毕业设计便携式DCAC逆变电源设计.docx
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毕业设计便携式DCAC逆变电源设计
本科毕业设计说（明书
题
目：
便携式
DC/AC逆变电源设计
学生姓名：
xx
学
系
专
班
院：
xx别：
自动化系业：
自动化级：
自动化
xx
指导教师：
xx
二○○七年六月
摘要
随着电力电子技术的发展，尤其是功率MOSFET管和软开关技术的发展，便携式DC/AC逆变电源得以应用。
本课题设计的便携式DC\AC逆变器用于24V直流电变换成220V\50Hz的交流电。
在设计中，DC\DC部分采用反激式升压整流结构，变压器采用EI型功率铁氧体磁芯变压器，DC\AC侧采用半桥式逆变结构。
在本设计中还应用了100kHzPWM波对直流升压侧进行调制。
在半桥逆变部分，用单片机生成50HzSPWM波对逆变进行脉宽调制，其优点在于调制出来的电压信号谐波分量小、功率因数高、电压波形更接近正弦波。
本课题所设计的产品主要用于解决便携式数码产品和手机的充电问题。
因为在有些环境之下，并不能够找到可以为上述产品充电的交流电源，比如在汽车中和旅途中往往只能够提供直流电源。
本产品很好的解决了这类问题，所以本产品的市场推广前景很好。
关键词：
DC\DC；DC\AC；变压器；PWM；SPWM
I
Abstract
WiththedevelopmentofPowerElectronicsTechnologyandespeciallypowerMOSFETandsoft-switchtechnology,DC/ACinverterpowersourceforportableproductswasappliedwidely.
ThisprojectdesignportableDC\ACinverterfortheusageof24VDCconvertedinto220V\50HzAC.Powerdemandloadof10W,theoutputwaveformforbetterqualitysinewave.Inthedesign,thepartofDC\DCusestheflybackboosterrectifierstructure.Inthisdesignituses100kHzPWMwavetomodulatetheDCBoostrightside.Inthepartofthehalf-bridgeinverter,itgenerates50MCUHzSPWMwaveinverterforpulsewidthmodulation,Theadvantageisthatthesinewavemodulationsignalvoltageharmoniccomponentsaresmall,thepowerfactorishigh,thevoltagewaveformsclosertothesinewaveshape.
Theproductusedforresolvingtheportabledigitalproductsandcellphonechargerproblem.Insomeenvironment,wecannotfindthe220vACpowerforcharging.forinstance,whenyouareonthetrip.thetrainandthecardon’tsupply220VACpower.Thisproductsolvethoseproblemswell,sotheproductwillhaveagoodprospectsforpromotion.
Keywords:
DC\DC；DC\AC；Transformer；PWM；SPWM
II
第一章
绪
目
录
论......................................................1
1.1课题背景......................................................1
1.2课题研究的相关理论概述及方案的初选............................1
1.3系统框图的确定................................................1
第二章DC/DC电路的设计...........................................3
2.1DC/DC电路的相关理论...........................................3
2.1.1DC/DC变换器的拓扑类型.....................................3
2.1.2单管反激式变换器...........................................3
2.2反激式变压器的设计............................................6
2.2.1设计用基本参数设置及.......................................6
