逆變電源課程設計

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　課程名稱： 電力電子技術</p><p>　　題 目：逆變電源設計</p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>　　學生姓名： </p>

2、;<p>　　學 號： </p><p>　　指導老師： </p><p>　　審 批： </p><p>　　任務書下達日期 年 月 日</p><p>　　設計完

3、成日期 年 月 日</p><p><b>　　1電路功能</b></p><p>　　該電源的設計主要要應用到功率轉換、高頻濾波脈沖發(fā)生電路、脈寬調制PWM、電壓電流檢測單元、驅動電路等知識點。通過該電路將12V直流電轉換為220V/50HZ的交流電，供給各種消費電子產品使用。</p><p><b>　　2

4、方案設計</b></p><p><b>　　2.1設計總體思路</b></p><p>　　本電路的設計思路框圖如下圖所示。該電路由12V直流輸入、輸入過壓保護電路、過熱保護電路、推挽逆變、高頻整流濾波、全橋逆變、輸出過壓保護電路等組成。通過TL494-1產生一個頻率為50KHZ的高頻脈沖,通過TL494-2產生一個頻率為50HZ的脈沖，供給MOSFET

5、的控制端。以便輸出為50HZ的交流電源?？傮w思路：先將12伏的直流電通過MOSFET的推挽逆變和變壓器升壓之后，變?yōu)橐粋€220V的高壓直流。再通過逆變電路之后變?yōu)樵O計要求的頻率為50HZ電壓為220V的交流電。</p><p>　　12V220V/50k直流220/50</p><p><b>　　整機原理圖</b></p><p>&l

6、t;b>　　2.2基本原理</b></p><p><b>　?。?）逆變電路原理</b></p><p>　　組合推挽電路原理如圖所示。此路的主要功能是將12V直流電轉換為220V/50KHZ的交流電。</p><p>　　12V直流 </p><p>

7、　　全橋逆變電路方框圖如下圖所示。此電路的主要功能是將220V直流電轉換為220V/50HZ的交流電。全橋電路以50HZ的頻率交替導通，產生50HZ交流電。</p><p>　　高壓直流 220V/50HZ</p><p>　?。?）總體方案實現原理</p><p>　　輸入12V直流電源電壓，經過推挽逆變電路得到220V/50K

8、HZ的交流電，此交流電在經過整流濾波電路得到220V高壓直流電，然后經過全橋逆變得到220V/50HZ交流電。其中輸入過壓保護電路。、輸出過壓保護電路、過熱保護構成整個電路的保護電路。一旦輸入電壓出現過大或者過小時，保護電路立即啟動，然后停止推挽逆變電路的工作。輸出過壓保護電路與全橋逆變構成反饋回路，一旦電路輸出異常則停止全橋逆變的工作。在逆變電路I中使用一塊TL494芯片產生50KHZ的脈沖頻率，經過變壓器推挽電路將12V直流轉換成2

9、20V/50KHZ的交流電。在逆變電路II中再使用一塊TL494芯片產生50HZ的脈沖波，全橋電路以50HZ的頻率交替導通，從而將220V直流和50HZ脈沖電路整合，然后輸出220V50HZ的交流電。在該電路中都是利用TL494的輸出端作為逆變電路工作狀態(tài)的控制端。</p><p><b>　　3單元電路設計</b></p><p><b>　　3.1主

10、電路</b></p><p>　　3.1.1高頻逆變和高頻濾波電路</p><p>　　注：單元電路畫圖是基于MULTISIM,總電路是基于ALTIUM DESIGNER,仿真是基于MATLAB中的Simulink。</p><p><b>　　3.2控制電路</b></p><p>　　3.2.1脈寬

11、調制PWM</p><p>　　脈沖寬度調制我們是采用了現在比較常用的脈沖產生調制芯片：TL494，它是專用雙端脈沖調制器件，TL494為固定頻率的PWM控制電路，它結合了全部方塊圖所需之功能，在切換式電源供給器里可單端式或雙坡道式的輸出控制。如圖1所示為TL494控制器的內 部結構與方塊圖其內部的線性鋸齒波振蕩器乃為頻率可規(guī)劃式(frequencyprogrammable)，在腳5與 腳6連接兩個外部元件RT與

12、CT，既可獲得所需之頻率其頻率可由下式計算得知</p><p><b>　　F=1.1/RC</b></p><p>　　輸出脈波寬度調變之達成可借著在電容器CT端的正鋸齒波形與兩個控制信號中的任一個做比較而得之。 電路中的NOR閘可用來驅動輸出三極管Q1與Q2，而且僅當正反器的時鐘輸入信號是在低準位時，此閘 才會在有效狀態(tài)，此種情況的發(fā)生也是僅當鋸齒波電壓大于控制信

