车载正弦波逆变电源

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1、2011年江西省电子设计大赛自选赛设计报告学 校：南昌航空大学学生姓名： 周美元 曹智凤 刘冰汉赛题名称： 车载正弦波逆变电源车载正弦波逆变电源摘要：本车载正弦波逆变电流的设计，以DC123V作为输入，输出220V/50HZ 的标准正弦波交流电。该电路由四大模块组成，一为功率主板，实现由低电压到 高电压、直流到交流电，由CMOS场效应管构成的H桥为主的电压转换部分（主 电路部分）；二为PWM驱动部分，由TDS2285芯片产生PWM波，由TLP250四个级 联构成H桥的驱动；三为DC/DC升压部分，由SG3525芯片产生PWM波，控制DC 到高压的转换；四为主板保护电路部分，该系统具有输出过载，

2、短路保护，过流 保护，空载保护等多重保护电路，增强了该电源的可靠和安全性。该电源很好的 完成了各项指标，满载输出功率50W，效率不小于80%，输出电压波形失真度低 于 5%，输出标准的正弦信号。关键词：逆变电源，DC-DC，SPCW目录1. 系统设计 51.1设计要求51.2总体设计方案51.2.1设计思路51.2.2方案论证与比较51.2.3系统组成62. 主要单元硬件电路设计62.1 DC/DC升压模块72. 1. 1开关板设计72.1.2 PWM固定频率的产生82.1.3增加驱动102.2 PWM驱动模块102.2.1 TDS2285 产生 PWN 波102.2.2死区电路的设计122.

3、2.3 H桥驱动电路设计122.2.4产生H桥驱动电源132.3功率主板模块132.3.1电瓶电压滤波132.3.2脉冲升压、滤波132.3.3单相桥式PWM逆变电路132.3.4整流滤波，输出正弦132.4保护电路模块142.4.1过载保护电路142.4.2短路保护电路153. 系统调试163.1测试使用的仪器163.2指标测试和测试结果163.3结果分析18结论19参考文献19附录 1元件清单20附录 2电路原理图及印制板23附录3使用说明271. 系统设计1.1 设计要求制作车载正弦波逆变电源，输入DC123V直流，输出220V/50HZ的正弦波, 满载时输出功率50W，效率不小于80%

4、,输出波形失真度小于5%,具有输入过压 和欠压，输出过流和负载短路保护等功能。1.2 总体设计方案1.2.1 设计思路题目要求设计一个车载正弦波逆变电源，输出电压波形为正弦波。设计中主 电路采用电器隔离、H桥逆变技术，控制部分采用SPWM（正弦脉冲调制）技术，利 用逆变元件电力MOSFET的驱动脉冲调制，使输出获得交流正弦波的稳压电源。1.2.2 方案论证与比较1. DC-DC 实现变换器的方案论证与选择方案一：推挽式DC-DC变换器。推挽电路是两个不同极性晶体管输出电路无 输出电压器（有OTL,OCL等）。是两个参数相同的功率BJT管或MOSFET管，以推 挽方式存在于电路中，各负责正负半周

5、的波形放大任务。电路工作中，两只对称 的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小，功率高。推挽输出级既可向 负载灌电流，也可从负载抽取电流。方案二：Boost升压式DC-DC变换器。拓扑结构如图1.2.2所示。开关的开 通和关闭受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量，电感储能后使 电压上升，而电容C可将输出电压保持平稳，通过改变PWM控制信号的占空比可 以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流升压，电路结构较简单，损耗 较小，效率比较高。方案比较：方案一和方案二都适用于升压电路，推挽式DC-DC变换器可由高 频变压器将电压升至任何值。Boost升压式DC-DC变换器不使用高电

6、频变压器， 由12V升至312V，PWM信号的占空比比较低，会使得Boost升压式DC-DC变换器 的损耗比较大。综上所述，采用方案一。2. 辅助电源的方案论证与选择方案一：采用线性稳压器LS7805。方案二：采用Buck降压式DC-DC变换器。方案比较：方案一的优点在于可以使用很少 元器件构成辅助电源，但是效率较低。方案二的优点在于效率高达90%，缺点 是需要很多元器件，使得成本较高稳定性较差。考虑此次设计不是产品，在满足 要求的情况下选择最优方案，最终决定采用方案一。1.2.3 系统组成系统方框图如图1.2.7所示，先采用DC-DC变换器把12V蓄电池的电压升至 312V，保证输出真有效值

7、为220V的正弦波不出现截止失真和饱和失真。输出电 压反馈采用调节SPWM信号脉宽方式。该系统采用两组相互隔离的辅助电源供电, 一组供给SPWM信号控制器使用，另一组供给输出电压、电流测量电路使用，这 样避免了交流输出的浮地和蓄电池的地不能共地的问题。因为SPWM控制器输出 的SPWM信号不含死区时间，所以增加了死区时间控制电路和逆变H桥驱动电路。 空载检测电路使得当没有负载接入时，让系统进入待机模式，当有负载接入时， 才进入逆变工作模式。同时，空载检测电路也作为过流保护的采样点。图 1-2-1 系统原理框图2. 单元硬件电路设计2.1 DCDC升压模块DC-DC升压电路的基本原理：DC-DC

8、升压驱动板，采用的是很常见的线路， 用一片SG3525实现PWM的输出，后级用二组图腾输出，驱动RUI190N08。板上 有二个小按钮开关，S1,S2, S1是开机的，S2是关机的，可以控制逆变器的启动 和停机。这驱动板，是用J3,J4接口和功率板相连的，其中J3的第1P为限压反 馈输入端。原理图如图2-1-1所示。- -U工Pyi二丄EFTTH-图2-1-1 DC-DC升压电路图二2.1.1开关板的设计控制系统的开关板设计如图2-1-2所示：开机、关机由具有自锁功能的继电 器进行控制，这里的8050三极管起到开关电路的作用当S1按键按下时8050晶 体管基极导通从而集电极到发射极有电流三极管

