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方波逆變器的制作方法

發(fā)布時(shí)間:2011-08-05

中心議題:

  • 方波逆變器的制作方法

本文依據(jù)逆變電源的基本原理,利用對(duì)現(xiàn)有資料的分析推導(dǎo),提出了一種方波逆變器的制作方法并加以調(diào)試。

1 系統(tǒng)基本原理

本逆變電源輸入端為蓄電池(+12V,容量90A·h),輸出端為工頻方波電壓(50Hz,310V)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

目前,構(gòu)成DC/AC逆變的新技術(shù)很多,但是考慮到具體的使用條件和成本以及可靠性,本電源仍然采用典型的二級(jí)變換,即DC/DC變換和DC/AC逆變。首先由DC/DC變換將DC 12V電壓逆變?yōu)楦哳l方波,經(jīng)高頻升壓變壓器升壓,再整流濾波得到一個(gè)穩(wěn)定的約320V直流電壓;然后再由DC/AC變換以方波逆變的方式,將穩(wěn)定的直流電壓逆變成有效值稍大于220V的方波電壓;再經(jīng)LC工頻濾波得到有效值為220V的50Hz交流電壓,以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

2 DC/DC變換

由于變壓器原邊電壓比較低,為了提高變壓器的利用率,降低成本,DC/DC變換如圖2所示,采用推挽式電路,原邊中心抽頭接蓄電池,兩端用開關(guān)管控制,交替工作,可以提高轉(zhuǎn)換效率。而推挽式電路用的開關(guān)器件少,雙端工作的變壓器的體積比較小,可提高占空比,增大輸出功率。

雙端工作的方波逆變變壓器的鐵心面積乘積公式為

  AeAc=Po(1+η)/(ηDKjfKeKcBm)(1)

  式中:Ae(m2)為鐵心橫截面積;

  Ac(m2)為鐵心的窗口面積;

  Po為變壓器的輸出功率;

  η為轉(zhuǎn)換效率;

  δ為占空比;

  K是波形系數(shù);

  j(A/m2)為導(dǎo)線的平均電流密度;

  f為逆變頻率;

  Ke為鐵心截面的有效系數(shù);

  Kc為鐵心的窗口利用系數(shù);

  Bm為最大磁通量。

變壓器原邊的開關(guān)管S1和S2各采用IRF32055只并聯(lián),之所以并聯(lián),主要是因?yàn)樵谀孀冸娫唇尤胴?fù)載時(shí),變壓器原邊的電流相對(duì)較大,并聯(lián)可以分流,可有效地減少開關(guān)管的功耗,不至于造成損壞。
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PWM 控制電路芯片SG3524,是一種電壓型開關(guān)電源集成控制器,具有輸出限流,開關(guān)頻率可調(diào),誤差放大,脈寬調(diào)制比較器和關(guān)斷電路,其產(chǎn)生PWM方波所需的外圍線路很簡(jiǎn)單。當(dāng)腳11與腳14并聯(lián)使用時(shí),輸出脈沖的占空比為0~95%,脈沖頻率等于振蕩器頻率的1/2。當(dāng)腳10(關(guān)斷端)加高電平時(shí),可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖的封鎖,與外電路適當(dāng)連接,則可以實(shí)現(xiàn)欠壓、過流保護(hù)功能。利用SG3524內(nèi)部自帶的運(yùn)算放大器調(diào)節(jié)其輸出的驅(qū)動(dòng)波形的占空比D,使 D>50%,然后經(jīng)過CD4011反向后,得到對(duì)管的驅(qū)動(dòng)波形的D<50%,這樣可以保證兩組開關(guān)管驅(qū)動(dòng)時(shí),有共同的死區(qū)時(shí)間。

3 DC/AC變換

如圖3所示,DC/AC變換采用單相輸出,全橋逆變形式,為減小逆變電源的體積,降低成本,輸出使用工頻LC濾波。由4個(gè)IRF740構(gòu)成橋式逆變電路,IRF740最高耐壓400V,電流10A,功耗125W,利用半橋驅(qū)動(dòng)器IR2110提供驅(qū)動(dòng)信號(hào),其輸入波形由SG3524提供,同理可調(diào)節(jié)該 SG3524的輸出驅(qū)動(dòng)波形的D<50%,保證逆變的驅(qū)動(dòng)方波有共同的死區(qū)時(shí)間。

