电路的变换部分采用TL494，Q3、Q4、Q5、Q6构成驱动电路，有两路驱动电路各驱动两只MOS晶体管。
晶体管Q3、Q4和Q5、Q6交替导通得到交流电，若输出直流电压较低，则可以通过交流变压器升压，可得到想要的交流电压和频率。
若需要提高输出功率，则每路可采用3只或者4只晶体管并联应用，其他电路部分不变[3]。
图2.1逆变电源电路的原理图
2.2电路的组成
本设计采用TL494芯片，电路主要由整流模块，滤波模块，功率放大模块，保护模块，电压放大模块电路及芯片TL494组成。
结构图如图2.2所示，包含12V直流稳压电源，集成芯片TL494，功放电路，变压器，反馈调制电路，以及采样电路。
电路板设计流程分为以下几个方面：
电路基本框图的设计选择；绘制电路原理图；PCB布板和电路板的制作；焊接元器件与检查电路；调试电路和测量数据；分析测量结果；确定电路的可行性，实用性[4]。
图2.2逆变电源结构图
2.3各部分电路的功能和作用
2.3.1直流开关稳压电源
将12V直流电压转换成上下约12V的直流电压，为逆变电源提供较为稳定的直流电压。
2.3.2功率放大电路
功放电路主要是由四个MOS晶体管并联组成两个推挽单端输出型输出，组成两个对称互补的电路，完成对输入信号的放大，可提高电源的利用率，有效提高了输出功率。
2.3.3变压器
变压器采用的是双12V转220V变压器，它的作用是把双12V直流电压升压为交流电。
变压器的初级匝数为20x2，其次级匝数为380。
2.3.4采样电路
逆变电源的采样电路是与芯片TL494相结合的，当输出交流电压发生变化时，电路通过采样电路将变化后的电压分量输入到芯片TL494的第2脚，并把输出电压与芯片的第1脚的电压比的不同，来改变脉宽调制（PWM），从而改变了占空比和电压，形成稳压电路。
2.4电路主要技术性能指标
（1）直流输入电压：
18VDC（2X0-30V/3A）
（2）逆变输出电压：
220V±10％
（3）额定输出功率：
≥50W
（4）逆变输出频率：
50HZ±5%
（5）逆变转换效率：
≥80％
（6）输出波形失真度：
<5％
（7）有输出、输入过压保护，过热保护
3系统主要元器件简介
3.1TL494CN
3.1.1TL494简介
TL494芯片是一种固定频率脉宽调制电路的集成，内部包含了开关电源控制所需要的全部功能电路，广泛应用于半桥式、全桥式、单端正激双管式开关电源。
TL494芯片有SO-16和PDIP-16这两种封装形式，可以适应不同场合的应用要求。
本设计采用的封装形式是PDIP-16，封装如图3.1所示。
3.1.2TL494CN的管脚及其功能
TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。
图3.2是它的各管脚功能。
TL494的主要特征如下：
（1）集成了全部固定频率脉宽调制电路；
（2）芯片内片内置线性锯齿波振荡器和误差放大器；
（3）外置振荡元件就两个，一个电容和一个电阻，线路较简单；
（4）稳压精度为5V土5%；
（5）芯片内置5V的参考基准电压源，可不要外接电源；
（6）内置功率晶体管能够提供0.5A的驱动能力；
（7）死区时间可调整；
（8）芯片的输出方式为推或拉两种。
图3.1TL494的封装图3.2TL494引脚图
TL494的引脚功能如表3-1所示。
表3-1TL494的引脚功能
引脚
功能描述
引脚
功能描述
1
比较器1同相输入
9
输出管1的E极
2
比较器1反相输入
10
输出管2的E极
3
比较器“或”输出
11
输出管2的C极
4
死区时间控制
12
Vcc
5
外接定时电容
13
输出方式控制
6
外接定时电阻
14
5V基准源输出
7
GND
15
比较器2反相输入
8
输出管1的C极
16
比较器2同相输入
3.1.3TL494的内部框图
芯片TL494的内部框图如图3.3所示。
图3.3TL494的内部框图
3.1.4TL494工作原理简述
TL494芯片是固定频率的脉冲宽度调制集成电路，芯片内部置有线性锯齿波振荡器。
TL494芯片的振荡频率可以通过其外接电路的电阻和电容调节，振荡频率如下所示：
3-1
通过电容CT上的正极性锯齿波电压与输出控制信号和死区时间控制信号进行比较来实现输出脉冲的宽度的调节。
TL494内部的功率输出管Q1和Q2受或非门控制。
只有在锯齿波的电平幅度大于控制信号的电平期间才会被选通。
但是，当控制信号电平增大时，TL494的输出脉冲宽度将减小。
可参看图3.4，TL494时序波形图[5]。
图3.4TL494时序波形图
TL494的极限参数如表3-2所示。
表3-2TL494的极限参数
TL494的极限参数
名称
代号
极限值
单位
工作电压
Vcc
42
V
集电极输出电压
Vc1,Vc2
42
V
集电极输出电流
Ic1,Ic2
500
mA
放大器输入电压范围
VIR
-0.3V—+42
V
功耗
PD
1000
mW
热阻
RθJA
80
℃/W
工作结温
TJ
125
℃
工作环境温度
TL494B
TL494C
TL494I
NCV494B
TA
-40—+125
0—+70
-40—+85
-40—+125
℃
额定环境温度
TA
40
℃
3.2变压器
变压器是双12V转220V，初级匝数为20x2，其次级匝数为380。
3.3其他主要器件
表3-3器件型号及其参数
型号
名称
反向耐
压（V）
浪涌
电流
正向平均
电流（A）
最大反向漏
电流（A）
正向压
降（V）
封装
IN4007
二极管
1000
50
1.0
5.0
1.0
DO-41
IN5819
二极管
40
30
1.0
0.001
0.6
DO-41
型号
名称
参数
IRF540
开关管
N沟道增强型MOS开关管VDss=100V，ID=28A，RDS（ON）=77mΩ
型号
名称
极性
V
A
W