9、处于导通状态，继电器工作，A1 导通有电压输入，S2键按下三极管处于断开状态，继电器不工作从而A1,A2断 开。原理图如图2-1-2所示图2-1-2开关板电路图2.1.2 PWM固定频率的产生PWM波形产生原理图如图2-1-3所示图2-1-3 PWM波的产生电路图PWM固定频率是由SG3525芯片产生。SG3525芯片的资料见如下:管脚说明：引脚 1：误差放大反向输入引脚 2：误差放大同向输入引脚 3：振荡器外接同步信号输入端引脚 4：振荡器输出端引脚 5:振荡器定时电容接入端引脚 6：振荡器定时电祖接入端引脚 7:振荡器放电端引脚 8:软启动电容接入端脚 9：PWM 比较补偿信号输入端引脚

10、10：外关断信号输入端引脚 11：输出 A引脚 12:信号地引脚 13：输出级偏置电压接入端引脚 14：输出端 B引脚 15：偏置电源输入端引脚 16：基准电源输出端图中11与14脚输出两路互补的PWM波，其频率由与5、6管脚所连的R、C 决定。PWM频率计算式如下：f=1/C5(0.7R15+3R16)，调节6端的电阻即可改 变PWM输出频率。同时，芯片内部16脚的基准电压为5.1V采用了温度补偿，设 有过流保护电路，5.1V反馈到2端同向输入端，当反向输入端也为5.1V时，芯 片稳定，正常工作。若两端电压不相等，芯片内部结构自动调整将其保持稳定。 在脉宽比较起的输入端直接用流过输出电感线圈

11、的信号与误差放大器输出信号 进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化，由 于结构上有电压环河电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，目前比较理想的新型控制器。R和C设定了 PWM 芯片的工作频率，计算公式为T=(0.67*RT+1.3*RD)*CT。再通过R13和C3反馈 回路。构成频率补偿网络。C6为软启动时间设定电容。2.1.3增加驱动用一片SG3525实现PWM的输出，后级用二组图腾输出，增加驱动，驱动后 级的RUI190N8。该电路中由一对三极管8050(NPN)和8550(PNP)组成图腾电路， 用于功率放大器和稳压

12、电源中用于功率放大器和稳压放大器。本系统中用于功率 放大，驱动后级电路。2.2 PWM驱动模块2. 2.1 TDS2285 产生 PWN 波SPWM的核心部分采用了张工的TDS2285单片机芯片，用其产生为功率主板产 生占空比变化的矩形波，通过H桥产生所需的正弦波。U3,U4组成时序和死区电 路，末级输出用了 4个250光藕，H桥的二个上管用了自举式供电方式，这样做 的目的是简化电路，可以不用隔离电源，该模块原理图如图2-2-1所示：-波的产生图 2-2-12.2.-(1)、该模块中是由2-2-2:1-n_ _:厂2波TTDS2285的芯片各管脚资料如图图2-2-1PWM驱动电路图1.该模块所

13、采用的是TDS2285芯片，其管脚如图2-2-2所示PG(.)OD1413iBPWM P外接振荡输入1外接振荡输入芯片工作指示_C_；ND_VAp故歯甘警嘉出SPWA-IN_NTDS2285图2-2-2TDS2285管脚图2.该模块中TDS2285芯片的工作原理图2-2-3如:图 2-2-3 TDS2285 产生 PWM 波该芯片的6、7管脚生成交流电正、负半周调制波输出引脚，输出SPWM脉冲， 其频率有接在2 、 3管脚间的晶振来决定。9脚为故障报警输出端，通常驱动一 蜂鸣器，同时配合5脚LED的状态，当蓄电池电压输入出现过压或低压时，该蜂 鸣器随LED指示灯每隔1秒报警一次，当出现交流过流

14、或者短路时，该蜂鸣器随 LED指示灯每隔0.5秒报警一次。13脚为检测蓄电池电压，当13脚的电压超过 3V或低于1V时，逆变停止工作，并进入欠压或过压故障状态。通过外接蓄电池 上分压来实现。10脚为交流电压稳压反馈输入，实时检测功率主板输出的交流 正弦波输出电压变动范围，并作调整输出达到稳定输出电压的目的。2.2.2死区电路的设计死区电路接在TDS2285产生两路PWM波的后面，其结构如图2-2-4所示， 死区电路是由RC与MM74HC00与非门构成延时，防止功率主板上H桥发生直通现 象，对前级短路进行了保护。图2-2-4死区电路的结构2.2.3 H桥驱动电路设计H桥驱动电路接在死区电路后级，

15、由四个高速光电耦合TLP250芯片构成, 让开关信号通过，电瓶电压隔离，其原理如图2-2-5所示。图2-2-5 H桥驱动电路图2.2.4驱动电源的产生由于光电耦合TPL250工作电压为15V,而系统只提供12V的电瓶电压，故要经过升压模块。该系统采用MC34063芯片，专用于DC-DC变换器控制部分，用三端稳压78L15作为输出。其原理如图2-2-6所示。图2-2-6 15V电源产生电路图2.3功率主板模块功率主板是产生220V、50HZ正弦波的关键部分所在。主板包括了 DC-DC推 挽升压和H桥逆变两部分。1号板送过来的两路PWM波送至变压器两端，电瓶电 压经过滤波电容后送至变压器的抽头处，经过变压器后输出其