車載逆變電源畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 5 單極性PWM控制方式波形和單極性PWM控制方式相對(duì)應(yīng)的是雙極性控制方式。圖34的單相橋式逆變電路在采用雙極性控制方式時(shí)的波形如圖36所示。采用雙極性方式時(shí)，在的半個(gè)周期內(nèi)，三角形載波不再是單極性的，而是有正有負(fù)，所得到的PWM波也是有正有負(fù)。在的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的PWM波只有正負(fù)兩種電平，而不象單極性控制時(shí)還有零電平。仍然在調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開關(guān)器件的通斷。在的正負(fù)半周，對(duì)各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。即當(dāng)時(shí)，給V1和V4以導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3以關(guān)斷信號(hào)，這時(shí)如0，則VV4通，如果0，則VD1和VD4通，不管哪種情況都是輸出電壓=。當(dāng)時(shí)，給V2和V3以導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4以關(guān)斷信號(hào)，這時(shí)0，則V2和V3通，如0，則CD2和VD3通，不管哪種情況都是= 。圖36 雙極性PWM控制方式波形可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采取雙極性調(diào)制，由于對(duì)開關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法 軟件生成法 由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應(yīng)運(yùn)而生。軟件生成法其實(shí)就是用軟件來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則采樣法。 自然采樣法是以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進(jìn)行比較，在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷，這就是自然采樣法。其優(yōu)點(diǎn)是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性，脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距，從而脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程，計(jì)算繁瑣，難以實(shí)時(shí)控制。 規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，一般采用三角波作為載波。其原理就是用三角波對(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)SPWM法。當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn)(或底點(diǎn))位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期(即采樣周期)內(nèi)的位置是對(duì)稱的，這種方法稱為對(duì)稱規(guī)則采樣。當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期(此時(shí)為采樣周期的兩倍)內(nèi)的位置一般并不對(duì)稱，這種方法稱為非對(duì)稱規(guī)則采樣[7]。 規(guī)則采樣法是對(duì)自然采樣法的改進(jìn)，其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡單，便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算，其中非對(duì)稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦。其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低，線性控制范圍較小。除上述兩種方法外，還有一種方法叫做等面積法。該方案實(shí)際上就是SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過查表的方式生成PWM信號(hào)控制開關(guān)器件的通斷，以達(dá)到預(yù)期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計(jì)算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn)。 硬件調(diào)制法 硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。其實(shí)現(xiàn)方法簡單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波[8]。而且隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)生了多種可以產(chǎn)生SPWM波的芯片，如TL49SG3525A等，這些集成芯片的出現(xiàn)使得電路的設(shè)計(jì)大大簡化，而且功能更加齊全。本次設(shè)計(jì)就采用硬件調(diào)制法，通過使用脈沖調(diào)制芯片來產(chǎn)生所需要的正弦脈沖調(diào)寬波。圖35 單極性SPWM波波形示意圖4 逆變電源元器件特性及各部分電路設(shè)計(jì) 逆變電源主要分立元件及其應(yīng)用 場效應(yīng)管圖41 MOSFET代表符號(hào)圖場效應(yīng)管是一種適應(yīng)開關(guān)電源小型化、高效率化和高可靠性要求的理想器件。它是利用電場效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)體器件。