【正文】 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(論文)設(shè)計(jì)(論文)題目: 車載逆變電源設(shè)計(jì) 專 業(yè): 電氣自動(dòng)化技術(shù) 摘 要車載逆變器就是一種能把汽車上12V直流電轉(zhuǎn)化為220V/50Hz交流電的電子裝置,是常用的車用電子用品。在日常生活中逆變器的應(yīng)用也很廣泛,比如筆記本電腦、錄像機(jī)和一些電動(dòng)工具等。 本設(shè)計(jì)主要基于開(kāi)關(guān)電源電路技術(shù)等基礎(chǔ)知識(shí)，采用二次逆變實(shí)現(xiàn)逆變器的設(shè)計(jì)。主要思路是：運(yùn)用TL494以及SG3525A等芯片,先將12V直流電源升壓為320V/50Hz的高頻交流電，再經(jīng)過(guò)整流濾波將高頻交流電整流為高壓直流電，然后采用正弦波脈沖調(diào)制法，通過(guò)輸出脈沖控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通。最后經(jīng)過(guò)LC工頻濾波及相應(yīng)的輸入輸出保護(hù)電路后，輸出穩(wěn)定的準(zhǔn)正弦波，供負(fù)載使用。本設(shè)計(jì)具有靈活方便、適用范圍廣的特點(diǎn)，基本能夠滿足實(shí)踐需求。而且本設(shè)計(jì)采用高頻逆變方式，具有噪聲降低、反應(yīng)速度提高以及電路調(diào)整靈活的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)符合逆變電源小型化、輕量化、高頻化以及高可靠性、低噪聲的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞 車載逆變器 脈沖調(diào)寬 保護(hù)電路 正弦波 TL494 SG3525A目 錄摘要 Ⅱ1 緒論 1 車載逆變器及其發(fā)展 1 逆變電源技術(shù)的發(fā)展概況 4 逆變電源的發(fā)展趨勢(shì) 1 2 設(shè)計(jì)總體目標(biāo) 6 設(shè)計(jì)要求及系統(tǒng)指標(biāo) 6 總體方案的選取 6 方案比較 6 方案論證 6 方案選擇 83 整體電路設(shè)計(jì) 8 逆變電源整體框圖 8 脈寬調(diào)制技術(shù)及其原理 11 PWM控制的基本原理 11 PWM逆變電路 12 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法 14 軟件生成法 15 硬件調(diào)制法 154 逆變電源元器件特性及各部分電路設(shè)計(jì) 17 逆變電源主要分立元件及其應(yīng)用 17 場(chǎng)效應(yīng)管 17 穩(wěn)壓管 17 與門 18 變壓器 19 電流互感器 20 逆變電源主要集成芯片及其功能簡(jiǎn)介 21 TL494及其應(yīng)用 21 SG3525A及其應(yīng)用 22 ICL8038簡(jiǎn)介及其應(yīng)用 26 IR2110簡(jiǎn)介及其應(yīng)用 27 各芯片外圍電路及其參數(shù)的計(jì)算 29 ICL8038外圍電路 29 TL494外圍電路 30 SG3525A外圍電路 31 IR2110外圍電路 33 各變換電路設(shè)計(jì) 34 DC/DC變換電路 34 DC/AC變換電路 35 逆變電源保護(hù)電路及其參數(shù)的計(jì)算 37 輸入過(guò)壓保護(hù)電路 37 輸入欠壓保護(hù)電路 37 過(guò)熱保護(hù)電路 38 輸出過(guò)壓保護(hù)電路 39 輸出過(guò)流保護(hù)電路 405 結(jié)論 41致謝 42參考文獻(xiàn) 43附錄 44附錄1 元器件清單 44附錄2 逆變電源原理圖 45 47 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校1 緒論車載逆變電源是將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)或汽車電瓶上的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供一般電器產(chǎn)品使用，是一種較方便的車用電源轉(zhuǎn)換設(shè)備。它是常用的車用汽車電子用品。