新單相正弦車載電源型設(shè)計(jì)

中心議題：

• 新單相正弦車載電源型設(shè)計(jì)的討論

解決方案：

• 一般采用逆變器加工頻變壓器的方案
• 從車載電源電路結(jié)構(gòu)與功能得出新方案

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車越來越與人們的生活息息相關(guān)，而汽車用的直流電壓一般為12V，不能為便攜式電子設(shè)備直接使用。為此，車載電源(就是把直流12V電壓轉(zhuǎn)換成交流220V/50Hz電源)的研制日益引起人們的重視。

傳統(tǒng)車載電源一般采用逆變器加工頻變壓器的方案，它存在體積大、效率低等缺陷。隨著新型電力電子器件和電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用高頻鏈的方案來實(shí)現(xiàn)無工頻變壓器的逆變電路，可以很好地解決傳統(tǒng)車載電源存在的問題，同時(shí)能保證車載電源的輸出電壓更穩(wěn)定、更平滑[1]。

1 車載電源電路結(jié)構(gòu)與功能分析

車載電源系統(tǒng)如圖1所示。12V直流電壓經(jīng)過高頻逆變和高頻整流，得到一個(gè)符合要求的350V直流電壓，該部分的控制信號(hào)由TL494芯片產(chǎn)生[4]。

圖1 車載電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

再經(jīng)過全橋DC/AC逆變電路，得到220V/50Hz交流電壓輸出。為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，防止主電路對(duì)控制電路的干擾，采用主、控電路完全隔離的方法，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)用光耦隔離，反饋信號(hào)用變壓器隔離，輔助電源用變壓器隔離等。

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，逆變電路能否正常工作決定了整個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。所以，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在逆變器的控制和檢測上。

1.1 SG3525結(jié)構(gòu)框圖和引腳功能[1]

系統(tǒng)采用SG3525來實(shí)現(xiàn)SPWM控制信號(hào)的輸出，該芯片其引腳及內(nèi)部框圖如圖2所示。

圖2 SG3525引腳及內(nèi)部框圖

直流電源Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的＋5V基準(zhǔn)電壓。＋5V再送到內(nèi)部（或外部）電路的其它元器件作為電源。

振蕩器腳5須外接電容CT，腳6須外接電阻RT。振蕩器頻率f由外接電阻RT和電容CT決定，f=1.18/RTCT。逆變橋開關(guān)頻率定為10kHz，取CT=0.22μF，RT=5kΩ。振蕩器的輸出分為兩路，一路以時(shí)鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出。誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進(jìn)行比較，輸出一個(gè)隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個(gè)輸入端?；蚍情T的另兩個(gè)輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出互補(bǔ)，交替輸出高低電平，將PWM脈沖送至三極管V1及V2的基極，鋸齒波的作用是加入死區(qū)時(shí)間，保證V1及V2不同時(shí)導(dǎo)通。最后，V1及V2分別輸出相位相差180°的PWM波。

1.2 SPWM調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生

要得到正弦電壓的輸出，就要使逆變電路的控制信號(hào)以SPWM方式控制功率管的開關(guān)，所得到的脈沖方波輸出再經(jīng)過濾波就可以得到正弦輸出電壓。通過SG3525來實(shí)現(xiàn)輸出正弦電壓，首先要得到SPWM的調(diào)制信號(hào)，而要得到SPWM調(diào)制信號(hào)，必須得有一個(gè)幅值在1～3.5V，按正弦規(guī)律變化的饅頭波，將它加到SG3525腳2，并與鋸齒波比較，就可得到正弦脈寬調(diào)制波實(shí)現(xiàn)SPWM的控制電路框圖如圖3(a)所示，實(shí)際電路各點(diǎn)的波形如圖3(b)所示。

(a) SPWM控制電路框圖

(b) SPWM電路主要節(jié)點(diǎn)的波形
圖3 控制電路框圖及各點(diǎn)波形

由圖3可知，基準(zhǔn)50Hz的方波是由555芯片生成的，用來控制輸出電壓有效值和基準(zhǔn)值比較產(chǎn)生的誤差信號(hào)，使其轉(zhuǎn)換成50Hz的方波，經(jīng)過低頻濾波，得到正弦的控制信號(hào)。當(dāng)電源輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，會(huì)改變正弦信號(hào)的幅值，使得SG3525輸出脈寬也發(fā)生相應(yīng)的變化，這就構(gòu)成了一個(gè)閉合的反饋回路，能有效穩(wěn)定輸出的波形。

1.3 過電流保護(hù)

過電流保護(hù)采用電流互感器作為電流檢測元件，其具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠在IGBT允許的過流時(shí)間內(nèi)將其關(guān)斷，起到保護(hù)作用。如圖1所示，過流保護(hù)信號(hào)取自CT2，經(jīng)分壓、濾波后加至電壓比較器的同相輸入端，如圖4所示。當(dāng)同相輸入端過電流檢測信號(hào)比反相輸入端參考電平高時(shí)，比較器輸出高電平，使D2從原來的反向偏置狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎驅(qū)ǎ淹喽穗娢惶嵘秊楦唠娖?，使電壓比較器一直穩(wěn)定輸出高電平。同時(shí)，該過電流信號(hào)還送到SG3525的腳10。當(dāng)SG3525的腳10為高電平時(shí)，其腳11及腳14上輸出的脈寬調(diào)制脈沖就會(huì)立即消失而成為零。

圖4 過電流保護(hù)電路

1.4 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)既要考慮在功率管需要導(dǎo)通時(shí)，能迅速地建立起驅(qū)動(dòng)電壓，又要考慮在需要關(guān)斷時(shí)，能迅速地泄放功率管柵極電容上的電荷，拉低驅(qū)動(dòng)電壓。具體驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示

圖5 驅(qū)動(dòng)電路

其工作原理是：

1）當(dāng)光耦原邊有控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過時(shí)，光耦導(dǎo)通，使Q1的基極電位迅速上升，導(dǎo)致D2導(dǎo)通，功率管的柵極電壓上升，使功率管導(dǎo)通；

2）當(dāng)光耦原邊無控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過時(shí)，光耦不導(dǎo)通，使Q1的基極電位拉低，而功率管柵極上的電壓還為高，所以導(dǎo)致Q1導(dǎo)通，功率管的柵極電荷通過Q1及電阻R3迅速泄放，使功率管迅速可靠地關(guān)斷。

當(dāng)然，對(duì)于功率管的保護(hù)同樣重要，所以在功率管源極和漏極之間要加一個(gè)緩沖電路避免功率管被過高的正、反向電壓所損壞。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其額定輸出功率為500W，濾波器參數(shù)取L=3mH，C=2.2μF，樣機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，測得其輸出電壓波形如圖6所示。

3 結(jié)語

樣機(jī)輸出電壓波形質(zhì)量良好，輸出電壓穩(wěn)定性強(qiáng)，幅值基本不受負(fù)載變化影響，效果較好。實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的系統(tǒng)方案是切實(shí)可行的。

圖6 逆變器的輸出波形