【正文】 52 推挽式變壓器MOS管驅(qū)動波形圖53 M1M4驅(qū)動波形圖54 M2M3驅(qū)動波形 開環(huán)仿真 在負載分別約為200W額定負載、RL=230Ω和負載約為25W,RL=1KΩ。第5章 仿真與實驗結(jié)果下圖所示為車載逆變電源原理圖，及在在任意負載下MOS管的驅(qū)動波形，及逆變SPWM調(diào)制MOS管的驅(qū)動波形。它們使產(chǎn)品的設計更為完整，保證了整個電路系統(tǒng)的正常工作，是系統(tǒng)的重要組成部分。通過對取樣電壓的計算和對R8可調(diào)電阻的調(diào)試，我們將額定負載設置在預定的200W，而瞬間過載可以達到400W左右。而電容C3的存在，使得電路本身具有了一定的延時功能。該基準電壓只有60mV左右，精度要求較高， (VREF)分壓后得到的。其次對負載超過一定的限度后要馬上對電路進行保護。過載保護電路的情況則相對復雜一些。對負載短路的保護可以采取比較簡單的方法來處理，通常是在輸入電路中串入一個合適的保險絲。這種情況就需要電路能夠分辨出哪些過載是屬于負載工作不穩(wěn)定引起的，像某些電感型負載在開機啟動的瞬間沖擊電流特別大，可達到正常工作時的35倍，這種情況是允許的。圖42 欠壓報警保護電路 過流檢測電路過載保護電路如圖43所示，短路保護和輸出過載保護電路實質(zhì)上是相同的，都是輸出負載超過了額定負載，或是說超過了設計規(guī)定的最大負載。同樣道理，計算可得當蓄電池的電壓進一步下降到10V左右時，比較器B也翻轉(zhuǎn)輸出高電平，該路信號輸出到SG3525A的關斷腳10腳，切斷主電路的工作。R4 = 3K，這樣可以計算出電路報警的臨界點：而取V1=VREF=，可得Vcc=。在設 計 該 部分電路時，我們從輸入的12V直流電源采取取樣信號，經(jīng)過電阻R3，R4，R5分壓后， 比較后輸出報警信號。如果負載較輕，時間會長一些，但會造成蓄電池的深度放電。對于蓄電池來說，最害怕的情況就是經(jīng)過長時間的放電后工作于欠壓狀態(tài)，長期處于虧電狀態(tài)會使蓄電池的壽命大大縮短。 欠壓報警及欠壓自動保護電路欠壓電路的工作原理圖如圖42所示。穩(wěn)壓二極管采用HZ12—。在這里二極管采用的是12V/，通過對電阻阻值的調(diào)整改變?nèi)与妷旱母叩涂梢愿淖兏邏罕Ｗo限定值。 過壓檢測電路過電壓保護電路的設置主要體現(xiàn)在脈沖控制電路SG3525A的外圍線路上。第4章 保護電路設計 對于車載逆變電源，如果沒有沒有保護電路，那么其狹小的使用空間內(nèi)，極易發(fā)生危險。驅(qū)動電路采用的是IR2110，其具有自舉懸浮電源大大簡化了驅(qū)動電源的設計。本設計中采用了SG3525A脈沖控制電路，SG3525A電路與早期的PWM電路相比，功能比較完整，能真接驅(qū)動功率MOS管，具有內(nèi)基準電壓源、運放及欠壓保護功能，外圍線路簡單，應用相當方便。5V基準電壓進行比較，在陰極上形成誤差電壓，使LED的工作電流發(fā)生變化，再通過光耦將變化的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號送入U3988的AV_CK控制引腳，調(diào)節(jié)SPWM輸出占空比，從而達到穩(wěn)壓的目的，具體電路如圖38所示：SG3525穩(wěn)壓電路原理設計同上，只是采集為直流輸出電壓，而反饋接到SG3535A 1腳。在反饋電路的設計中，TL431與PC817一次側(cè)的LED串聯(lián)，TL431陰極流過的電流就是LED的電流。TL431具有體積小、基準電壓精密可調(diào)，輸出電流大，熱穩(wěn)定性能好等優(yōu)點，其內(nèi)部主要包括：[14]差放大器，其同相輸入端接從電阻分壓器上得到的取樣電壓，反相端則2；NPN型晶體管VT，它在電路中起到調(diào)節(jié)負載電流的作用； 保護二極管VD。