其代表符號(hào)如圖41。這種器件不僅兼有開關(guān)速度快、無存儲(chǔ)時(shí)間、體積小、重量輕、耗電省、壽命長等特點(diǎn)，而且還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)和制造工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此大大的擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍，特別是在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。MOSFET開關(guān)較快而無存儲(chǔ)時(shí)間，故在較高工作頻率下開關(guān)損耗較小，另外所需的開關(guān)驅(qū)動(dòng)功率小，降低了電路的復(fù)雜性。本設(shè)計(jì)采用的是N溝道增強(qiáng)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(fù)），才能使該場效應(yīng)管導(dǎo)通[10]。當(dāng)0時(shí)才有可能有電流即漏極電流產(chǎn)生，即當(dāng)時(shí)MOS管才導(dǎo)通。 穩(wěn)壓管圖42 穩(wěn)壓管代表符號(hào)穩(wěn)壓管又稱齊納二極管，是一種用特殊工藝制造的面結(jié)型硅半導(dǎo)體二極管，其代表符號(hào)如圖42所示。這種管子的雜質(zhì)濃度比較大，空間電荷區(qū)內(nèi)的電荷密度也大，因而該區(qū)域很窄，容易形成強(qiáng)電場。當(dāng)反向電壓加到某一定值是，反向電流激增，產(chǎn)生反向擊穿。穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)時(shí)，其兩端的電壓是基本不變的。利用這一性質(zhì)，在電路里常用于構(gòu)成穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路，雖然穩(wěn)定度不很高，輸出電流也較小，但卻具有簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用非常廣泛。齊納管一般有兩種用法（以下Iz為工作電流，Uz為標(biāo)稱穩(wěn)壓電壓，Uw為實(shí)際工作電壓）：正常工作時(shí)處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，Iz≥，此時(shí)齊納管起穩(wěn)壓作用，Uw≈Uz。 正常工作時(shí)處于“截止”狀態(tài)，即UwUz，Iz為1μA量級(jí)，當(dāng)Uw“企圖”超過Uz時(shí)，齊納管就會(huì)導(dǎo)通，Iz急劇增長，并反過來阻止Uw的繼續(xù)升高，從而起到限幅或保護(hù)作用。正向特性反向特性i/mAu/V△IzUz△Uz 圖43 穩(wěn)壓管的VI特性 與門 在逆變電源電路中采用的與門芯片型號(hào)為74LS08，典型值為5V。在本電路中，其電源可以由TL494芯片的基準(zhǔn)電壓輸出端提供。其輸出高電平最低為2V。圖44 與門代表符號(hào)表41 74LS08功能表輸入輸出ABY=ABLLLLHLHLLHHH 變壓器圖45 變壓器代表符號(hào)開關(guān)電源變壓器是加入了開關(guān)管的電源變壓器，在電路中，除了普通變壓器的電壓變換功能，開關(guān)電源變壓器還兼具絕緣隔離與功率傳送功能。開關(guān)電源變壓器一般用在開關(guān)電源等涉及高頻電路的場合。開關(guān)電源變壓器和開關(guān)管一起構(gòu)成一個(gè)自激(或他激)式的間歇震蕩器,從而把輸入直流電壓調(diào)制成一個(gè)高頻脈沖電壓. , 當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),變壓器把電能轉(zhuǎn)換成磁場能儲(chǔ)存起來,當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)則釋放出來. 在正激式電路中,當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),再由儲(chǔ)能電感進(jìn)行續(xù)流向負(fù)載傳遞[9]。 開關(guān)變壓器一般都是工作于開關(guān)狀態(tài)；當(dāng)輸入電壓為直流脈沖電壓時(shí)，稱為單極性脈沖輸入，如單激式變壓器開關(guān)電源；當(dāng)輸入電壓為交流脈沖電壓時(shí)，稱為雙極性脈沖輸入，如雙激式變壓器開關(guān)電源；因此，開關(guān)變壓器也可以稱為脈沖變壓器，因?yàn)槠漭斎腚妷菏且恍蛄忻}沖，因?yàn)殚_關(guān)變壓器還分正、反激輸出。開關(guān)電源變壓器分單激式開關(guān)電源變壓器和雙激式開關(guān)電源變壓器，兩種開關(guān)電源變壓器的工作原理和結(jié)構(gòu)并不是完全一樣的。單激式開關(guān)電源變壓器的輸入電壓是單極性脈沖，并且還分正反激電壓輸出；而雙激式開關(guān)電源變壓器的輸入電壓是雙極性脈沖，一般是雙極性脈沖電壓輸出。另外，為了防止磁飽和，在單激式開關(guān)電源變壓器的鐵芯中一般都要留氣隙；而雙激式開關(guān)電源變壓器的鐵芯磁通密度變化范圍相對(duì)來說比較大，一般不容易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，因此，一般都不用留氣隙。單激式開關(guān)電源變壓器還分正激式和反激式兩種，對(duì)兩種開關(guān)電源變壓器的技術(shù)參數(shù)要求也不一樣；對(duì)正激式開關(guān)電源變壓器的初級(jí)電感量要求比較大，而對(duì)反激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)電感量的要求，其大小卻與輸出功率有關(guān)。雙激式開關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯損耗比較大，而單激式開關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯損耗卻比較小。這些參數(shù)基本上都與變壓器鐵芯的磁化曲線有關(guān)開關(guān)變壓器使用的磁性材料為軟磁鐵氧體,如EI型,E型,EC型等。 