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车载逆变器设计

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flowerhuanghua
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LV6
高级工程师
  • 2016-8-14 22:58:52
本设计实现了一种基于TMS320F28027的高频链车载逆变器设计。系统由输入欠压保护、推挽升压、全桥逆变、SPWM波产生、低通滤波、输出过流保护、辅助电源等电路组成。12V的直流电通过推挽式变换逆变为高频方波,经高频变压器升压,再整流滤波得到一个稳定的约270V直流电压。前级DC-DC变换采用SG3525驱动MOSFET得到高压直流电,然后通过28027产生的SPWM驱动全桥电路,再经低通滤波得到220V的工频正弦交流电。采用反激式开关电源升压再经稳压芯片稳压供电很好的实现隔离,并且具有输入欠压保护和输出过流保护,输出功率可达100W。该电源体积小、效率高、输出电压稳定,非常适用于车载逆变器。

关键词:推挽升压  全桥逆变  滤波  反激式  28027







一、方案论证与比较
1、 车载逆变器的介绍
车载逆变器是一种能够将 DC12V 直流电转换为和市电相同的 AC220V 交流电,供一般电器使用,是一种方便的车用电源转换器。车载电源逆变器在国外市场受到普遍欢迎。在国外因汽车的普及率较高,外出工作或外出旅游即可用逆变器连接蓄电池带动电器及各种工具工作。中国进入WTO 后,国内市场私人交通工具越来越多,因此,车载逆变器电源作为在移动中使用的直流变交流的转换器,会给你的生活带来很多的方便,是一种常备的车用汽车电子装具用品。通过点烟器输出的车载逆变器可以是 20W 、40W 、80W 、120W 直到150W 功率规格的。再大一些功率逆变电源要通过连接线接到电瓶上。把家用电器连接到电源转换器的输出端就能在汽车内使用各种电器象在家里使用一样方便。可使用的电器有:手机、笔记本电脑、数码摄像机、照相机、照明灯、电动剃须刀、 CD 机、游戏机、掌上电脑、电动工具、车载冰箱及各种旅游、野营、医疗急救。

2、总体方案的比较
方案一:如图1所示,12V的直流电经过DC-AC逆变成10V/50HZ交流电,再经工频变压器升压到220V。

图片3.jpg
如图1  方案一原理框图

方案二:系统框图如图2所示,本系统主要由推挽升压电路、全桥逆变电路、SPWM波产生电路、保护电路和辅助电源等电路组成。12V直流电压经过推挽式高频逆变和高频整流得到高压直流电,在经全桥DC-AC逆变和低通滤波输出220V的工频交流电。


       图片4.jpg                  
图2  方案二电路框图     
方案一比较简单,升压斩波电路前后级电压倍数低,可以采用非电气隔离性直流变换器,但采用工频变压器经AC-AC升压,存在体积大,效率低等缺陷。
方案二实现了无工频变压器的逆变电路,可以很好的克服方案一存在的问题,同时保证了电源输出电压更稳定、更平滑。
通过比较,本设计选择方案二。                                                
3、隔离型DC-DC电路方案
方案一:采用半桥式变换电路,该电路对开关管的耐压值要求低,开关管截止时承受电压为电源电压,所用功率变压器的铁芯没有单向偏磁现象,但对电流要求大。
方案二:采用推挽式变换电路,这种电路一般需要选择高耐压值的开关管,电流要求低,截止时开关管承受电压为电源电压两倍以上。两组开关管的漏极连在一起,门极驱动电路无需彼此绝缘,驱动电路简单。
由于本系统输入只有12V,但电流将近10A,采用方案一获得同样的输出功率要求开关管流过方案二两倍的电流,管子发热严重。而方案二即使要求开关管承受电压为电源的两倍,也不过24V,一般MOSFET完全胜任。
通过比较,本设计选择方案二。
4、高频变压器后级整流方案
方案一:采用全波整流电路,电流回路中只有一个二极管压降,损耗小,整流过程中只需两个二极管。但是,二极管关断时承受反压是二倍的交流电压幅值,对器件耐压值要求比较高,而且变压器二次绕组有中心抽头,制作复杂。
方案二:利用全桥整流,二极管断态时承受反压仅为交流电压幅值,而且变压器绕组结构简单。缺点是任意时刻电感的电流总要相继流过两个二极管,损耗大。
通过比较,由于逆变后电压较大有300—400V,对管子耐压要求较高。为了使变压器绕制简单,管子耐压较低,选择方案二。
5、SPWM波产生方案
    方案一:采用模拟电路实现SPWM。由模拟元件构成的三角波和正弦波产生电路分别产生三角载波信号ut和正弦调制波信号ur送入电压比较器,从而产生SPWM波,这种利用模拟电路调制方式的优点是完成Ut与ur信号的比较和确定脉冲所用的时间很短,几乎是瞬问完成而且ut和ur的交点是非常精确的,未做任何近似处理。
方案二:采样法软件计算实现SPWM,利用TMS320F28027通过编程直接生成SPWM波。充分利用28027内部带死区可调的PWM模块和丰富的定时器,轻松实现稳定可靠SPWM波。
方案一电路复杂,而且正弦波不太稳定,方案二电路极其简单且程序也不复杂,输出SPWM非常漂亮。故本次设计选择方案二。