13、號電壓的期間里。當控制信號的振幅增 加時，此時也會一致引起輸出脈波寬度的線性減少。如圖所示的波形圖</p><p>　　外部輸入端的控制信號可輸入至腳4的截止時間控制端，與腳1、2、15、16誤差放大器的輸入端，其輸 入端點的抵補電壓為120mV，其可限制輸出截止時間至最小值，大約為最初鋸齒波周期時間的4%。當 13腳的輸出?？刂贫私拥貢r，可獲得96%最大工作周期，而當13腳接制參考電壓時，可獲得48%最大 工作

14、周期。如果我們在第4腳截止時間控制輸入端設定一個固定電壓，其范圍由0V至3.3V之間，則附 加的截止時間一定出現在輸出上。 PWM比較器提供一個方法給誤差放大器，乃由最大百分比的導通時間來做輸出脈波寬度的調整，此乃借 著設定截止時間控制輸入端降至零電位，而此時再回授輸入腳的電壓變化可由0.5V至3.5V之間，此二個 誤差放大器有其模態(tài)(common-mode)輸入范圍由-0.3V至(Vcc-2)V，而且可用來檢知電源供給器的輸 出電壓與

15、電流。 誤差放大器的輸出會處于高主動狀態(tài)，而且在PWM比較器的非反相輸入端與其誤差放大器輸出乃為或閘 (OR)運算結合，依此電路結構，放大器需要最小輸出導通時間，此乃抑制回路的控制，通常第一個誤差放 大器都使用參考電壓和穩(wěn)壓輸出的電壓做比較，其環(huán)路增益可依靠回授來</p><p>　　3.2.2場效應管MOSFET</p><p>　　本電路設計選用MOSFET而沒有選用IGBT的原因主

16、要是因為電力MOSFET是單極型電壓驅動器件，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。值得一提的的是，電力MOSFET在于IGBT的激烈競爭中也獲取了長足的進步，特別是溝槽技術的應用大大減低了電力MOSFET的通態(tài)電阻，也是其在中小功率領域，特別是低壓場合有了牢固的地位。</p><p>　　MOSFET開關較快而無存儲時間，故在較高工作頻率下開關損耗較小，另外所需的開關驅動功率小，降低

17、了電路的復雜性。本設計采用的是N溝道增強型MOSFET。只有在正的漏極電源的作用下，在柵源之間加上正向電壓（柵極接正，源極接負），才能使該場效應管導通。當Vgs>0時才有可能有電流即漏極電流產生。即當Vgs>0時MOS管才導通。</p><p><b>　　3.2.3三極管</b></p><p>　　本設計選用兩種三極管，應為電路中有50KHz和50H

18、z兩個頻率，用于50KHz電路的三極管選擇為8550型，而用于50Hz的三極管選擇為KSP44型。三極管的工作狀態(tài)有截止、放大、飽和三種。此設計電路中主要運用三極管的導通截止的開關特性。</p><p>　　3.3各部分支路設計</p><p>　　3.3.1DC/DC變換電路</p><p>　　由推挽逆變、變壓器放大和整流濾波電路組成。電路結構如圖所示.VT

19、1和VT2的基極分別接TL494的兩個內置晶體管發(fā)射機。中心器件變壓器T1，實現電壓由12V脈沖電壓轉變?yōu)?20V脈沖電壓。此脈沖電壓經過整流濾波電路變成220V高壓直流電壓。變壓器T1的工作頻率選為50KHZ，因此T1可選用EI33型高頻變壓器，變壓器的匝數比為N1/N2=12/220=0.05，變壓器選擇為E型。經過查找相關資料，確定初級線圈匝數為10×2，次級匝數為200，即滿足變啊器匝數比約為0.05.電路正常時，TL

20、494的兩個內置晶體管交替導通，導致圖中晶體管VT1、VT2的基極也應此而交替導通，VT3和VT4交替導通。因為變壓器選擇為E型，這樣使變壓器工作在推挽狀態(tài)，VT3和VT4以頻率為50KHz交替導通，使變壓器的初級輸入端有50KHz的交流電。當VT1導通時，場效應管VT3因為柵極無正偏壓而截止，而此時VT2截止，導致場效應管VT4柵極有正偏壓而導通。當VT1導通時，VT2截止，場效應管VT3因為柵極無正偏壓而截止，而此時VT2截止，導致