MHZ
β
Kp1
STN8550
三极管
NPN
50
0.8
0.63
300
85-300
8050
3.4材料清单
表3-3材料清单
名称
大小型号
个数
TL494
1
插槽
16脚
1
电感
22μH
1
电容
103
3
104
1
1μƒ
1
10μƒ
1
47μƒ
1
1000μƒ
1
电阻（Ω）
0.3
1
30
4
820
1
1K
3
5.1K
1
10K
4
100K
1
IN4007
硅整流二极管
2
IN5819
硅整流二极管
2
IRF540
开关管
4
STN8550
三极管
2
4电路的调试及结果分析
电路板焊接完成后，认真检查电路是否完整及是否有短路、电容的正负极反接，TL494芯片是否插好和是否反接，有否虚焊。
检查完电路，确定电路无误后再进行加电。
观察电路元器件在加电后是否有异常情况发生，芯片，MOS管有没有发热等情况。
在确定没有异常后，测量输出的上下12V电压是否接近，数据正确，则接入变压器，测量输出交流电压是否可升压，接入负载灯泡，若灯泡可正常工作，则电路正常。
若灯泡不能发亮，则电路存在问题，应检查电路是否存在问题或是电路设计不够完善。
4.1逆变电源的性能测试
判断逆变电源的好坏主要有3个方面:
（1）首先是逆变电源能否长期地工作，即可靠性问题；
（2）逆变电源的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、输出总功率、输出波形，带负载能力，以及电压升降范围及稳定度等;
（3）逆变电源设计中所使用的材料和器件价格等，即经济性问题，包括:
体积、质量、成本和实用性。
4.2测试仪器
直流稳压电源，双踪示波器、数字万用表（型号：
VC9205）、滑动变阻器2个、钨丝灯泡）25W和40W各一个）、电阻若干。
4.3结果分析
逆变电源的设计的电路图不复杂，电路焊接完成后，用万用表检查所焊接的电路是否存在问题，如漏焊、短路、断路、电容正反接、芯片反接等问题，检测完毕后，确保电路无误，再加电，对各个模块进行调试。
在硬件调试中的主要问题是接入负载过小，造成电路停止工作，在对电路的检查过程中，发现没有电流流过芯片，在对12V直流电压源这个模块检查时发现是电感烧断。
由于逆变电源的输入电流较大，而焊接电路所用的电感是LGA系列电感器，可忍受的最大电流为0.09~0.4A，远小于测试时电路的输入电流，所以被烧毁。
在接入负载时，应接入高阻值的负载，以免电流过大，烧坏器件。
输出电压和频率，可通过改变外接电路来调节TL494的PWM值。
TL494的外接电路有可变电阻器，通过改变阻值，可达到升压，调频的作用。
在电路的测试中，若无输出电压，则电路存在问题，应检查TL494芯片3脚的电压值，若值大于1V，则芯片内部的保护电路有启动。
若TL494的3脚电压高于1V，检查电路，保证TL494的15脚的直流电压高于16脚的直流电压，1脚的直流电压高于2脚的直流电压。
TL494芯片的3脚电压值应为0V左右，同时满足以上两个条件，电路才能正常工作。
由于是电源的设计，在电路测试的过程中，应记录每一个模块的输出电压和电流，用于分析比较带负载能力和需要改良的地方。
我在测试时，没有按照正确的步骤，不仅没有将各模块的输出记录下来，在带负载时，阻值过小，造成电路板的损坏，又缺少各模块输出数据，给电路检查带来不便。
5设计总结及感受
此次设计，并没有达到预期的结果，硬件设计失败，但是本次设计也给我带来不少的好处，不仅加深理解所学知识，也扩充了相关知识，对知识的应用也更加灵活。
在实际操作中，由于我的粗心和不负责，在硬件测试的过程中增加了很多不必要的麻烦，如果我能按照正确的步骤去测试，可以节省许多时间和精力。
在之后的工作中，主要是对电路错误的查找，由于经验不足，和专业知识应用的不熟悉，电路检错效果并不好，反而造成芯片的多次烧毁，浪费了许多器件。
致谢
在这次毕业设计的选题和撰写过程中,谢仲伟博仲老师为我们提供实验场地、实验器件,在电路设计方案及论文撰写中进行精心的分析指导,给予了我许多建议，在此我向恩师表以最诚挚的谢意。
同时也向感谢帮助过我的同学。
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Inverterpowersupplydesign
CollegeOfPhyscisandInformationEngineeringElectronicInformationscienceandtechnologymajor070303045LinLing-juan
TeacherZhongWei-Boassociateprofessor
【Abstract】：
ThisdesignisbasedonTL494chips'inverter.Canrealizeto12voltsdcvoltagechangeintothe220voltsacvoltageinverter.Electronicproductrealizationconvenientfordailytriptoelectricity.Energyproblemsforprovidingafeasibleplan.Realizeourdailyneeds.Thisdesignhasthedesignissimple,lowcost,easytocarry,voltagecharacteristicssuchaselevating,andcanbeusedinmostelectronicproducts.Hasthequitebigpracticalvalue.
【Keywords】：
TL494;Powersource;Sinewave;Variablepressure
附录：
电路PCB
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