通過(guò)它可以在汽車上使用平時(shí)我們用市電才能工作的電器，比如電視機(jī)、筆記本電腦、電鉆、醫(yī)療急救儀器、軍用車載設(shè)備等，可應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。按照輸出波形來(lái)分，車載逆變電源可分為正弦波輸出和方波輸出兩種。前者可提供不間斷的高質(zhì)量交流電，可適應(yīng)任何負(fù)載，但其技術(shù)要求及成本高，電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。后者提供的交流電的質(zhì)量較差，且?guī)лd能力差，不能接“感性負(fù)載”。雖有較多的缺點(diǎn)，但是其技術(shù)要求低，體積小，電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低。車載逆變電源按輸出來(lái)分主要分兩類，一類是修正正弦波逆變器和純方波逆變器，另一類是正弦波逆變器。純方波逆變器輸出的則是質(zhì)量較差的方波交流電，其正向最大值到負(fù)向最大值幾乎在同時(shí)產(chǎn)生，這樣，對(duì)負(fù)載和逆變器本身造成劇烈的不穩(wěn)定影響。同時(shí)，其負(fù)載能力差，僅為額定負(fù)載的40%－60%，不能帶感性負(fù)載[1]。如所帶的負(fù)載過(guò)大，方波電流中包含的三次諧波成分將使流入負(fù)載中的容性電流增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞負(fù)載的電源濾波電容[2]，方波逆變器的制作方法采用簡(jiǎn)易的多諧振蕩器，其技術(shù)屬于50年代的水平，將逐漸退出市場(chǎng)。針對(duì)上述缺點(diǎn)，近年來(lái)出現(xiàn)了準(zhǔn)正弦波（或稱改良正弦波、修正正弦波、模擬正弦波等等）逆變器，其輸出波形從正向最大值到負(fù)向最大值之間有一個(gè)時(shí)間間隔，使用效果有所改善，但準(zhǔn)正弦波的波形仍然是由折線組成，屬于方波范疇，連續(xù)性不好?？偫▉?lái)說(shuō)，正弦波逆變器提供高質(zhì)量的交流電，能夠帶動(dòng)任何種類的負(fù)載，但技術(shù)要求和成本均高。準(zhǔn)正弦波逆變器可以滿足我們大部分的用電需求，效率高，噪音小，售價(jià)適中，因而成為市場(chǎng)中的主流產(chǎn)品 逆變電源技術(shù)的發(fā)展概況逆變電源出現(xiàn)于電力電子技術(shù)飛速發(fā)展的20世紀(jì)60年代，逆變電源的發(fā)展是和電力電子器件的發(fā)展聯(lián)系在一起的，器件的發(fā)展帶動(dòng)著逆變電源的發(fā)展。最初的逆變電源采用晶閘管(SCR)作為逆變器的開(kāi)關(guān)器件，稱為可控硅逆變電源。由于SCR是一種沒(méi)有自關(guān)斷能力的器件，因此必須通過(guò)增加換流電路來(lái)強(qiáng)迫關(guān)斷SCR，SCR的換流電路限制了逆變電源的進(jìn)一步發(fā)展。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，自關(guān)斷的電力電子器件脫穎而出，相繼出現(xiàn)了電力晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等等。自關(guān)斷器件在逆變器中的應(yīng)用大大提高了逆變電源的性能。由于自關(guān)斷器件的使用，使得開(kāi)關(guān)頻率得以提高。從而逆變橋輸出電壓中低次諧波的頻率比較高，使輸出濾波器的尺寸得以減小，而且對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性得以提高。最初，對(duì)于采用全控型器件的逆變電源在控制上普遍采用帶輸出電壓有效值或平均值反饋的PWM控制技術(shù)，其輸出電壓的穩(wěn)定是通過(guò)輸出電壓有效值或平均值反饋控制的方法實(shí)現(xiàn)的。采用輸出電壓有效值或平均值反饋控制的方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但存在以下缺點(diǎn)：①對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性不強(qiáng)；②死區(qū)時(shí)間的存在將使PWM波中含有不易濾掉的低次諧波，使輸出電壓出現(xiàn)波形畸變；③動(dòng)態(tài)特性不好，負(fù)載突變時(shí)輸出電壓調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)。