通過計算公式，死區(qū)時間下t=4=4RC，設計中取R=，C=300P，死區(qū)時間約為5us。其中，通過74HC08與RC延遲電路的配合實現(xiàn)了死區(qū)控制。以OUTA的輸出信號為例，通過非門74HCl4將OUTA分為互補的兩路信號UA1和UA2。為了防止同一橋臂上、下兩個開關器件同時導通，引起直流側(cè)電源的短路而損壞器件，由U3988輸出的SPWM信號必須要通過死區(qū)控制電路才能送到逆變橋，圖37為所設計的死區(qū)控制電路。根據(jù)上述U3988接線圖如圖35所示：圖35 U3988外圍接線圖 IR2110驅(qū)動電路及死區(qū)電路設計MOSFET管的驅(qū)動電路由兩片IR2110集成驅(qū)動器組成。并且每次上電芯片都嘗試對電池進行充電。BT_CK引腳對電池電壓檢測的動作閥值：；低于2V為欠壓告警；（在有市電時）。該引腳能夠測量的電壓范圍是 0－5V，為了保護該引腳不會因為過壓而損壞，（特別重要）。例如：在某一應用中為了能夠調(diào)節(jié)逆變輸出電壓，在該引腳施加了一個固定的直流電壓，這個電壓是可以調(diào)節(jié)的，但不是輸出電壓的反饋，這種情況是不允許的（但不會損壞芯片），因為這個電壓不是反饋回來的，芯片始終會認為這個值偏高（或偏低），從而會一直做出相反的調(diào)整，直到把輸出電壓調(diào)到了最低（或最高），才會停止。該引腳也可以測量整流濾波后的直流電壓（平均值），只是因為濾波電容的存在，使芯片對輸出電壓的變化反應遲鈍。峰值取樣的優(yōu)點是測量值準確、對電壓變化反應迅速。逆變輸出電壓反饋引腳的作用是測量逆變輸出的交流電壓，根據(jù)測量值計算輸出電壓的誤差并對輸出電壓值作出調(diào)整。在逆變狀態(tài)下，OUTA、OUTB引腳輸出的是雙極性的SPWM脈沖序列。圖34是U3988的引腳圖。圖33 U3988內(nèi)部邏輯圖U3988的內(nèi)部構(gòu)成主要有：正弦波發(fā)生器、雙極性調(diào)制脈沖產(chǎn)生邏輯、50Hz（或60Hz）時基、電壓反饋/短路檢測、正弦波峰值調(diào)壓穩(wěn)壓單元、外部擴展的保護響應邏輯、“市電過零脈沖”過濾、市電電壓測量、電池電壓測量、逆變控制、充電控制、指示燈控制、蜂鳴器控制、抗干擾自恢復單元構(gòu)成。這種按面積相等原則構(gòu)成與正弦等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，即正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)波形。沖量即指窄脈沖的面積。為方便生產(chǎn)過程中的調(diào)試，該芯片還具備測試模式，在該模式下，所有的保護功能、市電切換、充電控制均不起作用，僅工作在可以穩(wěn)壓的逆變狀態(tài)，為最基本的調(diào)試和測試提供了方便。SG3525A 輸出脈沖控制著功率MOS管，采用推挽式逆變電路通過高頻變壓器變換到高壓交流電，然后用橋式整流電流整流，輸出380V左右的直流。另一種途徑是從保護電路輸出而來的。在這里有兩種途徑可以使10腳達到關斷電壓。而來自300V的輸出反饋經(jīng)電阻分壓后通過誤差比較器的反相輸入1腳與2腳的基準電壓比較后調(diào)節(jié)輸出脈沖的寬度，從而改變輸出電壓。對關斷控制腳(10腳)，則接收來自外界輸入的高電平信號，如過電壓信號、過電流保護電路的反饋信號、無300V電壓輸出信號、深度欠電壓保護信號等，一旦出現(xiàn)以上幾種工作異?，F(xiàn)象，接受到的高電平會讓SG3525A及時停止工作，不至于讓后續(xù)輸出電路及開關功率MOS管等關鍵器件損壞，同時減少對正在使用的用電器的傷害。1%的基準電壓(16腳)產(chǎn)生一個基準電壓，與1腳輸入的從逆變后DC300V分壓反饋來的信號進行比較，用來調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比，從而使300V的輸出穩(wěn)定。