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车载逆变电源设计论文

郑州工业安全职业学院

毕业论文（设计）

题目：

车载逆变电源设计

姓名孟小鹏

系别信息工程系

专业电气技术

班级08电气

指导教师左明鑫

2011年05月04日

摘要

载逆变电源是可以把汽蓄电池12V直流电转变为大多数电器所需要的220V交流电，本次设计是将12V直流电源通过两个IGBT的导通和关断将输入的直流电压转变成脉宽调制交流电压，也就是把12V直流通过TL494PWM控制器变为12V脉冲输出接着利高频变压器把交流电压升高为360V左右。

再用全波整流交流电压转换成直流高压电压320V，再利用开关管组成的全桥变换器把高压直流320V的逆变所需交流电220V，方波电压最后再经过LC工频滤波得到有效值为220V/50HZ的交流电供负载使用。

其中设计了对开关管的驱动电路，本次设计采用富士集团的EXB系类驱动IGBT的工作，通过控制IGBT等的通断时间来实现本次的设计DC/DC升压，DC/AC的逆变。

该设计应用开关电源电路技术有关知识，涉及到模拟集成电路。

电源集成电路充分应用了TL494/SG3525的固定频率脉冲宽度调制电路。

因此本次的模块设计主要包括DC\DC高频升压逆变转换模块、整流滤波AC/DC逆变桥模块、欠压保护、过流保护、过热保护等部分组成。

本文所介绍的逆变电源电路主要采用集成化芯片包括了TL494、SG3525作为PWM的控制器，通过调整驱动脉冲的占空比或关断脉冲来实现电压调节、过流保护及欠压保护等功能，使得电路结构简单、性能稳定、成本较低。

因此这种电路是一种控制简单、可靠性较高、性能较好的电路

关键词:

车载电源逆变电路IGBTPWM

前言

车载逆变电源是将汽车发动机或汽车电瓶上的直流电转换为交流电，供一般电器产品使用，是一种较方便的车用电源转换设备。

它是常用的车用汽车电子用品。

有了它就可以在汽车上使用通常在家庭里才能使用的电器，比如车载音响、便携电脑、电视机、打印机、传真机、游戏机、摄像机、数码相机等设备或对其机内电池进行充电，大功率的逆变器，还可以带动电钻、电热水器、微波炉等大功率电器，也常应用医疗急救仪器、军用车载设备等，现在已经发展为可应用于各个行业领域，不仅可作为移动交流电源在车辆，船舶上使用，也适合与太阳能电池配合使用，能够方便地为这些电气设备提供交流电。

在交通发达的欧美国家，车载逆变器早已成为每辆汽车的必备工具。

目前车载动力电源已经成为是未来汽车发展的一个重要方向。

对于以电池供电的全电动力系统或者以发动机和蓄电池混合动力系统而言，车载电源的设计的信息和资源,应达到简化、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性和可维护性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统的目的。

减少不可再生能源的利用，减少污染气体排放。

降低成本，保护环境，绿化世界。

本文所设计的电动汽车能源设计方案，基本能够实现节约能源，优化发动机工作效率的目的，并且技术相对比较成熟，具有高度灵活性、简单的扩展性、优良的抗干扰性和处理错误能力，对于提高汽车的动力性、操作稳定性、安全性都有重要意义。

车载电源

（1）车载电源

车载电源是电子设备的动力部分是一种通用性很强的电子产品。

它在各个行业及日常生活中得到了广泛的应用，其质量的好坏极大地影响着电子设备的可靠性,其转换效率的高低和带负载能力的强弱直接关系着它的应用范围。

方波逆变是一种低成本，极为简单的变换方式。

它适用于各种整流负载，但是对于变压器的负载的适应不是很好，有较大的噪声。

据统计，国内配备这种转换器的车还不足20%，加之每年汽车销量居高不下，因而电源转换器在国内有很大的市场前景。

（2）车载电源优点

按照输出波形来分，车载逆变电源可分为正弦波输出和方波输出两种。

价格它具有可编程动态输出电压、高精度稳频稳压按键式快速调节电压、频率、高精度显示:

电压、电流、频率、有功功率、输出电压0～300V可调可模拟世界各国各地国电压具有过压、过流、过载、超温等多重保护及报警功能我们的准正弦波电力逆变电源内设有欠压警示和欠压保护电路，当长时间使用电瓶导致电压下降10V时，欠压保护电路启动，输出电压切断并报警，以防止因电瓶电压过低而无法启动发动机的事故。

因此，用户可以在发电机关闭的状态使用车载逆变电源车。

设计控制要求

车载电源系统设计是关系车辆性能的一个重要因素。

设计时需要考虑综合车辆总体设计方案和外部使用环境，为了节约电源，还需要设计一定的控制策略保证电源的最佳利用。

所以很有必要对全电车辆的电源管理系统进行深入探讨。

本次的设计就是可以要把汽车内的蓄电池组的里的12V直流电源转变为市电220V/50HZ交流电。

先查阅相关资料熟悉了解各个设计模块工作原理，首先介绍了驱动电路芯片和的使用，设计驱动和保护电路、欠电压保护电路和过流保护电路。

应画出系统的框图、各个模块的设计的电路图，各个芯片的外部接线图。

计算各个模块的各个元件的额定电压额定电流等，以及各个元件参数选型，以及本文阐述了要求车载电源的设计及实验过程中的一些特殊问题的解决措施。

第一章车载电源具体电路设计

1.1车载电源的主电路设计

（1）车载电源的工作原理

利用功率开关把输入的直流电压转变成脉宽调制交流电压，然后利用推挽逆变器和高频变压器把交流电压升高，再用全波整流交流电压转换成直流，最后由全桥变换器把高压直流逆变成所需交流电。

我们的准正弦波电力逆变电源内设有欠压警示和欠压保护电路，当长时间使用电瓶导致电压下降10V保护电路启动，输出电压切断并报警，以防止因电瓶电压过低而无法启动发动机的事故。

因此，用户可以在发电机关闭的状态使用车载逆变电源。

本文所介绍的逆变电源电路主要采用集成化芯片，使得电路结构简单、性能稳定、成本较低。

因此，这种电路是一种控制简单、可靠性较高、性能较好的电路。

如下的系统结构框图所示：

主要包括DC/DC高频升压逆变转换模块、AC/DC逆变桥模块、欠压保护、过流保护等部分组成。

图2.1车载电源的基本结构

（2）车载电源电路结构与功能具体分析

图2.2车载电源系统图

首先由DC/DC变换将DC12V电压逆变为高频方经过高频升压变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的约320V直流电压，该部分的控制信号由TL494芯片产生。

然后再由DC/AC变换以方波逆变的方式，将稳定的直流电压逆变成有效值稍大于220V的方波电压然后再经过LC工频滤波得到有效值电压为220V的50Hz交流电压，以驱动负载。

为保证系统可靠运行，防止主电路对控制电路的干扰，采用主、控电路完全隔离的方法，即驱动信号用光耦隔离，反馈信号用变压器隔离，辅助电源用变压器隔离。

对于整个系统而言，逆变电路能否正常工作决定了整个系统能否正常运行。

所以设计的重点在逆变器的控制和检测上。

1.2DC/DC转换的设计

（1）高频升压电路采用推挽式DC/DC变换电路。

如图2.3所示，输人端UA为蓄电池电压（+12V）。

输入电压一端接在变压器的原边的中间抽头，另一端接在开关管VT1、VT2的中点。

能控制控制VT1/VT2轮流导通，将DCl2V电压变为高频方波是通过TL494作为PWM的脉宽调制的控制芯片，经高频升压变压器升压．再整流滤波得到输出端为U1的直流电压（320V）。

变压器T1起隔离和传递能量的作用。

在开关管VT1开通时，然变压器T1的N1绕组工作并耦合到副边N3绕组；开关管VTI关断时，NI向N3释放能量；在输出端，有四个二极管与两个电阻构成副边整流、滤波电路。