為了克服單一電壓有效值或平均值反饋控制方法的不足，實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)獲得應(yīng)用，它是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型電源控制技術(shù)，目前仍在不斷地完善和發(fā)展之中，實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)的采用使逆變電源的性能有了質(zhì)的飛躍。實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)多種多樣，主要有以下幾種：(1)諧波補(bǔ)償控制當(dāng)逆變電源的負(fù)載為整流負(fù)載時(shí)，由于負(fù)載電流中含有大量諧波，諧波電流在逆變電源內(nèi)阻上的壓降致使逆變電源輸出電壓波形畸變，諧波補(bǔ)償控制可以較好地解決這一問(wèn)題，其是在逆變橋輸出PWM波中加入特定的諧波，抵消負(fù)載電流中的諧波對(duì)輸出電壓波形的影響，減小輸出電壓的波形畸變。目前這種方法只能由高速的數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。(2)無(wú)差拍控制1959年，Kalman首次提出了狀態(tài)變量的無(wú)差拍控制理論。1985年，Gokhale在PESC年會(huì)上提出將無(wú)差拍控制應(yīng)用于逆變器控制。逆變器的無(wú)差拍控制才引起了廣泛的重視。無(wú)差拍控制是一種基于微機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制方法。這種控制方法根據(jù)逆變電源系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出反饋信號(hào)來(lái)推算下一個(gè)采樣周期的開(kāi)關(guān)時(shí)間，使輸出電壓在每個(gè)采樣點(diǎn)上與給定信號(hào)相等。無(wú)差拍控制的缺點(diǎn)是算法比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)不太容易，它對(duì)系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性要求較高，對(duì)負(fù)載大小的變化及負(fù)載的性質(zhì)變化比較敏感，當(dāng)負(fù)載大小變化及負(fù)載的性質(zhì)變化時(shí)不易獲得理想的正弦波輸出。(3)重復(fù)控制為了消除非線性負(fù)載對(duì)逆變器輸出的影響，在UPS逆變器控制中引入了重復(fù)控制技術(shù)。Haneyoshi及Kawamura等人首先在PWM逆變器中采用重復(fù)控制消除周期性畸變。后來(lái)，鄒應(yīng)嶼等人進(jìn)一步完善了逆變器的重復(fù)控制理論，給出了一種重復(fù)控制器的設(shè)計(jì)方法，提出了自適應(yīng)重復(fù)控制的理論。重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制方法，它將一個(gè)基波周期的偏差存儲(chǔ)起來(lái)，用于下一個(gè)基波周期的控制，經(jīng)過(guò)幾個(gè)基波周期的重復(fù)可達(dá)到很高的控制精度。在這種控制方法中，加到控制對(duì)象的輸入信號(hào)除偏差信號(hào)外，還迭加了一個(gè)“過(guò)去的控制偏差”，這個(gè)“過(guò)去的控制偏差”是上一個(gè)基波周期中的控制偏差，把上一個(gè)基波周期的偏差反映到現(xiàn)在和“現(xiàn)在的偏差”一起加到控制對(duì)象進(jìn)行控制，這種控制方式，偏差好像在被重復(fù)使用，所以稱為重復(fù)控制。它的突出特點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)特性好，控制魯棒性強(qiáng)。但重復(fù)控制的控制實(shí)時(shí)性差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢。因此，重復(fù)控制一般都不單獨(dú)使用來(lái)完成逆變器的控制，而是與其它控制方式相結(jié)合，共同來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。