按上文所提到的公式計算即可得到SG3525A脈沖控制電路的工作頻率。SG3525A可以工作60Hz—400KHz相當寬的頻率范圍內(nèi)，綜合考慮種種因素后，我們將工作預率定在60KHz左右。*2+=(這是由電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的)。CSS由電路內(nèi)部50uA的恒流源充電，隨著電容上電壓的上升，輸出端的占空比將由0達到最大值。當外界電壓波動， 時欠壓鎖定電路重新工作，切斷輸出。啟動與關斷電路是支持電路中不可少的。CT充電是由接在6腳的RT阻值決定的。SG3525A的振蕩器時基電容CT的放電電路與充電電路是分開的。鎖存器的作用是保證每個工作周期只有從比較器來的單脈沖能夠輸出到功率電路，而誤差放大器上的噪聲，振鈴，以及整個系統(tǒng)的振蕩，都被消除掉。誤差放大器的供電電壓等于SG3525A的輸入電壓Vi，這樣就擴展了誤差放大器的共模和差模輸入范圍。比較器輸出的是方波脈沖，這個脈沖用來控制SG3525A內(nèi)部輸出功率管的占空比?？梢苑謮汉笞鳛檎`差放大器的參考電壓。如果該腳電壓低于門限電壓(Turn off：8V)，該芯片內(nèi)部電路鎖定，停止工作（基準源及必要電路除外)使之消耗的電流降至很小(約2mA)另外。電壓范圍是1 8V—34V。VC(推挽輸出電路電壓輸入端、13腳)：作為推挽輸出級的電壓源，提高輸出級輸出功率。GROUND(接地端、12腳)：該芯片上的所有電壓都是相對于GROUND而言，即是功率地也是信號地。由于存在開閉滯后，使輸出和吸收間出現(xiàn)重疊導通。11腳和14腳相位相差180176。在電路異常時，三極管導通，反相端的電壓將低于鋸齒波的谷底電壓，使得輸出PWM信號關閉，起到保護作用。過流檢測信號維持時間長時，軟起動端8接的電容C將被放電。 COMPENSATION(補償端、9腳)：在誤差放大器輸出端9腳與誤差放大器反相輸入端1腳間接電阻與電容，構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，補償系統(tǒng)的幅頻、相頻響應特性。SOFTSTATR(軟啟動、8腳)：比較器的反相端即軟啟動器控制端8，可外接軟啟動電容。其取值范圍為0到500。 DISCHATGE RD(放電端、7腳)：。其取值范圍為2K到150K。 Rt(震蕩電阻端、6腳)：震蕩電阻一端接至6腳，另一端直接接至地端。Ct(震蕩電容端、5腳)：震蕩電容一端接至5腳，另一端直接接至地端。如不需多個芯片同步工作時，3腳和4腳懸空。作為多個芯片同步工作時使用。也可以使單個芯片以外部時鐘頻率工作。SYNC(同步端、3腳)：為外同步用。負反饋控制時，將電源輸出電壓分壓后與基準電壓相比較?！?。它的開關頻率較高，輸出電路的結(jié)構(gòu)為圖騰柱式，能適應新型的功率開關管，便于開關電源高頻化，小型化。本設計中采用了SG3525A脈沖控制電路，SG3525A電路與早期的PWM電路相比，功能比較完整，能真接驅(qū)動功率MOS管，具有內(nèi)基準電壓源、運放及欠壓保護功能，外圍線路簡單，應用相當方便。主要電路部分包括逆變升壓電路和SPWM調(diào)制電路兩部分。對SPWM原理機進行了簡要說明。 本章小結(jié) 本章對車載逆變電源主電路的設計思想進行了闡述。補償后的系統(tǒng)開環(huán)波特圖如圖27所示，穿越率為123Hz，相角裕量為90176。校正后系統(tǒng)的穿越頻率取1/10倍的濾波器轉(zhuǎn)折頻率，即fc=120Hz。采用比例積分校正，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度以及系統(tǒng)的抗高頻干擾能力。 