图2.3DC/DC工作电路

升压高频变压器T1的设计应满足在输入电压最低时。

副边电压经整流后不小于逆变部分所需要的最低电压360V同时输入电压最高时，副边电压不能过高，以免损坏元器件。

同时也必须考虑绕线上的电压降和发热问题。

选EE型铁氧体磁芯，原副边绕组为10匝和300匝。

所以N1:

N3=1:

30所以12V直流通过PWM得到12V脉冲通过T1升压为U2=360V交流。

整流部分：

Ud=0.9U2=324VA

然而升压变换电路部分:

U2=（1/1-d）*E，其中E就是12V。

因此D=96%。

因此根据D=96%得到控制PWM输出的脉冲宽度。

驱动控制器的选择，电路的DC-DC部分采用TL494控制，目前所有的双端输出驱动IC中，可以说美国德克萨斯仪器公司开发的TL494功能最完善、驱动能力最强，然而此电路中主要基本元器件的选择:

有开关管VT1、VT2整流二极管D1~D6、变压器T1等。

因为我们输入电压范围在l0.8-12.5V，输入最大电流15A，考虑到余量的问题他们的额定电压就为30V电流为35A。

所以选用IGBT的是东芝的MG75J2YS50，其耐压为100V，可以流过的最大电路为6.1A，导通电阻2.0Ω因此变压器副边输出整流桥由4个高效整流二极管D1~D6组成选用型号HER306。

滤波电容C1选用47Pf/450V电解电容。

满载时开关管IGBT承受的电压:

VS=E/1-D，E=12V，D=0.963，所以VS=36.4V

图2-1DC/DC变流器技术指标

参数

值

最低电压10.5V

正常电压12V

最高电压12.8

输出电压

320V

额定功率

500W

开关管额定电压

36.4V

开关频率

50kHZ

1.3DC/AC变换的设计

如图2.4所示，DC/AC变换采用单相输出，由4个开关管构成桥式逆变电路，最高耐压400V电流10A，功耗125W，利用半桥驱动器EXB841提供驱动信号，其输入波形由SG3525提供，同理可调节SG3525的输出驱动波形的D<50％，保证逆变的驱动方波有共同的死区时间。

DC/DC高频升压电路输出的直流高压为（360V）过逆变桥，VT3~VT6组成的逆变桥为电压型逆变并采用正弦脉宽调制。

逆变输出的电压经过电感L电容C滤波后，终在负载上得到220V/50Hz的正弦波交流电。

图2.4DC/AC工作电路

根据图2.4所示，DC/AC逆变电路所用到的主要元器件有开光管VT3~VT6，整流二极管D7~D10，滤波电容C0以及电感L0等。

对角的开关管VT3与VT6作为一组VT5与VT4作为一组，两组开关轮流工作，一个周期中的短时间内，四个开关将均处于断开状态，定有死区时间，防止开关管直通。

将直流升压输出的电压作为单相全桥逆变电路的输入电压，通过SG3525作为控制器输出正弦波调制信号，通过放大，并经过EXB841驱动去控制4个开关管的导通（VT3与VT4或VT5与VT6同时导通），最后经LC滤波电路输出220V/50HZ的正弦波信号。

本设计要求输出功率为500W由P=UI可以得出流过功率开关管的额定电路约为2.3A显然,通过开关管的电流会较小，要承受较高反向电压，即高压电压峰值，加上一定余量所以选择两个绝缘栅双极型晶体管IGBT型号600V、SSS6N60A。

该管基本参数：

Vdss=600V，Id=3.2A。

LC滤波参数可以按如下经验公式选择：

L=0.033VS•TS/IS，C=0.012TS•IS/VS。

式中Vs为额定电网相电压有效值,Ts为电网电压额定周期，IS是在额定输入电压下，负载为额定电阻性负载时输入交流电流的有效值VS=220V，TS=T=1/50=0.02，IS=I=2.3A。