在本次設(shè)計(jì)中，變壓器輸出直流電壓： =/≥=311V. （41）因電路有一定的損耗，考慮一定的裕量，故設(shè)定直流輸出電壓320V， 為變壓器原邊繞組匝數(shù)，為升壓變壓器副邊繞組匝數(shù)，為原邊直流電壓，為交流電壓輸出有效值220V。考慮全橋電路每個(gè)橋臂上的開關(guān)管導(dǎo)通壓降為1V，則有公式： =[(2) /1]2 （42）設(shè)定本逆變電源系統(tǒng)功率的傳遞效率為，所以，從而計(jì)算變壓器副邊和原邊的匝數(shù)比為：/=22 電流互感器圖46 電流互感器原理圖在供電用電的線路中電流電壓大大小小相差懸殊從幾安到幾萬安都有。為便于二次儀表測量需要轉(zhuǎn)換為比較統(tǒng)一的電流，另外線路上的電壓都比較高如直接測量是非常危險(xiǎn)的。電流互感器就起到變流和電氣隔離作用。微型電流互感器二次電流為毫安級(jí)，主要起大互感器與采樣之間的橋梁作用。微型電流互感器稱之為“儀用電流互感器”。 電流互感器原理線路圖微型電流互感器與變壓器類似也是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作,變壓器變換的是電壓而微型電流互感器變換的是電流罷了。繞組N1接被測電流，稱為一次繞組（或原邊繞組、初級(jí)繞組）；繞組N2接測量儀表，稱為二次繞組（或副邊繞組、次級(jí)繞組）。 微型電流互感器一次繞組電流I1與二次繞組I2的電流比，叫實(shí)際電流比K。微型電流互感器在額定工作電流下工作時(shí)的電流比叫電流互感器額定電流比，用Kn表示,則Kn=I1n/I2n[11]。 在本次設(shè)計(jì)中用電流互感器對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣，采樣電流經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電平信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電路的過流保護(hù)。 逆變電源主要集成芯片及其功能簡介 TL494及其應(yīng)用圖47 集成芯片TL494管腳圖TL494各引腳功能簡介：TL494 的內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。+(引腳1)：誤差放大器同向輸入端。(引腳2)：誤差放大器反向輸入端。(引腳3)：相位校正和增益控制端。(引腳4)：死區(qū)控制端, 其上加 0～ 電壓時(shí)可使截止時(shí)間從2%線懷變化到 100%。該端與外圍電路相配合可以控制輸出脈沖，從而實(shí)現(xiàn)電路的保護(hù)功能。(引腳5)：外接震蕩電容。(引腳6)：外接震蕩電阻,則輸出脈沖的振蕩頻率為： f= (43)(引腳7)：接地端。(引腳8)、E1(引腳9)、C2(引腳11)、E2(引腳10)分別為末級(jí)輸出三極管的集電極和發(fā)射極。(引腳12)：電源供電端。(引腳13)：輸出控制端,該腳接地時(shí)為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳時(shí)為推挽輸出方式。(引腳14)：5V 基準(zhǔn)電壓輸出端，最大輸出電流10mA。(引腳15)：誤差放大器Ⅱ反向輸入端。+引腳(引腳16)：誤差放大器Ⅱ同向輸入端。 SG3525A及其應(yīng)用隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種大功率全控型器件相繼推出，其中 MOS型功率晶體管發(fā)展非常迅速，由于它具有高耐壓 、低驅(qū)動(dòng)功率、良好的頻率響應(yīng)特性和開關(guān)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，在許多方面可替代雙極型晶體管，其工作頻率可提高到200kHz以上，常常在開關(guān)穩(wěn)壓電源和直流斬波電路中用作開關(guān)管。開關(guān)管的控制方式采用脈沖寬度調(diào)制(PWM) 方式。集成脈寬調(diào)制器SG3525A是美國硅通用公司（Silicon General）生產(chǎn)的雙端輸出式脈寬調(diào)制器，工作頻率高于100kHz,工作溫度為0℃～70℃,適宜構(gòu)成100W～500W中功率推挽輸出式開關(guān)電源。它是美國硅通用公司的第2代產(chǎn)品，它是一種性能優(yōu)良功能齊全，通用性強(qiáng)的單片集成PWM 控制器。可用于驅(qū)動(dòng)N溝道的高頻功率MOS管，由于它簡單可靠及使用方便靈活大大減化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)及調(diào)試[12] 。 SG3525A是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。圖48 SG3525A管腳圖SG3525A各引腳名稱及功能：(引腳 1)：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號(hào)。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端（引腳 9）相連，可構(gòu)成跟隨器。 (引腳 2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號(hào)。根據(jù)需要，在該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端（引腳 9）之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。 (引腳 3)：振蕩器外接同步信號(hào)輸入端。該端接外部同步脈沖信號(hào)可實(shí)現(xiàn)與外電路同步。 (引腳 4)：振蕩器輸出端。 (引腳 5)：振蕩器定時(shí)電容接入端。（引腳 6） ：振蕩器定時(shí)電阻接入端。 (引腳 7)：振蕩器放電端。該端與引腳 5 之間外接一只放電電阻，構(gòu)成放電回路。片內(nèi)鋸齒波振蕩器的振蕩頻率為： f= （44）(引腳 8)：軟啟動(dòng)電容接入端。該端通常接一只 5pF的軟啟動(dòng)電容。 (引腳9)：PWM比較器補(bǔ)償信號(hào)輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。