引言

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，逆變電源被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，一個可靠、優(yōu)質(zhì)的逆變電源可以保證系統(tǒng)可靠安全運行，所以，逆變電源是一個重要的研究領(lǐng)域。方波逆變是一種較簡單的變換方式，它適用于各種整流負(fù)載，不僅技術(shù)要求低，而且設(shè)計電路比較簡單。本文依據(jù)方波逆變電源的基本原理，模塊化設(shè)計了逆變電源的實現(xiàn)電路，包括基于SG3525控制的高頻PWM主電路、全橋逆變電路、必要的保護電路和相關(guān)驅(qū)動電路，并給出實驗結(jié)果及分析。

1、原理與設(shè)計

1.1、逆變電源基本原理

逆變電源采用典型的兩級變換：第1級是DC/DC升壓變換器，第2級是DC/AC逆變器。DC/DC升壓變換由SG3525芯片產(chǎn)生的PWM波將12V直流逆變?yōu)楦哳l方波，經(jīng)高頻變壓器升壓后，變壓器副邊可獲得峰值為155V的高頻方波，再經(jīng)過全波整流獲得一個穩(wěn)定的310V直流電壓;DC/AC變換以方波逆變方式，將穩(wěn)定的直流電壓逆變成310V的工頻方波電壓，該電壓有效值約為220V，頻率為50Hz，可驅(qū)動負(fù)載[1]。為保證系統(tǒng)正常運行，需設(shè)計反饋電路對系統(tǒng)加以保護并提示其工作狀態(tài)。保護電路采集高壓側(cè)直流電壓信號、輸出電流信號及蓄電池電壓信號，通過比較器電路輸入到SG3525控制器，以實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)、過流保護、過熱保護、過壓保護和欠壓保護等功能。

逆變電源系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 方波逆變器的結(jié)構(gòu)框圖

1.2、硬件電路設(shè)計

1.2.1、DC/DC升壓變換電路

該逆變電源是輸出功率為100W，輸入為12V的蓄電池。DC/DC變換采用推挽式電路，推挽電路一般用在輸入電壓較低的中小功率場合。高頻變壓器原邊中心抽頭處接12V蓄電池，原邊線圈兩端分別接入兩組并聯(lián)的開關(guān)管，并聯(lián)可增大輸入電流，以避免由于接入負(fù)載后變壓器原邊電流過大而造成的損壞。SG3525搭建的外圍電路輸出高頻PWM信號，控制兩組開關(guān)管的交替工作，即Q1Q2和Q3Q4，變壓器的副邊輸出高頻方波。并聯(lián)的開關(guān)管可增大輸出功率，使輸入電路具有更大的耐流值。設(shè)計選取NTP60N06型號的開關(guān)管，其耐壓值為60V，耐流值為60A。推挽式結(jié)構(gòu)能減小變壓器體積，降低逆變電源成本。副邊繞組輸出接成全波整流的形式，升壓整流獲得310V直流電壓。主電路如圖2所示。

圖2 DC/DC結(jié)構(gòu)變換圖

1.2.2、脈寬調(diào)制控制器SG3525

SG3525芯片內(nèi)置5.1V精密基準(zhǔn)電源，準(zhǔn)確度可達(dá)(5.1±0.051)V，它采用溫度補償，設(shè)有過流保護;且芯片內(nèi)部集成振蕩電路、誤差放大器、PWM信號產(chǎn)生、分相電路和脈沖輸出級電路。

SG3525芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。直流電源從15腳引入后分為兩路：一路加到或非門;另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，用于產(chǎn)生(5.1±0.051)V的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，5.1V送到內(nèi)部(或外部)電路的其他元件作為電源。震蕩電容一端接至5腳，另一端接地(其取值范圍為0.001～0.1μF);震蕩電阻一端接至6腳，另一端接地，振蕩電路分兩路輸出。