经计算得：

L=0.033*220*0.02*/2.3=0.063H，C=0.012*0.02*2.3/220=2.5uF。

整流桥有四个整流二极管VD5-VD8组成选用型号为HER306。

图2-2DC/AC参数

参数

值

开关管IGBT额定电压

600V

开关管IGBT额定电流

2.3A

流过电流峰值

3.2A

输出电压

220V

额定功率

500W

开关频率

20HZ

第二章控制电路的设计

2.1驱动电路设计

2.1.1IGBT驱动电路要求

在设计IGBT驱动时必须注意以下几点：

1）栅极正向驱动电压大小将对电路性能产生重要影响，必须正确选择。

当正向驱动电压增大时，IGBT导通电阻下降，使开通损耗减小，但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流IC随UGE增大而增大，可能使IGBT出现擎住效应，导致门控失效，从而造成IGBT损坏；

2）IGBT快速开通和关断有利于提高工作频率,减小开关损耗。

但在大电感负载下IGBT开关频率不宜过大，因为高速开通和关断时，会产生很高尖峰电压，极有可能造成IGBT或其他元器件被击穿。

3）选择合适栅极串联电阻RG和栅射电容CG对IGBT驱动相当重要。

2.1.2EXB841芯片

隔离栅双极性晶体管正日益广泛地应用于小体积,低噪音，高特性的电源，逆变器，不间断电源（UPS）以及电机速度控制装置之中。

用于驱动管是混合IC驱动器吸取了IGBT的全部优点而开发的。

目前市场上应用最多的IGBT驱动模块是富士公司的EXB系类。

EXB系统的驱动模块的特点就是内部装有高隔离电压的光耦合器2500VAC一分钟，有过电流保护和过电流保护输出信号端子，另外可以单电源供电。

因此选择EXB841高速型的驱动模块

以下是EXB841的外部结构:

图3.1IGBT驱动电路

EXB841的信号是从PWM控制器出来接15脚和14脚5脚接过电流保护电路，在3脚接外接电阻R4是为了保护IGBT当管子导通时可能产生电压和电流颤动会增加开关损耗。

当IC电流急剧上升会影响UCE产生一个尖峰脉冲这个脉冲会增加IC电流形成反馈效果，为了保护管子在栅极—发射极间加个稳压二极管，钳制G-E电压突升，驱动电压为15V极管可以为16V这样能起到一定的保护电路。

2.2PWM控制器的设计

2.2.1TL494芯片设计

TL494芯片内置有5V基准源，稳压精度为5V±5％，负载能力为10mA，并通过其14脚进行输出供外部电路使用。

TL494芯片还内置2只NPN功率输出管,可提供500mA的驱动能力。

TL494芯片的内部电路如图3.4所示图中TL949是成车载逆变器的核心控制电路。

TL494CN9是专用的双端式开关电源控制芯片，其尾缀字母CN表示为芯片的封装外形为双列直插式塑封结构，工作温度范围为0℃-70℃，极限工作电源电压为7V～40V，最高工作频率为300kHz。

1TL494的主要特征：

集成了全部的脉宽调制电路。

片内置线性锯齿波振荡器,外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容，内置误差放大器。

内止5V参考基准电压源可调整死区时间。

内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。

2）TL494极限参数

表3-1TL494极限参数

TL494极限参数

工作极限电压

42V

集电极输出极限电压

42V

集电极输出电流

500MA

放大器输出电压范围

-0.3V--+42V

功耗

1000mW

热阻

300C/W

工作解温

125℃

工作环境温度

常温

额定环境温度

40℃

图3.2TL949外围电路

上图是TL494外部接线图，图中15脚外围电路通常会外接的三个电阻R11、Rt、R12组成过热保护电路，Rt为正温度系数热敏电阻，常温阻值可在150Ω～300Ω范围内任选，适当选大些可提高过热保护电路启动的灵敏T。

TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器,振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性的锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。

TL494的5脚外接电容C4（472）和6脚外接电阻R10（4K3）为脉宽调制器的定时元件，所决定的脉宽调制频率fosc=1.1÷（0.0047×4.3）kHz≈50kHz。