IR2110是IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET和IGBT專用驅(qū)動(dòng)集成電路,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng),同時(shí)還具有快速完整的保護(hù)功能,因而它可以提高控制系統(tǒng)的可靠性,減少電路的復(fù)雜程度。

IR2110 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理框圖如圖4所示。圖中HIN和LIN為逆變橋中同一橋臂上下兩個(gè)功率MOS的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)輸入端。SD為保護(hù)信號(hào)輸入端,當(dāng)該腳接高電平時(shí),IR2110的輸出信號(hào)全被封鎖,其對(duì)應(yīng)的輸出端恒為低電平;而當(dāng)該腳接低電平時(shí),IR2110的輸出信號(hào)跟隨HIN和LIN而變化,在實(shí)際電路里,該端接用戶的保護(hù)電路的輸出。HO和LO是兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端,驅(qū)動(dòng)同一橋臂的 MOSFET。

IR2110的自舉電容選擇不好,容易造成芯片損壞或不能正常工作。VB和VS之間的電容為自舉電容。自舉電容電壓達(dá)到8.3V以上,才能夠正常工作,要么采用小容量電容,以提高充電電壓,要么直接在VB和VS之間提供10~20V的隔離電源,本電路采用了1μF的自舉電容。

為了減少輸出諧波,逆變器DC/AC部分一般都采用雙極性調(diào)制,即逆變橋的對(duì)管是高頻互補(bǔ)開通和關(guān)斷的。

4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)及調(diào)試過程中的一些問題

保護(hù)電路分為欠壓保護(hù)和過流保護(hù)。

欠壓保護(hù)電路如圖5所示,它監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓狀況,如果蓄電池電壓低于預(yù)設(shè)的10.8V,保護(hù)電路開始工作,使控制器SG3524的腳10關(guān)斷端輸出高電平,停止驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。

圖5中運(yùn)算放大器的正向輸入端的電壓由R1和R3分壓得到,而反向輸入端的電壓由穩(wěn)壓管箝位在+7.5V,當(dāng)蓄電池的電壓下降超過預(yù)定值后,運(yùn)算放大器開始工作,輸出跳轉(zhuǎn)為負(fù),LED燈亮,同時(shí)三級(jí)管V截止,向SG3524的SD端輸出高電平,封鎖IR2110的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
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過流保護(hù)電路如圖6所示,它監(jiān)測(cè)輸出電流狀況,預(yù)設(shè)為1.5A。方波逆變器的輸出電流經(jīng)過采樣進(jìn)入運(yùn)算放大器的反向輸入端,當(dāng)輸出電流大于1.5A后,運(yùn)算放大器的輸出端跳轉(zhuǎn)為負(fù),經(jīng)過 CD4011組成的R-S觸發(fā)器后,使三級(jí)管V1基級(jí)的信號(hào)為低電平,三級(jí)管截止,向IR2011的SD1端輸出高電平,達(dá)到保護(hù)的目的。

調(diào)試過程遇到的一個(gè)較為重要的問題是關(guān)于IR2110的自舉電容的選擇。IR2110的上管驅(qū)動(dòng)是采用外部自舉電容上電,這就使得驅(qū)動(dòng)電源的路數(shù)大大減少,但同時(shí)也對(duì)VB和VC之間的自舉電容的選擇也有一定的要求。經(jīng)過試驗(yàn)后,最終采用1μF的電解電容,可以有效地滿足自舉電壓的要求。

5 試驗(yàn)結(jié)果及輸出波形

DC/DC變換輸出電壓穩(wěn)定在320V,控制開關(guān)管的半橋驅(qū)動(dòng)器IR2110開關(guān)頻率為50Hz,實(shí)驗(yàn)的電路波形如圖7~圖14所示。



 

6 結(jié)語

在逆變電源的發(fā)展方向上,輕量、小型、高效是其所追求的目標(biāo)。本文所介紹的逆變電源電路主要采用集成化芯片,使得電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本較低。因此,這種電路是一種控制簡(jiǎn)單、可靠性較高、性能較好的電路。整個(gè)逆變電源也因此具有較高的性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

 

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