【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 OSFET 開關(guān)較快而無(wú)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(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通。當(dāng) Vgs 0 時(shí)才有可能有電流即漏極電流產(chǎn)生。即當(dāng) 0Vgs 時(shí) MOS 管才導(dǎo)通。 圖 27 MOSFET 代表符號(hào)圖 三極管 本設(shè)計(jì)選用兩種三極管，電路中有 50KHz 和 50Hz 兩個(gè)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(hào)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(guān)應(yīng)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(shè)計(jì)電路中運(yùn)用三極管導(dǎo)通截止 開關(guān)特性。 13 第 3 章 各部分支路電路設(shè)計(jì)及其參數(shù)計(jì)算 各部分支路電路設(shè)計(jì)及其參數(shù)計(jì)算 DC/DC 變換電路 由 DC/AC 和整流濾波電路組成 [5]。電路結(jié)構(gòu)如圖 31， VT1 和 VT2 的基極分別接 TL494 的兩個(gè)內(nèi)置晶體管的發(fā)射極。中心器件變壓器 T1，實(shí)現(xiàn)電壓由 12V 脈沖電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?220V 脈沖電壓。此脈沖電壓經(jīng)過(guò)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(shù)比為 12／220≈，變壓器選擇為 E 型，可自制。經(jīng)過(guò)實(shí)踐調(diào)制選擇初級(jí)匝數(shù)為 102，次級(jí)匝數(shù)為 190。 10/190≈ 即滿足變壓器匝數(shù)比約為 。電路正常時(shí)， TL494 的兩個(gè)內(nèi)置晶體管交替 道統(tǒng) ，導(dǎo)致圖中晶體管 VT VT2 的基極也因此而交替導(dǎo)通， VT3 和 VT4 交替導(dǎo)通。因?yàn)樽儔浩鬟x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(dǎo)通，使變壓器的初 級(jí)輸入端有 50KHz 的交流電。當(dāng) VT 1 導(dǎo)通時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管 VT3 因?yàn)闁艠O無(wú)正偏壓而截止，而此時(shí) VT2 截止，導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管 VT4 柵極有正偏壓而導(dǎo)通。當(dāng) VT1 導(dǎo)通時(shí)， VT2 截止，場(chǎng)效應(yīng)管 VT 3 因?yàn)闁艠O無(wú)正偏壓而截止，而此時(shí) VT2 截止，導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管 VT 4 柵極有正偏壓而導(dǎo)通。且交替導(dǎo)通時(shí)其峰值電壓為 12V，即產(chǎn)生了 12V/50KHz 的交流電。當(dāng)電路工作不正常時(shí)，TL494 輸出控制端為低電平時(shí)， TL494 的兩個(gè)內(nèi)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(dǎo)致兩晶體管同時(shí)導(dǎo)通。 VT1 和VT 2 因?yàn)榛鶚O都為高電 平而飽和導(dǎo)通，而場(chǎng)效應(yīng)管 VT VT4 將因柵極無(wú)正偏壓都處于截止?fàn)顟B(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(gè)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： 14 Td=RC≧ (3~ 5)T/2 (31) 當(dāng) f=50KHz 時(shí)， 150T KHz=， R=116 KΩ 時(shí)， R 為后繼負(fù)載電阻，則 C≥ 1010F。根據(jù)電容標(biāo)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(guò)壓保護(hù)電路 電路結(jié)構(gòu)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(guò)該芯片的誤差比較器對(duì)其輸出進(jìn)行控制 [ 6]，當(dāng)輸入過(guò)大電壓時(shí)，停止逆變電路工作從而使電路得到保護(hù)。