二、理论分析与计算
1.高频变压器参数设计
1.1 磁芯选择与参数计算
    选择铁氧体磁芯,先求出磁芯窗口面积AW与磁芯有效截面积Ae的乘积AP, 根据AP值, 查表找出所需磁芯材料之编号。由于输出要求100W,当效率为0.8时,逆变器输入端应有120W,考虑到温升问题高频变压器功率预留6% 的裕度, 则设计输出功率为Po= 1.06*120= 127W 。由于变压器用于推挽变换电路当中, 由
    图片5.jpg
其中J=400A/cm4, K =0.4,η=0.8,δ=0.8,f=60KHZ,Bm =0.2。求得AP=0.7395cm4,查磁芯参数表知EC42符合设计要求,再根据型号查找对应的有效截面积Ae=2.04cm2。
1.2 变压器匝数计算
   初级绕组匝数为:
图片6.jpg 1.43

取初级匝数N1=2。
    次级绕组匝数为:
图片7.jpg
取次级匝数为50匝。
1.3 绕组导线线径及股数计算
采用铜线考虑集肤效应,由于开关频率为60KHZ,故穿透深度为:
图片8.jpg
可知线径不得超过0.54mm,取线径为0.38mm。
根据工程实际情况和绕组损耗, 取J= 4A/mm2,导线直径为φ=0.38mm,由设计要求知Iimax=12A,IOMAX=0.45A,由公式:
图片9.jpg
可知初级线圈采用26股并绕,同理可求出次级线圈股数为1股。
2. LC低通滤波参数设计  
为了将SPWM波的谐波分量滤除,在逆变器的输出端加了LC滤波器,从而得到正弦交流信号,滤波器的截止频率一般都是开关频率的1/10~1/2,设定SPWM波的频率为20K,则f定为1.2kHZ,由公式
图片10.jpg

取电容C=3.3uF,电容选择聚丙电容,得L=4.7mH
三、电路与程序设计
1.推挽式隔离型直流变换电路
如图3,电路由脉宽调制芯片SG3525产生带死区互补PWM波驱动IRF3205,两个开关管经变压器初级绕组的中心端交替导通,每次导通时间小于半个周期。次级整流二极管也轮流导通,交替经滤波电感向负载提供电流并向电容充电。

图片11.jpg
图3 推挽升压电路
2.逆变电路
由于输出功率较大,达100W所以采用全桥逆变,如图4所示。利用TMS320F28027产生的两路带死区互补的SPWM经IR2110驱动开关管IRF840。IR2110驱动功率器件,采用自举驱动方式,悬浮沟道设计使其能驱动母线电压小于600V的功率管。它可以仅用一个供电电源来实现对全桥电路4个管子的驱动,避免了以往桥式驱动中多独立电源的麻烦,还可以和主电路共地。 由于MOS管通常导通时间要小于截止时间,这样在交替导通的瞬间往往容易发生桥路短路现象,改进的办法是在驱动臂上并联二极管1N4148来加速电流回吸,以起到加速截止的作用,使MOS管的截止加快。为了防止MOS管在开关的瞬间,尖锋电压导致MOS管被击穿,在桥路中加入了起缓冲嵌位作用的二极管,电阻和电容。


图片12.jpg
图4   逆变电路  

3.保护电路
如图5所示,电流1在采样电阻上产生的电压经L2802758放大10倍后于参考电压比较,超过则输出低电平,C31向二极管迅速放电使#SID信号被拉低,浮栅型驱动器输出被关闭,向单片机报警。同时I变小,运放1脚输出高低平,5V经过R23对C31充电,经过一段时间达到IR211O的高电平门限,再次打开场效应管。这样可以保证过流时迅速关断输出,关闭一段时间后自行试探,在故障消除后自动恢复。

图片13.jpg
图5  过流保护电路
4.辅助电源
   由于输入直流电压只有12V,而给芯片供电需要15V,5V,3.3V,需要多路输出。如图6所示,采用反激式变换器再经过稳压芯片稳压,可以很好地隔离并且使损耗较小。本设计中采用电流型脉宽调制芯片UC3845驱动IRF540控制占空比,经高频变压器和半波整流得到多路直流输出。

图片14.jpg
图6  辅助电源
5.SPWM产生程序
     如图7所示为程序的流程图,利用TMS320F28027产生双极性SPWM波,由于单片机没有负压故需要对脉宽进行抬升到正轴以上。由于频率较高,所以利用28027内部锁相环模块将系统时钟倍频到50MHZ,利用定时中断按时到按正弦规律变化的表中查询改变输出脉宽。
       图片15.jpg            
                              图7  SPWM波产生程序流程图   
四、总结
通过仿真及部分实物测试结果可知,能将12V的电压经高频变压器得到270V的高压直流电,并经过逆变得到220V的工频交流电,前级高频推挽升压效率可达80%,并且并电池进行了过压和输出过流保护。基本达到车载逆变器的要求。
本帖最后由 flowerhuanghua 于 2016-8-15 09:36 编辑

鑫越电子
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怎么没有看见图片
hwx-555
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LV10
总工程师
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楼主,车载逆变和家用的逆变有那些驱别?
Coming.Lu
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不明白这个贴子是要干什么。
宛东骄子
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LV6
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