(4)滑模變結(jié)構(gòu)控制滑模變結(jié)構(gòu)控制理論起于20世紀(jì)50年代，它最顯著的特點(diǎn)是對(duì)參數(shù)變動(dòng)和外部擾動(dòng)不敏感，因此非常適用于閉環(huán)反饋控制的電能變換器。早期的滑模變結(jié)構(gòu)控制器采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于電力拖動(dòng)系統(tǒng)中。20世紀(jì)90年代中后期。臺(tái)灣的鄒應(yīng)嶼和香港大學(xué)的L．K．Wang等人將離散滑模變結(jié)構(gòu)控制理論應(yīng)用到UPS逆變器中，獲得了良好的控制效果。滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)質(zhì)上是一種非連續(xù)的開(kāi)關(guān)控制方法，它強(qiáng)迫系統(tǒng)的跟蹤誤差及其導(dǎo)數(shù)運(yùn)行于相平面的一條固定的滑模曲線上，與系統(tǒng)參數(shù)變動(dòng)及外部擾動(dòng)無(wú)關(guān)，因此系統(tǒng)有極強(qiáng)的魯棒性。但是，就波形跟蹤質(zhì)量來(lái)說(shuō)，滑模控制不及重復(fù)控制和無(wú)差拍控制。(5)單一的電壓瞬時(shí)值反饋控制這種控制方法的基本思想是把輸出電壓的瞬時(shí)反饋值與給定正弦波進(jìn)行比較，用瞬時(shí)偏差作為控制量，對(duì)逆變橋輸出PWM波進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。和傳統(tǒng)PWM控制方法相比，由于該方法能對(duì)PWM波進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，故系統(tǒng)的快速性、抗擾性、對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性、輸出電壓的波形品質(zhì)等都比傳統(tǒng)PWM控制方法有所提高。這種方法的缺點(diǎn)是系統(tǒng)的穩(wěn)定性不好，特別是空載時(shí)，輸出電壓容易振蕩。系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題限制了電壓調(diào)節(jié)器增益的提高，因而輸出電壓的波形品質(zhì)還不是很好。(6)帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋控制帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋控制方法是在單一的電壓瞬時(shí)值反饋控制方法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。在這種方法中，不但引入輸出電壓的瞬時(shí)值反饋，還引入濾波電容電流或?yàn)V波電感電流的瞬時(shí)值反饋。電壓環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)。電流環(huán)具有將濾波電容電流或?yàn)V波電感電流改造為可控的電流源的作用，這樣控制輸入和輸出電壓之間形成了具有單極點(diǎn)的傳遞函數(shù)，因而系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高，克服了單一的電壓瞬時(shí)值反饋控制系統(tǒng)空載容易振蕩的缺點(diǎn)。由于穩(wěn)定性的提高使得電壓調(diào)節(jié)器增益可以取比較大的值，所以突加突卸負(fù)載時(shí)輸出電壓的動(dòng)態(tài)特性大大提高，抗擾性大大提高，對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性也大大提高。 逆變電源的發(fā)展趨勢(shì)隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(yè)對(duì)逆變器控制性能要求的提高，逆變電源也得到了深入的發(fā)展，目前，逆變電源的發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下幾個(gè)方面：(1)高頻化提高逆變電源的開(kāi)關(guān)頻率，可以有效地減小裝置的體積和重量，并可消除變壓器和電感的音頻噪聲，同時(shí)改善了輸入電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。