【文章內容簡介】 世紀 60 年代誕生起就廣泛地應用于各種電子電路之中。它分為結型和絕緣柵型兩種不同的結構 場效應管是一種適應開關電源小型化、高效率化和高可靠性要求的理想器件。它是利用電場效應來控 制其電流大小的半導體器件 [3]。其代表符號如圖 27。這種器件不僅兼有開關速度快、無存儲時間、體積小、重量輕、耗電省、壽命長等特點，而且還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強和制造工藝簡單等優(yōu)點，因此大大的擴展了它的應用范圍，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用。 MOSFET 開關較快而無存儲時間，故在較高工作頻率下開關損耗較小，另外所需的開關驅動功率小，降低了電路的復雜性。本設計采用的是 N 溝道增強型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） ，才能使該場效應管導通。當 Vgs 0 時才有可能有電流即漏極電流產生。即當 0Vgs 時 MOS 管才導通。 圖 27 MOSFET 代表符號圖 三極管 本設計選用兩種三極管，電路中有 50KHz 和 50Hz 兩個頻率，用于50KHz 電路 三極管選擇為 8550 型 [4]， 8550 型三極管是一種常用的普通三極管，它是 低電壓、大電流、小信號的 PNP 型硅三極管，集電極 基極電壓 Vcbo： 40V，工作溫度： 55℃ —+150℃ 主要用途：開關應用和射頻放大。 用于 50Hz 低頻三極管選擇 KSP44 型，它是 NPN 型三極管。三極管工作狀態(tài)有截止、放大、飽和。此設計電路中運用三極管導通截止 開關特性。 洛陽 理工學院畢業(yè)設計（論文） 13 第 3 章 各部分支路電路設計及其參數計算 各部分支路電路設計及其參數計算 DC/DC 變換電路 由 DC/AC 和整流濾波電路組成 [5]。電路結構如圖 31， VT1 和 VT2 的基極分別接 TL494 的兩個內置晶體管的發(fā)射極。中心器件變壓器 T1，實現電壓由 12V 脈沖電壓轉變?yōu)?220V 脈沖電壓。此脈沖電壓經過整流濾波電路變成 220V 高 壓直流電壓。變壓器 T1 的工作頻率選為 50KHz 左右 [4]，因此 T1 可選用 EI33 型的高頻鐵氧體磁心變壓器，變壓器的匝數比為 12／220≈，變壓器選擇為 E 型，可自制。經過實踐調制選擇初級匝數為 102，次級匝數為 190。 10/190≈ 即滿足變壓器匝數比約為 。電路正常時， TL494 的兩個內置晶體管交替 道統(tǒng) ，導致圖中晶體管 VT VT2 的基極也因此而交替導通， VT3 和 VT4 交替導通。因為變壓器選擇為 E 型，這樣使變壓器工作在推挽狀態(tài)， VT3 和 VT4 以頻率為 50KHz 交替導通，使變壓器的初 級輸入端有 50KHz 的交流電。當 VT 1 導通時，場效應管 VT3 因為柵極無正偏壓而截止，而此時 VT2 截止，導致場效應管 VT4 柵極有正偏壓而導通。當 VT1 導通時， VT2 截止，場效應管 VT 3 因為柵極無正偏壓而截止，而此時 VT2 截止，導致場效應管 VT 4 柵極有正偏壓而導通。且交替導通時其峰值電壓為 12V，即產生了 12V/50KHz 的交流電。當電路工作不正常時，TL494 輸出控制端為低電平時， TL494 的兩個內置晶體管的集電極（ 8 腳和 9 腳）有 12V 正偏壓，基極為高電平，導致兩晶體管同時導通。 VT1 和VT 2 因為基極都為高電 平而飽和導通，而場效應管 VT VT4 將因柵極無正偏壓都處于截止狀態(tài)，逆變電源停止工作， LED 指示燈熄滅。極性電容C1 濾去 12V 直流中的交流成分，降低輸入干擾。濾波電容 C1 可取為2200 μF 。 R R R3 起限流作用，取值為 KΩ 。整流濾波電路由四只整流二極管和一個濾波電容組成。四只整流二極管 D1~D4 接成電橋的形式，稱單相橋式整流電路 [2]。在橋式整流電路中，電容 C2 濾去了電路中的交流成分，由模擬電路 直流穩(wěn)壓電源的電容濾波電路 [ 2]知： 洛陽 理工學院畢業(yè)設計（論文） 14 Td=RC≧ (3~ 5)T/2 (31) 當 f=50KHz 時， 150T KHz=， R=116 KΩ 時， R 為后繼負載電阻，則 C≥ 1010F。