因此电路中的三极管VT1、VT2、VT3、VT4以及变压器T1的工作频率均为50kHz。

所以本次设计的T=1/f=1/50000=0.00002s。

设计此部分输出的脉冲占空比为D=96.3%。

因此Ton=96.3T，Toff=3.7T。

2.2.2SG3525的设计

（1）SG3525的原理

后级DC\AC逆变电路采用SG3525作为控制器，单片集成PWM控制电路芯片SG3525，是一种电压型开关电源集成控制器，其性能优良、功能齐全和通用性强，简单可靠及使用方便灵活，内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，开关频率可调，误差放大，脉宽调制比较器和关断电路。

当脚10（关断端）加高电平时，可实现对输出脉冲的封锁与外电路适当连接。

则可以实现欠压、过流保护功能。

SG3525性能简介如下：

工作电压范围宽：

8～35V。

内置5.1V±1.0％的基准电压源，芯片内振荡器工作频率宽100Hz～400kHz，具有振荡器外部同步功能，死区时间可调。

为了适应驱动快速场效应管的需要，末级采用推拉式工作电路，使开关速度更陕，末级输出或吸入电流最大值可达400mA，内设欠压锁定电路。

当输入电压小于10V时芯片内部锁定，停止工作（基准源及必要电路除外），使消耗电流降至小于2mA也具有软启动电路。

比较器的反相输入端即软启动控制端芯片的引脚8，可外接软启动电容。

该电容器内部的基准电压Uref由恒流源供电，达到2.5V的时间为t=（2．5V／50μA）C，占空比由小到大（50％）变化。

内置PWM（脉宽调制）。

锁存器将比较器送来的所有的跳动和振荡信号消除。

只有在下一个时钟周期才能重新置位，系统的可靠性高。

（2）SG3525外部接线图

图3.3SG3525外部接线图

直流电源Vs从脚15接入后分两路一路加到或非门，另一路送到基准电压稳压器的输入端,产生稳定的＋5V基准电压。

＋5V再送到内部（或外部）电路的其它元器件作为电源。

振荡器脚5须外接电容CT、脚6须外接电阻RT。

振荡器频率f由外接电阻RT和电容CT决定f=1.18/RT*CT。

逆变桥开关频率定为50kHz,取CT=0.44μF，RT=10kΩ。

振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门。

另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出。

误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。

或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。

双稳态触发器的两个输出互补，交替输出高低电平，将PWM脉冲送至三极管VT3及VT4的基极。

锯齿波的作用是加入死区时间，保证VT3及VT4不同时导通。

最后VT3及VT4分别输出相位相差180°的PWM波。

2.3PWM信号的产生

正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和成本均高。

准正弦波逆变器可以满足我们大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中的主流产品。

要得到正弦电压的输出,就要使逆变电路的控制信号以SPWM方式控制功率管的开关所得到的脉冲方波输出再经过滤波就可以得到正弦输出电压。

通过SG3525控制来实现输出正弦电压,首先要得到SPWM的调制信号而要得到SPWM调制信号。

必须得有一个幅值在1～3.5V,按正弦规律变化的馒头波。

将它加到SG3525脚2并与锯齿波比较，就可得到正弦脉宽调制波。

实现SPWM的控制电路框图如图3.4所示

图3.4SPWM控制电路框图

由图3.4可知,基准50Hz的方波是由555芯片生成的,用来控制输出电压有效值和基准值比较产生的误差信号，使其转换成50Hz的方波。

经过低频滤波,得到正弦的控制信号。

当电源输出电压发生变化时，会改变正弦信号的幅值,使得SG3525输出脉宽也发生相应的变化。

这就构成了一个闭合的反馈回路,能有效稳定输出的波形。

第三章保护电路的设计

3.1过流保护

过电流保护采用电流互感器作为电流检测元件，其具有足够快的响应速度,能够在IGBT允许的过流时间内将其关断起到保护作用，如图4.1所示。

当同相输入端过电流检测信号比反相输入端参考电平高时，比较器输出高电平，使D2从原来的反向偏置状态转变为正向导通,并把同相端电位提升为高电平，使电压比较器一直稳定输出高电平。