因?yàn)檩斎腚妷褐苯記Q定了輸出電壓的值，對(duì)輸入端電壓的保護(hù)也是對(duì)輸出端子間過(guò)大電壓進(jìn)行負(fù)載保護(hù)。 VD C R1 組成了保護(hù)狀態(tài)維持電路，只要發(fā)生瞬間的輸入電壓過(guò)大現(xiàn)象，就導(dǎo)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(hù)電路就會(huì)啟動(dòng)并維持一段時(shí)間。當(dāng) C1 和 R1 充電完成， C1 和 R2 支路開始處于放電狀態(tài)，當(dāng) C1 放電完成時(shí)， TL494 芯片 I 的同相輸入端由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平，導(dǎo)致 TL494 芯片 I 的 3 腳即反饋輸入端為高電平狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo) 15 致 TL494 芯片內(nèi)部的 PWM 比較器、或門、或非門的輸出均發(fā)生翻轉(zhuǎn)， TL494芯片內(nèi)置功率輸出級(jí)三極管 VT 1 和 VT2 均轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)將導(dǎo)致直流變換電路的場(chǎng)效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)，直流變換電路停止工作。同時(shí) TL494的 4 腳為高電平狀態(tài)， 4 腳為高電平時(shí)，將抬高芯片內(nèi)部死區(qū)時(shí)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(nèi)部結(jié)構(gòu)知，芯片內(nèi)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(hù)電路的啟動(dòng)門限電壓值?？紤]到汽車行駛過(guò)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(guò)壓電路保護(hù)圖 輸出過(guò)壓保護(hù)電路 電路結(jié)構(gòu)如圖 33，當(dāng)輸出電壓過(guò)高時(shí)將導(dǎo)致穩(wěn)壓管 DZ1 擊穿，使TL494 芯片 II 的 4 腳對(duì)地的電壓升高，啟動(dòng) TL494 芯片 II 的保護(hù)電路，切斷輸出。 VD C R2 組成了保護(hù)狀態(tài)維持電路， R R4 為保護(hù)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(fù)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(hù)電阻可取為 16KΩ ，根據(jù)電路分壓知識(shí) [ 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。 16 圖 33 輸出過(guò)壓電路保護(hù)圖 DC/AC 變換電路 電路結(jié)構(gòu)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(nèi)置的兩個(gè)三極管的集電級(jí)，且兩個(gè)內(nèi)置三極管是交替導(dǎo)通的，變替導(dǎo)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(duì)稱的橋式電路，因?yàn)閮扇龢O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(guò)程完全相同。選其中一部分作為說(shuō)明。這里將其簡(jiǎn)化如圖 35。圖中 VT0 為 TL494芯片 II 的一個(gè)內(nèi)置三極管設(shè)為 VT00，另一個(gè)設(shè)為 VT 01。當(dāng) VT00 導(dǎo)通時(shí)，即 VT01 截止時(shí)： VT1 的基級(jí)沒(méi)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(dǎo)通。而 VT4 因?yàn)闁艠O無(wú)正偏壓截止，輸出220V 電壓。當(dāng) VT 00 截止時(shí)，即 VT 01 導(dǎo)通時(shí)： VT1 基級(jí)有 12V 正偏壓，集電極有 12V 反向電壓，從而導(dǎo)通。 VT3 的柵極無(wú)正偏電壓，從而使 VT3 截止。而 VT4 因?yàn)闁艠O有 12V 正偏壓導(dǎo)通。因?yàn)?VT3 截止， 220V 電壓無(wú)法送至輸出。但此時(shí)下半部分的電路有 220V 電壓輸出。因?yàn)榇藭r(shí) TL494 芯片 II 的另一個(gè)內(nèi)置三極管 VT01 導(dǎo)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(dǎo)通，從而使電路有 220V/50Hz 的交流電輸出。由于 TL494 芯片為脈沖調(diào)制器，其產(chǎn)生的波形為脈沖波而不是正弦波。 