根據電容標稱值選擇 C2 為 10μF 。輸出 220V 高壓直流電，供后繼逆變電路使用 。 圖 31 直流變換電路圖 輸入過壓保護電路 電路結構如圖 32，由 DZ電阻 R1 和電阻 R電容 C二極管 VD1組成。輸出端口接 TL494 芯片 I 的同相輸入端（第 1 腳），通過該芯片的誤差比較器對其輸出進行控制 [ 6]，當輸入過大電壓時，停止逆變電路工作從而使電路得到保護。因為輸入電壓直接決定了輸出電壓的值，對輸入端電壓的保護也是對輸出端子間過大電壓進行負載保護。 VD C R1 組成了保護狀態(tài)維持電路，只要發(fā)生瞬間的輸入電壓過大現象，就導致 穩(wěn)壓管擊穿，電路將沿 C1 和 R1 支路充電，繼續(xù)維持同相端的低電平狀態(tài)，保護電路就會啟動并維持一段時間。當 C1 和 R1 充電完成， C1 和 R2 支路開始處于放電狀態(tài)，當 C1 放電完成時， TL494 芯片 I 的同相輸入端由低電平翻轉為高電平，導致 TL494 芯片 I 的 3 腳即反饋輸入端為高電平狀態(tài)，進而導洛陽 理工學院畢業(yè)設計（論文） 15 致 TL494 芯片內部的 PWM 比較器、或門、或非門的輸出均發(fā)生翻轉， TL494芯片內置功率輸出級三極管 VT 1 和 VT2 均轉為截止狀態(tài)。此時將導致直流變換電路的場效應管處于截止狀態(tài)，直流變換電路停止工作。同時 TL494的 4 腳為高電平狀態(tài)， 4 腳為高電平時，將抬高芯片內部死區(qū)時間比較器同相輸入端的電位，使該比較器的輸出為恒定的高電平，由 TL494 芯片內部結構知，芯片內置三極管截止，從而停止后繼電路的工作。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值一般為輸入電壓的 100%~130%。穩(wěn)壓管 DZ1 的穩(wěn)壓值決定了該保護電路的啟動門限電壓值?？紤]到汽車行駛過程中電瓶電壓的正常值變化幅度大小，通常將穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值選為 15V 或者 16V 較為合適。在此取為 15V，穩(wěn)壓管的功率為 。 R1 取為 100KΩ ， R R3 均取為 ， C C2均取為 47μF 。 圖 32 輸入過壓電路保護圖 輸出過壓保護電路 電路結構如圖 33，當輸出電壓過高時將導致穩(wěn)壓管 DZ1 擊穿，使TL494 芯片 II 的 4 腳對地的電壓升高，啟動 TL494 芯片 II 的保護電路，切斷輸出。 VD C R2 組成了保護狀態(tài)維持電路， R R4 為保護電阻，用 以 增 大 輸 出 阻 抗 。 穩(wěn) 壓 管 的 穩(wěn) 壓 值 一 般 規(guī) 定 為 輸 出 電 壓 的130%~150%[7]。后繼電路為 220V/50Hz 輸出 ，其中負載電阻為 100 KΩ ，TL494 芯片 II 的輸出腳電壓最大為 12V， R1 為限流電阻可取值為 100KΩ ，R2 為保護電阻可取為 16KΩ ，根據電路分壓知識 [ 8]，則 R2 上的電壓為： U=R2 220/(R1+R1)=220 16/116≈ (32) 即穩(wěn)壓管的電壓取值最大為 ，這里穩(wěn)壓管取值為 30V。 洛陽 理工學院畢業(yè)設計（論文） 16 圖 33 輸出過壓電路保護圖 DC/AC 變換電路 電路結構如圖 34，該變換電路為全橋橋式電路 [6]。其中 TL494 芯片的 8 腳和 11 腳為內置的兩個三極管的集電級，且兩個內置三極管是交替導通的，變替導通的頻率為 50Hz。圖中 8 腳和 11 腳分別接入了上下兩部分完全對稱的橋式電路，因為兩三極管交替工作，工作頻率為 50Hz，所以選用橋式電路，目的在于得到 50Hz 交流電 。上下兩部分電路工作過程完全相同。選其中一部分作為說明。這里將其簡化如圖 35。圖中 VT0 為 TL494芯片 II 的一個內置三極管設為 VT00，另一個設為 VT 01。當 VT00 導通時，即 VT01 截止時： VT1 的基級沒有正偏壓，從而使 VT1 截止，然后 VT3 的柵極有 12V 正偏電壓，使 VT3 導通。而 VT4 因為柵極無正偏壓截止，輸出220V 電壓。