2.2.2变压器的设计...............................................6
2.2.3变压器设计的定量计算......................................7
2.2.4变压器材料...............................................11
2.3调制电路的设计...............................................12
2.3.1TL494的介绍..............................................12
2.3.2TL494的工作原理..........................................12
第三章DC/AC电路设计..............................................15
3.1半桥型逆变电路...............................................15
3.1.1半桥电路的定量分析.......................................16
3.1.2半桥电路的元器件选择.....................................16
第四章SPWM调制电路的设计.......................................17
4.1正弦波脉宽调制...............................................17
4.1.1正弦波脉宽调制简介.........................................17
4.1.2SPWM脉宽调制的优点.........................................17
4.1.3SPWM脉宽调制的生成方法.....................................18
4.2改进型SPWM生成技术的介绍...................................19
4.3SPWM的软件实现...............................................20
4.4SPWM的硬件实现...............................................21
III
4.4.1硬件实现的方法.............................................21
4.4.2硬件电路的介绍.............................................21
第五章
结
论.....................................................23
参考文献...........................................................24
附
谢
录.............................................................25
辞.............................................................28
IV
第一章
绪
论
1.1课题背景
随着人们生活水平的提高，人身边的手机、MP3及数码类产品逐渐增多。
所以解决此类产品的充电问题尤为重要。
绝大部分场合下，都可以找到可用的220V交流电源。
但身处部分场合并不能提供交流电源。
如在火车上、汽车中往往只提供24V或36V的直流电源。
因此给这些经常需要随身充电的人士带来了很大的不便。
同时电力电子技术的进步，尤其是软开关技术、功率MOSFET管的关断导通频率的增高、PWM和SPWM技术的进步。
使得生产出便携式的DC/AC逆变电源成为可能。
本课题所研究的DC/AC便携式逆变器，可以方便的在上述场合实现对数码产品和手机的充电问题。
1.2课题研究的相关理论概述及方案的初选
在本课题中，所要运用的理论部分主要涉及；电力电子技术、变压器的选择、PWM脉宽调制的相关理论及单片机的运用知识。
在电力电子部分主要涉及DC/DC斩波电路的选择及设计、DC/AC逆变电路的选择及设计。
变压器的选择涉及变压器磁芯的选型、参数的计算与变压器的磁芯的绕制。
PWM脉宽调制的运用，主要运用PWM生成芯片构建PWM生成电路及反馈电路。
单片机的运用主要涉及单片机生成SPWM对逆变电路进行调制。
1.3系统框图的确定
系统框图如图1-1所示
1
24V直
流电源
PWM脉宽
调试芯片
SPWM脉宽调制芯片
24V/5V
220V/50Hz
交流
驱动
DC/DC
驱动
DC/AC
图1-1系统框图
整个系统框图分为两个大的部分即DC/DC变换部分和DC/AC逆变部分。
在DC/DC部分对直流24V进行升压。
通过反激式变换器实现升压功能，其中的PWM调制芯片及完成对直流信号进行100kHz的调制，使其成为100kHz的脉冲信号，提高频率以减小变压器的体积，还通过反馈回路，构建一个完整的闭环系统，以保证整个系统的输出电压的稳定性。