21、場效應管VT4柵極有正偏壓而導通。且交替導通時其峰值電壓為12V，</p><p>　　τd=RC≥（3——5）T1/2</p><p>　　當f=50KHz時，T=1/50KHz，R=116KΩ時，R為后繼負載電阻，則C≥4.3×10-10F。根據電容標稱值選擇C2為10µF.輸出220V高壓直流電，供后繼逆變電路使用。</p><p>　　3

22、.3.2輸入過壓保護電路</p><p>　　電路結構如圖所示，由DZ1電阻R1和電阻R2、電容C1、二極管VD1組成。輸出端口接TL494芯片I的同相輸入端（1腳），通過該芯片的誤差比較器對其輸出進行控制，當輸入過大電壓時，停止逆變電路工作從而使電路得到保護。因為輸入電壓直接決定了輸出電壓的值，對輸入端電壓的保護也是對輸出端子間過大電壓進行負載保護。VD1、C1、R1組成了保護狀態(tài)維持電路，只要輸入電壓在一瞬

23、間有過大現象，就導致穩(wěn)壓管擊穿，電路將沿C1和R1支路充電，繼續(xù)維持同相端的低電平狀態(tài)，保護電路就會啟動并維持一段時間。當C1和R1充電完成，C1和R2支路開始處于放電狀態(tài)，當C1放電完成時，TL494芯片I的同相輸入端由低電平翻轉為高電平，導致TL494芯片I的3腳（反饋輸入端）為高電平狀態(tài)，進而導致TL494芯片內部的PWM比較器為截止狀態(tài)。此時將導致直流變換電路的場效應管處于截止狀態(tài)，直流變換電路停止工作。同時TL494的4腳為高

24、電平狀態(tài)，4腳為高電平時，將抬高芯片內部死區(qū)時間比較器同相輸入端的電位，使該比較器輸出為恒定的高電平，由TL494芯片內部結構可知芯片內置三極管截止，從而停止后繼電路的工作。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值一般</p><p>　　3.3.3輸出過電壓保護電路</p><p>　　電路結構圖如圖所示，當輸入電壓過高時將導致穩(wěn)壓管DZ1擊穿，使TL494芯片II的4腳對地的電壓升高，啟動TL494芯片II的

25、保護電路，切斷輸出。VD1、C1、R2組成了保護狀態(tài)維持電路，R3、R4為保護電阻，用以增大輸出阻抗。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值一般規(guī)定為輸出電壓的130%-150%。后級電路為220V/50Hz輸出，其中負載電阻為100KΩ，TL494芯片II的輸出腳電壓最大為12V，R1為限流電阻，取值為100KΩ，R2為保護電阻可取值為16KΩ，根據電路分壓知識，則R2上的電壓為：U=R2×220÷（R1+R1）=220×16&

26、#247;116≈30.34V</p><p>　　即穩(wěn)壓管的電壓取值最大為30.34V，這里取30V。</p><p>　　3.3.4DC/AC變換電路</p><p>　　電路結構圖如圖9所示，該變換電路為全橋橋式電路。其中TL494芯片的8腳和11腳為內置的兩個三極管的集電極，且兩個內置三極管是交替導通的，頻率為50Hz。圖中8腳和11腳分別介入了上下兩部分

27、完全堆成的橋式電路，因為兩個三極管交替工作，頻率為50Hz，所以選用橋式電路，目的在于得到50Hz的交流電。上下兩部分電路工作過程完全相同。選其中一部分為說明。這里將其簡化成圖10。圖中VT0為TL494芯片II的一個內置三極管設為VT00，另一個設為VT01。當VT00導通時，VT01截止，VT1的基極沒有正偏壓，從而使VT1截止，然后VT3的柵極有12V正偏電壓，是VT3導通。而VT4因為柵極無正偏壓截止，輸出220V電壓。當VT0

28、0截止時，VT01導通，VT1基極有12V正偏壓，集電極有12V反向電壓，從而導通。VT3的柵極無正偏電壓，從而使VT3截止。而VT4因為柵極有12V正偏壓導通。因為此時TL494芯片II的另一個內置三極管VT01導通，它的集電極即11腳使逆變電路I有220V電壓輸出。原理同上。上下兩部分以頻率50Hz交替導通，從而使電路有220V50Hz的交流電輸出。由于TL494</p><p>　　3.3.5TL494芯

29、片I外圍電路</p><p>　　電路結構圖如圖11，包括過熱保護電路及振蕩電路。15腳為芯片TL494的反相輸入端，16為同相輸入端，電路正常情況下15腳電壓應略高于16腳電壓才能保證誤差比較器II的輸出為低電平，才能使芯片內的兩個三極管正常工作。因為芯片內置5V基準電壓源，負載能力為10mA。所以15腳電壓應高于5V。15腳電壓計算公式為：</p><p>　　U=12×R2