此外，為了進(jìn)一步減小裝置的體積和重量，必須去掉笨重的工頻隔離變壓器，采用高頻隔離。高頻隔離可以采用兩種方式實(shí)現(xiàn)：①在整流器與逆變器之間加一級(jí)高頻隔離的DC—DC變換器；②采用高頻鏈逆變技術(shù)。高頻化僅限于小容量逆變電源。在大容量逆變電源中，由于工頻變壓器引起的矛盾相對(duì)不如小容量UPS突出，而且大容量的高頻逆變器、整流器和高頻變壓器的制作也分別受到高頻開(kāi)關(guān)器件的容量和高頻磁性材料的限制。(2)高性能化高性能主要指輸出電壓特性的高性能，它主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①穩(wěn)壓性能好，空載及負(fù)載時(shí)輸出電壓有效值要穩(wěn)定；②波形質(zhì)量高，不但要求空載時(shí)的波形好，帶載時(shí)波形也要好，對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性要強(qiáng)；③突加突減負(fù)載時(shí)輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)特性好；④電壓調(diào)制量小；⑤輸出電壓的頻率穩(wěn)定性好；⑥對(duì)于三相電源，帶不平衡負(fù)載時(shí)相電壓失衡小。輸出電壓的高性能是用電設(shè)備對(duì)逆變電源的要求，控制方式的改進(jìn)是逆變電源達(dá)到高性能的主要手段。(3)并聯(lián)及模塊化當(dāng)今逆變電源的發(fā)展趨向是大功率化和高可靠性。雖然現(xiàn)在已經(jīng)能生產(chǎn)幾千千伏安的大型逆變電源，完全可以滿足大功率要求的場(chǎng)合，但是，這樣整個(gè)系統(tǒng)的可靠性完全由單臺(tái)電源決定，無(wú)論如何是不可能達(dá)到很高的。為了提高系統(tǒng)的可靠性，就必須實(shí)現(xiàn)模塊化。模塊化意味著用戶可以方便地將小容量的模塊化電源任意組合，構(gòu)成一個(gè)較大容量的逆變電源。模塊化需要解決逆變電源之間的并聯(lián)問(wèn)題，逆變電源的并聯(lián)要比直流電源的并聯(lián)復(fù)雜，它面臨著負(fù)荷分配、環(huán)流補(bǔ)償、通斷控制等多方面的問(wèn)題。但是，逆變電源的并聯(lián)運(yùn)行可以帶來(lái)以下幾個(gè)方面的好處：1)可以用來(lái)靈活地?cái)U(kuò)大電源系統(tǒng)的容量；2)可以組成并聯(lián)冗余系統(tǒng)以提高運(yùn)行的可靠性；3)具有極高的系統(tǒng)可維修性。當(dāng)單臺(tái)電源出現(xiàn)故障時(shí)，可以很方便地通過(guò)熱插拔方式進(jìn)行更換和維修。(4)小型化在逆變電源中，決定整個(gè)裝置體積和重量的部分是變壓器和LC濾波器，變壓器可能放在輸入部分，也可能放在輸出部分，起電壓隔離或電壓匹配的作用；LC濾波器用于濾除PWM波中的高次諧波，濾波器的尺寸與PWM波的頻譜特性有關(guān)。要使逆變電源小型化，可以采用的方法有三種：1)提高開(kāi)關(guān)頻率，使濾波器小型化；2)采用新的PWM控制方式，優(yōu)化逆變橋輸出PWM波的頻譜，使濾波器小型化；3)用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓的隔離及匹配，替代輸入或輸出的低頻變壓器，實(shí)現(xiàn)變壓器的小型化。(5)高輸入功率因數(shù)化對(duì)于交流輸入的逆變電源，中間環(huán)節(jié)直流電源一般由二極管整流獲得，其輸入電流成尖脈沖狀，因此，輸入功率因數(shù)不高。提高整流側(cè)的輸入功率因數(shù)不僅可大大提高逆變電源對(duì)輸入電能的利用率，而且可以克服逆變電源對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染的缺點(diǎn)。(6)數(shù)字化逆變電源的數(shù)字化并不是簡(jiǎn)單的指在系統(tǒng)中應(yīng)用了數(shù)字器件，如單片機(jī)及FPGA等，而是指整個(gè)系統(tǒng)的控制應(yīng)用數(shù)字器件的計(jì)算能力和離散控制方法來(lái)完成，隨著硬件技術(shù)的發(fā)展．處理器計(jì)算速度的提高，必然促使逆變電源向數(shù)字化方向發(fā)展。(7)智能化一個(gè)智