根據(jù)DC/DC變換電拓撲結(jié)構(gòu)可得DC/DC變換電路運算電路如圖25所示圖25 DC/DC變換電路運算電路可得其傳遞函數(shù)為G(S)，其中H(S)為濾波電路傳遞函數(shù) (233) (234)將電路參數(shù)帶入其中可得 (235)未加補償環(huán)節(jié)時其伯德圖為：圖26 未加補償環(huán)節(jié)時的波特圖圖27 加補償環(huán)節(jié)是的波特圖從圖26中可以看出此系統(tǒng)沒有幅值裕量，176。其中含有的△d△x和△d△vi項忽略，就可以得到反映對象低頻小信號特性的平均狀態(tài)方程： (227) (228) 如果希望使用傳遞函數(shù)研究系統(tǒng)，則可以將上式做拉普拉斯變換，轉(zhuǎn)成便于頻域分析的形式： (229) (230)整理上式可得： (231) (232)式中I是單位矩陣。這樣就得到了一個新的狀態(tài)方程組： (218)于系統(tǒng)中的各個參量的動、靜態(tài)關系，可以寫出如下：式中大寫字母表示靜態(tài)量，小寫字母表示動態(tài)量，帶△號的項表示微小增量。A1，A2系數(shù)矩陣B1，B2輸入矩陣C1，C2輸出矩陣 由于開關狀態(tài)不斷地轉(zhuǎn)換?？梢詫懗鰻顟B(tài)方程： (216) (217)式中x—是系統(tǒng)的狀態(tài)變量，一般可以選為電感電流、電容電壓。 基于這樣的事實和電感電流連續(xù)的前提，我們可以使用狀態(tài)方程組來描述開關網(wǎng)絡的開關導通和關斷著兩種狀態(tài)下各個線性器件電器參量之間的關系。也就是說，變換器中的低頻元件所表現(xiàn)出來的低頻濾波器性質(zhì)，把高頻開關元件的高頻激勵動作“平均化”的結(jié)果就是變換器的系統(tǒng)響應。為了避免在空載時電容過渡充電在其輸出端并聯(lián)電阻RL=100K 小信號狀態(tài)空間平均法[7] 本質(zhì)上，開關系統(tǒng)是一個強非線性系統(tǒng)，為了處理上的簡單，我們將開關器件理想化：忽略其導通壓降和反向漏電流，認為開關非通即斷，轉(zhuǎn)換過程在瞬間完成。Iomix為輸出電流最大有效值。濾波電容的選取原則是在滿足THD的條件下，取值盡量小。本設計選取電感電流的紋波為輸出電流Iac的30％ (210)實際取Lf= 輸出濾波電容選取 濾波電容的作用是和濾波電感一起濾除電壓中的高次諧波，保證輸出電壓THD的要求，Cf越大，THD越小，流過逆變器的無功電流增加，增加逆變器的電流晷量，同時導致系統(tǒng)的體積增大，效率降低。增加電感量可以有效的抑制低次諧波，但是增大電感量其體積和重量以及電感上的線損也會相應增加。圖24 未經(jīng)濾波的雙極性SPWM波 DC/AC變換電路參數(shù)設計 開關管的選取 逆變器開關管電壓應力為Vids=Vdc=380V 逆變器的電流有效值為I=P/Vac=200/220= 開關管的的電流峰值Iipk=2Iims= 逆變器開關頻率fis=20kHz，選取MUR460。這種按面積相等原則構(gòu)成與正弦等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，即正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)波形。沖量即指窄脈沖的面積。下面將為簡要敘述積等效法SPWM波產(chǎn)生的基本原理。當開關MM4接通時，電流流過MR和M4，負載上的電壓極性是上正下負；當開關MM4斷開，MM3接通時，電流流過MR和M3，負載上的電壓極性反向，把直流電變成了交流電。MM3同時導通關斷。 DC/AC逆變電路拓撲及調(diào)制方式單相橋式逆變電路如圖22所示。 為了避免電容過渡充，電阻RZL=100K與電容并聯(lián)。 (24)實取2匝 計算副邊繞組匝數(shù)考慮兩個二極管的壓降和最大可利用占空比為42%，取副邊電壓US=380+= (25) 實取76匝。 計算總視在功率PT設次級反相快速恢復二極管的壓降UDF=*2=