30、÷（R1+R2+Rt）</p><p>　　這里Rt為正溫度系數熱敏電阻，常溫阻值可在150-300Ω范圍內任選，是當選大些可提高過熱保護電路啟動的靈敏度。這里取200Ω。R1取36KΩ，R2取39KΩ，則15腳電壓為6.22V。該脈寬調制器的振蕩頻率為50KHz，由Fosc=1/CtRt，圖中C2、R3為芯片的振蕩元件。C2即為Ct,R3即為Rt。其中Fosc取為50KHz，C2取4700pF，則R3

31、取4.3KΩ。</p><p>　　3.3.6TL494芯片II外圍電路</p><p>　　電路結構圖如圖12，15腳同樣為TL494的反相輸入端，16腳為同相輸入端，電路正常情況下15腳電壓應略高于16腳電壓才能保證誤差比較器II的輸出電平為低電平，才能使芯片內兩個三極管正常工作。因為芯片內置5V基準電壓源，由圖知15腳的電壓為5V，16腳的電壓為0V。芯片內置比較器II的輸出為低電

32、平。5腳和6腳為振蕩器的定式電容和定時電阻接入端。因為要使輸出頻率為50Hz，由公式Fosc=1/CtRt知：當Rt取220KΩ時，Ct≈9.09×10-8µF。C1和R2是芯片的振蕩元件，即是R2取值為220KΩ，C1取值為0.1µF。芯片的8腳和11腳接逆變電路II，4腳接輸入過壓保護電路。電容C2取值為47µF，電阻R3取值為10KΩ，當輸入過壓保護電路啟動后，使電容C2對R3放電，使4腳保

33、持為低電平，使TL494芯片II的電路維持一段時間，知道C2放電完畢，則使4腳為高電平，抬高死區(qū)電壓，從而使芯片II停止工作。</p><p>　　4總圖與調試：（基于altium designer的原理圖）</p><p><b>　　5仿真與調試</b></p><p><b>　　仿真圖</b></p>

34、<p><b>　　主要參數設置如圖：</b></p><p><b>　　直流電源參數設置</b></p><p><b>　　PWM波參數設置：</b></p><p>　　MOSFET參數設置：</p><p><b>　　波形結果：</b&g

35、t;</p><p><b>　　5、總結與體會</b></p><p>　　本次課程設計的內容是基于MOSFET的單相全橋逆變電路，了解了逆變電路的工作原理，對單相全橋逆變電路在純負載時做了詳細的分析。</p><p>　　該單相全橋逆變電路最大的特點是：在原有的單相全橋逆變電路的基礎上，通過改變驅動MOSFET的脈沖，將直流電壓Ud 逆變成

36、頻率為50KHZ的方波電壓，并將它加到負載電路兩端。而負載電路則由純電阻電路構成。</p><p>　　通過本次課程設計，加深了我對課程《電力電子技術》理論知識的理解，特別是有關逆變電路方面的知識。同時也培養(yǎng)了以下幾點能力：</p><p>　　第一：提高了自己完成課程設計報告水平，提高了自己的書面表達能力。具備了文獻檢索的能力，特別是如何利用Intel網檢索需要的文獻資料。</p&

37、gt;<p>　　第二：提高了運用所學的各門知識解決問題的能力，在本次課程設計中，涉及到很多學科，包括：電力電子技術、電路原理等，學會了如何整合自己所學的知識去解決實際問題。</p><p>　　第三：深刻理解了單相全橋逆變電路的原理及應用</p><p><b>　　6參考文獻</b></p><p>　　[1]．石玉 栗書賢

38、．電力電子技術題例與電路設計指導．機械工業(yè)出版社，1998 </p><p>　　[2]．王兆安 黃俊．電力電子技術（第4版）．機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　[3]．浣喜明 姚為正．電力電子技術．高等教育出版社，2000</p><p>　　[4]．莫正康．電力電子技術應用（第3版）．機械工業(yè)出版社，2000</p><p>

39、　　[5]．鄭瓊林．耿學文．電力電子電路精選．機械工業(yè)出版社，1996</p><p>　　[6]．劉祖潤 胡俊達．畢業(yè)設計指導．機械工業(yè)出版社，1995</p><p>　　[7]．劉星平．電力電子技術及電力拖動自動控制系統(tǒng)．校內，1999</p><p>　　[8]. 康華光,陳大欽．電子技術基礎[M]．北京：高等教育出版社，1998</p>&l