方波逆变器的技术原理

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引言

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。本文依据逆变电源的基本原理,利用对现有资料的分析推导,提出了一种方波逆变器的制作方法并加以调试。

1系统基本原理

本逆变电源输入端为蓄电池(+12V,容量90A·h),输出端为工频方波电压(50Hz,310V)。其结构框图如图1所示。

 


图1方波逆变器的结构框图

目前,构成DC/AC逆变的新技术很多,但是考虑到具体的使用条件和成本以及可靠性,本电源仍然采用典型的二级变换,即DC/DC变换和DC/AC逆变。首先由DC/DC变换将DC 12V电压逆变为高频方波,经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;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;再经LC工频滤波得到有效值为220V的50Hz交流电压,以驱动负载。

2DC/DC变换

由于变压器原边电压比较低,为了提高变压器的利用率,降低成本,DC/DC变换如图2所示,采用推挽式电路,原边中心抽头接蓄电池,两端用开关管控制,交替工作,可以提高转换效率。而推挽式电路用的开关器件少,双端工作的变压器的体积比较小,可提高占空比,增大输出功率。

 


图2DC/DC变换结构图

双端工作的方波逆变变压器的铁心面积乘积公式为

AeAc=Po(1+η)/(ηDKjfKeKcBm)(1)

式中:Ae(m2)为铁心横截面积;

Ac(m2)为铁心的窗口面积;

Po为变压器的输出功率;

η为转换效率;

δ为占空比;

K是波形系数;

j(A/m2)为导线的平均电流密度;

f为逆变频率;

Ke为铁心截面的有效系数;

Kc为铁心的窗口利用系数;

Bm为最大磁通量。

变压器原边的开关管S1和S2各采用IRF32055只并联,之所以并联,主要是因为在逆变电源接入负载时,变压器原边的电流相对较大,并联可以分流,可有效地减少开关管的功耗,不至于造成损坏。

PWM控制电路芯片SG3524,是一种电压型开关电源集成控制器,具有输出限流,开关频率可调,误差放大,脉宽调制比较器和关断电路,其产生PWM方波所需的外围线路很简单。当脚11与脚14并联使用时,输出脉冲的占空比为0~95%,脉冲频率等于振荡器频率的1/2。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。利用SG3524内部自带的运算放大器调节其输出的驱动波形的占空比D,使D>50%,然后经过CD4011反向后,得到对管的驱动波形的D<50%,这样可以保证两组开关管驱动时,有共同的死区时间。

3 DC/AC变换

如图3所示,DC/AC变换采用单相输出,全桥逆变形式,为减小逆变电源的体积,降低成本,输出使用工频LC滤波。由4个IRF740构成桥式逆变电路,IRF740最高耐压400V,电流10A,功耗125W,利用半桥驱动器IR2110提供驱动信号,其输入波形由SG3524提供,同理可调节该SG3524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。

 


图3DC/AC逆变电路结构

IR2110是IR公司生产的大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路,可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动,同时还具有快速完整的保护功能,因而它可以提高控制系统的可靠性,减少电路的复杂程度。

IR2110的内部结构和工作原理框图如图4所示。图中HIN和LIN为逆变桥中同一桥臂上下两个功率MOS的驱动脉冲信号输入端。SD为保护信号输入端,当该脚接高电平时,IR2110的输出信号全被封锁,其对应的输出端恒为低电平;而当该脚接低电平时,IR2110的输出信号跟随HIN和LIN而变化,在实际电路里,该端接用户的保护电路的输出。HO和LO是两路驱动信号输出端,驱动同一桥臂的MOSFET。

 


图4IR2110的内部结构和工作原理框图

IR2110的自举电容选择不好,容易造成芯片损坏或不能正常工作。VB和VS之间的电容为自举电容。自举电容电压达到8.3V以上,才能够正常工作,要么采用小容量电容,以提高充电电压,要么直接在VB和VS之间提供10~20V的隔离电源,本电路采用了1μF的自举电容。

为了减少输出谐波,逆变器DC/AC部分一般都采用双极性调制,即逆变桥的对管是高频互补开通和关断的。

4 保护电路设计及调试过程中的一些问题

保护电路分为欠压保护和过流保护。

欠压保护电路如图5所示,它监测蓄电池的电压状况,如果蓄电池电压低于预设的10.8V,保护电路开始工作,使控制器SG3524的脚10关断端输出高电平,停止驱动信号输出。

 


图5欠压保护电路图

图5中运算放大器的正向输入端的电压由R1和R3分压得到,而反向输入端的电压由稳压管箝位在+7.5V,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,同时三级管V截止,向SG3524的SD端输出高电平,封锁IR2110的输出驱动信号。

过流保护电路如图6所示,它监测输出电流状况,预设为1.5A。方波逆变器的输出电流经过采样进入运算放大器的反向输入端,当输出电流大于1.5A后,运算放大器的输出端跳转为负,经过CD4011组成的R-S触发器后,使三级管V1基级的信号为低电平,三级管截止,向IR2011的SD1端输出高电平,达到保护的目的。

 


图6过流保护电路图

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