DC/DC环节送出的高压直流信号通过整流二极管和送入DC/AC逆变部分。
DC/AC逆变结构采用半桥式逆变结构。
通过SPWM正弦脉宽调制生成正弦波信号。
其生成的220V正弦波信号具有谐波分量小和输出波形接近正弦波的优点。
框图中的24V/5V电路部分用于生成SPWM的单片机和看门狗电路的供电。
2
第二章DC/DC电路的设计
2.1DC/DC电路的相关理论
2.1.1DC/DC变换器的拓扑类型
1、六种基本拓扑结构
DC/DC变换器包括六种基本的拓扑结构：
降压Buck和升压Boost是DC/DC变换器的两种最基本的拓扑。
其他形式还包括Buck-Boost型、Boost-Buck型、Zeta型变换器由Buck-Boost和Buck组合而成、Sepic型变换器由Boost和Buck-Boost组合而成。
2、电气隔离型DC/DC
由基本的Buck型变换电路和基本的Boost型变换电路可以拓展为电器隔离型的DC/DC变换器。
包括单管正激式、并联交错正激式、推挽式、推挽正激式、双管正激式。
2.1.2单管反激式变换器
1．介绍
反激变换器拓扑在5W到150W的小功率场合中得到广泛的应用。
这个拓扑的重要优点是在变换器的输出端不需要滤波电感，从而节约了成本，减小了体积。
在以往一些中文参考资料的叙述中，由于同时涉及电路和磁路的设计，容易造成设计过程中的混乱，反激变换器电路本身的一些特性却没有得到应有的体现。
2．不连续模式反激变换器的基本原理
反激式电路的基本结构如图1所示。
反激变换器在开关管导通期间，变压器储能，负载电流由输出滤波电容提供。
在开关管关断期间，储存在变压器中的能量转换到负载，提供负载电流，同时给输出滤波电容充电，并补偿开关管导通期间损失的能量。
3
图2-1反激式电路的基本拓扑结构
电路的工作过程如下：
当M1导通，所有线圈的同名端（带·）相对于非同名端（不带·）是负极性。
输出整流二极管VD反向偏置，输出负载电流由输出滤波电容C提供。
在M1导通期间，原边上施加了一个固定的电压（Vdc-1）（这里假设开关管的导通压降是1V），并且流过以斜率dI/dt=（Vdc-1）Lp线性上升的电流，这里Lp是原边的磁化电感。
在导通时间的最后，原边电流上升到Ip=（Vdc-1）Ton/Lp。
当M1关断，磁性电感上的电流强制使所有线圈上的极性反向。
假设这时没有从次级绕组，只有主次级绕组，由于电感中的电流不能瞬时改变，在关断的瞬时，原边电流转换到次级，幅值为Is＝Ip（Np/Nm）。
经过几个周期以后，次级DC电压已经建立。
随着M1关断，Ns上的同名端为正极性，电流从同名端流出，并且线性地下降，斜率为dIs/dt=Vom/Ls,其中Ls是次级电感。
如果次级电流在下一个导通时间之前下降到0，则储存在原边电感的能量全部释放到负载，称这个电路工作于不连续模式。
连续模式与不连续模式的工作特性不同，由于不连续的情况出现了电流的断流，所以输出的波形会受到一定的影响。
但由于连续工作模式下需要非常的电容元件，成本较高。
所以在对输出波形要求不高的场合完全可以采用不连续工作模式。
4
图2-2
3.单管反激式电路的基本形式
不连续工作模式下的波形
反激式电路的基本形式非常简单，基本电路包含反激式变压器、MOSFET功率管、整流二极管、大的滤波电容和原边的保护结构。
本设计实现的电路的设计如图2-3所示：
5
图2-3反激式升压电路
本设计电路中元件的选择：
MOSFET选用的是IRF456N，它的
VGS
100V
、VDSS100V
，开启电压
是4V。
变压器两端所加的消耗电路中的二极管是UF4005，当原边储存较大电压时，为了保护MOSFET不被反向激起的电压激坏，所以构建消耗回路以保护MOSFET；同时串联两个15V的快速关断稳压二极管，把反激电压稳定在一定的范围之内。
副边串联的肖特基整流管可以选择700V的。
2.2反激式变压器的设计
2.2.1设计用基本参数设置及
Vcc=24v
升压到640V（已知）
开关频率：
100kHZ
输出功率：
10W
效率为80%
6
3
变压器传递功率为：
12W
变压器绕组导线2.5A/
mm
2
2.2.2变压器的设计
3）变压器种类的确定
本设计在DC/DC侧采用100kHz的PWM波对其进行调制，考虑到工作频率越高时变压器的体积越小。
所以选用铁氧体变压器进行变压。
选用EI型铁氧体磁芯。
其结构如图2-4所示。
表2-1给出了EI型变压器磁芯的具体参数。
图2-4EI型磁芯结构参数图
表2-1EI型磁芯规格及参数
型号
A
B
C
D
E
F
H
Ae（c㎡）
Le（cm）
Ve（cm）
ALnH/N2
µe
EI16
16
—
—
5
12.2
—
2
0.198
3.46
0.67
1100
1575
EI19
20
—
—
5.2
13.55
—
2.3
0.24
3.96
0.95
1400
1825
EI22
22
12.6
6
6
14.3
10.3
4.5
0.42
3.93
1.63
2400
2255
EI25
25.3
19
6.5
7
15.3
12.2
2.7