當 VT 00 截止時，即 VT 01 導通時： VT1 基級有 12V 正偏壓，集電極有 12V 反向電壓，從而導通。 VT3 的柵極無正偏電壓，從而使 VT3 截止。而 VT4 因為柵極有 12V 正偏壓導通。因為 VT3 截止， 220V 電壓無法送至輸出。但此時下半部分的電路有 220V 電壓輸出。因為此時 TL494 芯片 II 的另一個內置三極管 VT01 導通，它的集電極即第 11 腳使逆變電路 I有 220V 電壓輸出。原理同上。上下兩部分以頻率為 50Hz 而交替導通，從而使電路有 220V/50Hz 的交流電輸出。由于 TL494 芯片為脈沖調制器，其產生的波形為脈沖波而不是正弦波。 VT VT VT VT VT VT6 應選擇低頻小功率型的。這里 VT1 和 VT2 為晶體三極管可選擇 KSP14 型，VT VT VT5 和 VT6 為場效應管可選擇為 IRF740 型。限流電阻可選擇10 KΩ 、 1 KΩ 、 、 KΩ 的經典取值。 C C2 和 C3 均為平滑輸出的洛陽 理工學院畢業(yè)設計（論文） 17 吸收電容。 C1 和 C2 可取為 10μF ， C3 取為 。 圖 34 DC/AC 轉換電路圖 圖 35 簡化圖 洛陽 理工學院畢業(yè)設計（論文） 18 TL494 芯片 Ⅰ 外圍電路 電路結構如圖 36，包含過熱保護電路及振蕩電路。 15 腳為芯片 TL494的反相輸入端， 16 為同相輸入端，電路正常情況下 15 腳電壓應略高于 16腳電壓才能保證誤差比較器 II 的輸出為低電平，才能使芯片內兩個三極管正常工作。因為芯片內置 5V 基準電壓源，負載能力為 10mA。所以 15 腳電壓應高于 5V。 15 腳電壓計算式為： 2 1 2 tU = 12 R / ( +R +R )R (33) 這里 Rt 為正溫度系數熱敏電阻，常溫阻值可在 150~300Ω 范圍內任選，適當選大寫可提高過熱保護電路啟動的靈敏度。這里取 200Ω。 R1 取 36KΩ ，R 取 39 KΩ ，則 15 腳電壓為 。符合要求。該脈寬調制器的振蕩頻率為 50KHz，由公式（ 21）知tt1OSCF CR=? ,圖中 C R3 為芯片的振蕩元件。C2 即為 Ct ， R3 即為 Rt 。其中 Fosc 取為 50KHz， C2 取 4700pF ，則 R3 取 。 圖 36 TL494 芯片 I 外圍電路 TL494 芯片 Ⅱ 外圍 電路 電路結構如圖 37，同樣 15 腳為芯片 TL494 的反相輸入端， 16 腳為同相輸入端，電路正常情況下 15 腳電壓應略高于 16 腳電壓才能保證誤差洛陽 理工學院畢業(yè)設計（論文） 19 比較器 II 的輸出為低電平，才能使芯片內兩個三極管正常工作。因為芯片內置 5V 基準電壓源，由圖可知 15 腳的電壓為 5V， 16 腳的電壓為 0V。芯片內置比較器 II 的輸出為低電平。 5 腳和 6 腳為振蕩器的定時電容和定時電阻接入端。因為要使輸出頻率為 50Hz，由公式tt1OSCF CR=? 知：當 Rt 取為 220KΩ 時， Ct= 108 μF ，可取為 。 C1 和 R2 是芯片的振蕩元件，即是 R2 取值為 220 KΩ ， C1 取值為 。芯片的 8 腳和 11 腳接逆變電路 II， 4 腳接輸入過壓保護電路。電容 C2 取值為 47μF ，電阻 R3 取值為 10KΩ ，當輸入過壓保護電路啟動后，使電容 C2 對 R3 放電，使 4 腳保持為低電平，使 TL494 芯片 II 的電路維持一端時間，直到 C2 放電完畢，則使 4 腳為高電平，抬高死區(qū)電壓，從而使芯片 II 停止工作。 圖 37 TL494 芯片 II 外圍電路 逆變電源的整機電路原理圖 電路的元件參數表 洛陽 理工學院畢業(yè)設計（論文） 20 第 4 章 調試 該逆變電源在接通 12V 直流電源后， LED 指示燈亮，說明電路工作正常。由于該電路設有上電軟啟動 [ 9]功能，在接通電源后要等 7S 左右才有220V 直流輸出。若發(fā)生輸入電流過大、輸出電壓 過大或者電路工作環(huán)境過熱的情況均會使 LED 指示燈變暗，說明逆變電路停止工作。若在接通電源后要等 10S 左右指示燈還沒有點亮，說明逆變電路有問題或者 LED 燈極性安裝反了。該電路的 PCB 板 [10]示意圖見附錄 C。 洛陽 理工學院畢業(yè)設計（論文） 21 結 論