同时，该过电流信号还送到SG3525的脚10。

当SG3525的脚10为高电平时。

其脚11及脚14上输出的脉宽调制脉冲就会立即消失而成为零。

图4.1过电流保护电路

3.2蓄电池的欠压保护

保护电路分为欠压保护和过流保护欠压保护电路如下图所示，监测蓄电池的电压状况，如果蓄电池电压低于预设的10V，保护电路开始工作，使控制器TL949的脚1关断端输出高电平。

停止驱动信号输出。

下图中运算放大器的正向输入端的电压由R10和R11分压得到，而反向输入端的电压由稳压管箱位在+7.5V，正常工作的时候，TL949导通，输出驱动信号，驱动晶闸管正常工作，实现逆变电源的设计，当蓄电池的电压下降超过预定值后，运算放大器开始工作，输出跳转为负，LED灯亮。

同时IGBT截止，向TL949的Sd端输出高电平，封锁的其输出驱动信号，此时便没有电压的输出报警蜂鸣。

图4.2欠压保护

TL494的1脚外围电路的VS3、R15、D1、C7、R16构成12V输入电源过压保护电路，稳压管VS3的稳压值决定了保护电路的启动门限电压值，D1、C7、R16还组成保护状态维持电路，只要发生瞬间的输入电源过压现象，保护电路就会启动并维持一段时间，以确保后级功率输出管的安全。

考虑到汽车行驶过程中电瓶电压的正常变化幅度大小，通常将稳压管SV3的稳压值选为15V或16V较为合适。

3.3过热保护

当电路工作异常，开关管VT1、VT2的温升大幅提高，热敏电阻Rt的阻值超过约4kΩ时。

TL494内部的比较器1的输出将由低电平翻转为高电平，TL494的3脚也随即翻转为高电平状态，致使芯片内部的PWM比较器、“或”门以及“或非”门的输出均发生翻转，输出级三极管VT2均转为截止状态。

当TL494内的两只功率输出管截止时，图4.3电路中，开关管VT2和VT4将因栅极无正偏压而处于截止状态，逆变电源电路停止工作。

3.4LED显示与报警蜂鸣

TL949具有实时检测电压的效果通过它输出端与LED连接，编程使LED实时显示蓄电池的电压信息，若蓄电池电压为10.8~12.5V时输出信号使绿色LED亮起则接通并显示正常工作状态，倘若蓄电池电压低于10V时则关断TL949引脚3的输出信号同时向LI及LII输出信号使红色LED接通且蜂鸣器开始鸣响用于警示工作状态的异常。

当温度过高，热敏电阻超标逆变温度检测器感应接通LIII蜂鸣报警。

其电路图如图4.1所示

图4.3LED显示及报警

第四章调试与运行结果

调试欠应做如下的准备：

各个元器件连接、检查各个接线是否接上并确定连接紧固。

检查各个芯片的引脚紧固无误，检查各元件是否有损坏。

检查接着在确定总设计分模块调试。

检测各个软件设计是否可行，各个模块设计是否可行。

检查各元件参数是否设置正确合理。

调节基准电压以及误差电压观察输出的波形。

调节TL494/SG3525输出脉冲的宽带、占空比等。

接着应控制PWM波的输出使DC/DC变换输出电压稳定在320V左右。

控制的额定功率500W滤波器L=0.063H，C=2.5uF。

联机调试。

最后根据输出的正弦波形对控制电路进行微调。

下图是逆变器输出的波形

第五章设计心得

在本次的毕业设计中，我发现有很多设计理念来都是源于实际，并从实践与理论中方能找出最适合的设计方法。

这次设计也是给自己也带来较大的挑战，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，尤其是校内指导老师和同学们，遇到问题时能使自己及时得到解决。

在一个多月的时间里，自己在做设计的过程中能不停地发现问题