0.41
4.7
1.927
2140
1962
7
2
640
640
PV/N101.8
fb
本设计的负载功率为10W。
EI-22型变压器所带的负载功率为20W，符合本设计的要求。
2.2.3变压器设计的定量计算
根据EI-22型变压器磁芯计算本试验所用变压器的参数，计算过程如下:
1）计算原边、副边绕组的最小匝数
N
min
VtBacAe
式中：
N
min
=最小原边匝数;
VVcc
;
T=导通时间，s;
B
AC
=最大ac磁通密度，T;
Ae
=磁芯的最小横截面积，mm；
计算过程：
Nmin
VtBacAe
=
245
0.2242
13
（匝）
原边V/匝=
24
13
1.8V/N
副边的逆变结构为半桥结构，所以选用的电压为692VNS356匝
1.8
新的反激电压每匝VfbN
是
Vfb
N
1.8V/N356
2）计算占空比
t
on
5sVfb/NV/N1.81.8
式中：
8
6
0.12
13
2
t
on
=Q1的导通时间；
P=总周期，s；
VfbN
=新的副边每匝反激电压；
V/N=原边每匝正向电压；3）计算原边电感
平均电流
I
a
Ia
输入功率
Vcc
0.5A
导通周期的平均电流
I
m
Im
Ia总周期导通周期
1A
原边电感
L
p
Lp
Vccti
24510
0.12mH
1
（iI
m
）
知道了
L
p和Np
以后可以根据Hanna曲线得到
L
p
AL
2
N
P
计算得：
AL
L
N
p
2
P
20.0007
从而根据下列公式计算气隙尺寸：
rNPAeLp
在此，
=气隙总长度，mm；
r
=410
7
磁芯相对磁导率；
N
p
=原边匝数；
9
2
72
2
NA4101342
rPe
2
Ae
=磁芯面积，mm；
L
p
=原边电感，mH。
计算得：
0.074mmLp0.12
4）检验磁芯磁通密度和饱和裕度计算磁芯饱和裕度
（1）使用伏秒方程，计算交流磁通
B
AC
，并在最大负载和最小输入电压的输
入功率下，计算或测量“导通”时间值及所加的电压，如下：
B
AC
VtNpAe
在此，
V
Vcc,V
;
t“导通”时间，
s
；
N
p
=原边匝数；
Ae
=磁芯面积，mm；
B
AC
=交流峰值磁通密度，T.
计算得：
Vt245
0.12TB
AC
NpAe1342
。
（2）使用螺线管方程和有效的DC分量计算DC分量DDC
I
DC
（表示为“导通”初期电流的幅值），
假定磁芯的所有磁阻都集中在气隙，将得到明显较高的DC磁通密度保守值。
使用螺线管方程可得到其近似值。
在此，
0410
7
H/M;
N
p
=原边匝数；
I
DC
=有效DC电流，A;
10
7
NI410130.5
0
pDC
0
3
3
2
BDC
=气隙总长度，mm；
=DC磁通密度，T.
BDC
H0.0011T
100.07410
AC和DC磁通密度的叠加使磁芯出现峰值。
BmaxBACBDC0.210.00110.2111T
而磁通密度的上限为0.22T,由此可见磁通密度的利用率比较高。
5）计算绕组线径
原边线径的选择：
0.5A
2.5Amm
2
0.2mm
2
r0.064
0.5mm
副边线径的选择：
I
aNpIsNs
I
s
0.02A
0.02A
2.5Amm
2
0.008mm
2
r
2
0.0025
r0.05mm
0.1mm
2.2.4变压器材料
1）铁芯
有许多形状的铁芯但反激式变压器一般选用EI型铁心，原因是它的成本低，易使用。
2）骨架
对骨架的主要要求是确保满足爬电距离，初、次级穿过磁芯的引脚距离要求以及初、次级面积距离的要求。
骨架要用能承受焊接温度材料制作。
3）绝缘胶带
11
聚酯和聚酯膜是用作绝缘胶带最常用的形式，它能定做成所需的基本绝缘宽度或初、次级全绝缘宽度（例如3M#1296或1H860）。
4）励磁导线
励磁导线的护套首选尼龙/聚亚安酯，它在和熔化的焊料接触时阻燃，这样就允许变压器浸泡在焊料锅中。
不建议使用标准的瓷釉导线，由于在焊接前要剥去绝缘层。
5）3层绝缘导线
在3层绝缘结构中次级绕组导线使用3层绝缘材料，和励磁导线相似主导线是单芯，但是它有不同的3层结构，即使三层中任意两层接触都满足绝缘要求。
6）护套
边沿空隙结构变压器绕组的首、尾端需要保护套。
保护套必须经过相关的安全认证至少有0.41壁厚以满足绝缘要求，由于热阻要求通常使用热缩管，要确保在焊接温度是不被熔化。
2.3调制电路的设计
2.3.1TL494的介绍
TL494是美国德州仪器公司生产的一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路，主要应用在各种开关电源中。
本文介绍它与相应的输入、输出电路等一起构成一个单回路控制器。
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。
TL494的工作频率范围很大，而其工作频率可达300kHz，可见TL494的可调性大。
2.3.2TL494的工作原理
1）TL494的管
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