VT VT VT VT VT VT6 應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管可選擇為 IRF740 型。限流電阻可選擇10 KΩ 、 1 KΩ 、 、 KΩ 的經(jīng)典取值。 C C2 和 C3 均為平滑輸出的 17 吸收電容。 C1 和 C2 可取為 10μF ， C3 取為 。 圖 34 DC/AC 轉(zhuǎn)換電路圖 圖 35 簡(jiǎn)化圖 18 TL494 芯片 Ⅰ 外圍電路 電路結(jié)構(gòu)如圖 36，包含過(guò)熱保護(hù)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(yīng)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(nèi)兩個(gè)三極管正常工作。因?yàn)樾酒瑑?nèi)置 5V 基準(zhǔn)電壓源，負(fù)載能力為 10mA。所以 15 腳電壓應(yīng)高于 5V。 15 腳電壓計(jì)算式為： 2 1 2 tU = 12 R / ( +R +R )R (33) 這里 Rt 為正溫度系數(shù)熱敏電阻，常溫阻值可在 150~300Ω 范圍內(nèi)任選，適當(dāng)選大寫可提高過(guò)熱保護(hù)電路啟動(dòng)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(diào)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(jié)構(gòu)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(yīng)略高于 16 腳電壓才能保證誤差 19 比較器 II 的輸出為低電平，才能使芯片內(nèi)兩個(gè)三極管正常工作。因?yàn)樾酒瑑?nèi)置 5V 基準(zhǔn)電壓源，由圖可知 15 腳的電壓為 5V， 16 腳的電壓為 0V。芯片內(nèi)置比較器 II 的輸出為低電平。 5 腳和 6 腳為振蕩器的定時(shí)電容和定時(shí)電阻接入端。因?yàn)橐馆敵鲱l率為 50Hz，由公式tt1OSCF CR=? 知：當(dāng) Rt 取為 220KΩ 時(shí)， 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(guò)壓保護(hù)電路。電容 C2 取值為 47μF ，電阻 R3 取值為 10KΩ ，當(dāng)輸入過(guò)壓保護(hù)電路啟動(dòng)后，使電容 C2 對(duì) 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(shí)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(jī)電路原理圖 電路的元件參數(shù)表 20 第 4 章 調(diào)試 該逆變電源在接通 12V 直流電源后， LED 指示燈亮，說(shuō)明電路工作正常。由于該電路設(shè)有上電軟啟動(dòng) [ 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(guò)大、輸出電壓 過(guò)大或者電路工作環(huán)境過(guò)熱的情況均會(huì)使 LED 指示燈變暗，說(shuō)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(méi)有點(diǎn)亮，說(shuō)明逆變電路有問(wèn)題或者 LED 燈極性安裝反了。該電路的 PCB 板 [10]示意圖見(jiàn)附錄 C。 21 結(jié) 論 逆變電源應(yīng)用廣泛， 但是電路復(fù)雜 ，價(jià)格比較昂貴，為此設(shè)計(jì)一款逆變電源。 該電源 主要應(yīng)用開關(guān)電源電路技術(shù)的有關(guān)知識(shí)，涉及模擬集成電路、電源集成電路、直流穩(wěn)壓電路、開關(guān)穩(wěn)壓電路等原理，充分運(yùn)用芯片TL494 的固定頻率脈沖寬度調(diào)制電路 [1]和場(chǎng)效應(yīng)管 [ 2]（ N 溝道增強(qiáng)型MOSFET）的開關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)與三極管一起構(gòu)成的 組合設(shè)計(jì)電路。 該逆變電源在工作時(shí)的持續(xù)輸出功率為 150W，并且具有輸出過(guò)壓保護(hù)、輸入過(guò)壓保護(hù)以及過(guò)熱保護(hù)等功能 。 主要組成部分為： DC/DC 電路、輸入過(guò)壓保護(hù)電路、輸出過(guò)壓保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路、 DC/AC 變換電路、振蕩電路、全橋電路。 該電源的制造成本較為低廉，千臺(tái)以上數(shù)量的批產(chǎn)成本僅在 40 元 /臺(tái)左右，并且當(dāng)印制板的尺寸不受限制時(shí)，可以將輸出功率做到 200W 以上，因此