圖3 SG3525芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

1.2.3、DC/AC全橋逆變電路

如圖4所示，DC/AC變換采用單相輸出的全橋逆變形式。4個MOS管構(gòu)成H橋逆變電路，同側(cè)串聯(lián)的兩個MOS管共享一個驅(qū)動信號。由于逆變電壓較高(310V)，為避免IRF1和IRF2兩個場效應(yīng)管被擊穿，此處加入穩(wěn)壓二極管用于限制電壓。NE556和CD4013搭建的組合電路產(chǎn)生兩路50Hz完全互補方波信號來驅(qū)動逆變橋工作;若驅(qū)動1為高電平，則三極管Q1導(dǎo)通，IRF1截止，IRF4導(dǎo)通，驅(qū)動2為低電平，三極管Q2截止，IRF2導(dǎo)通，IRF3截止。分析可知，IRF1和IRF3通斷態(tài)相同，IRF2和IRF4通斷態(tài)相同，逆變橋可導(dǎo)通工作。而在逆變控制電路中，555電路采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器形式產(chǎn)生100Hz的脈沖頻率，并保留一定死區(qū)時間，避免逆變橋的4個功率MOSFET出現(xiàn)同時導(dǎo)通和短路的情況。

圖4 全橋逆變電路圖

1.2.4、DC/AC逆變控制電路

DC/AC逆變控制電路由NE556和觸發(fā)器芯片CD4013搭建而成，如圖5所示。12V蓄電池和SG3525產(chǎn)生的5.1V基準(zhǔn)電壓對芯片供電。集成兩個獨立555定時器實際電路的NE556芯片構(gòu)成產(chǎn)生控制電路信號的時基電路，該芯片操作頻率高，能提供準(zhǔn)確的時間延遲、震蕩以及穩(wěn)定性高和抗干擾強的控制信號。

圖5 逆變控制電路

1.2.5、保護電路

保護電路選用兩片具有差動輸入的四運放LM324，蓄電池12V供電。采集電池電壓信號、155V電壓采樣信號、負(fù)載電流信號以及負(fù)載溫度信號(由PTC電阻采集獲得)，信號接入到由兩片LM324芯片搭建的電池欠壓比較器、電池過壓比較電路、負(fù)載過流比較器、負(fù)載過熱比較器和輸出欠壓比較器中，比較器的輸出端信號通過電路與SG3525的10腳(關(guān)閉)連接。該引腳控制SG3525的軟啟動保護和輸出級，通過PWM脈沖關(guān)斷使系統(tǒng)立刻停止工作。

各比較器均采用典型電壓比較器電路的設(shè)計，放大器輸出端獲得控制信號。保護電路示意圖如圖6所示。

圖6 保護電路示意框圖

2、實驗結(jié)果

系統(tǒng)輸入電壓是12V的蓄電池，用示波器觀測SG3525輸出、帶負(fù)載波形，記錄波形圖如圖7、圖8所示。

根據(jù)驅(qū)動信號實際產(chǎn)生波形，可調(diào)試電路，對尖峰進行濾除和頻率調(diào)節(jié)。

圖7 SG3525輸出的互補方波

圖7中兩個通道信號分別從SG3525控制芯片的11和14引腳輸出，其波形互補，頻率一致，輸出電壓范圍正常，頻率約為34kHz，SG3525控制電路工作正常。

圖8 負(fù)載為8W小臺燈輸出波形

圖8所示為逆變電源帶負(fù)載工作時的輸出波形。為檢測該逆變電源[10]輸出電壓的質(zhì)量，將逆變電源輸出端接入一個8W小臺燈。示波器觀測負(fù)載波形，該波形是一個帶階梯的方波信號，頻率為51Hz，該小臺燈處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

3、結(jié)束語

本文采用集成脈寬調(diào)制芯片SG3525作為主控芯片，產(chǎn)生高頻方波信號驅(qū)動開關(guān)管，整流之后的直流高壓由NE556時基電路和CD4013進行分頻，可以實現(xiàn)逆變器的脈寬調(diào)制，最終獲得逆變電源的設(shè)計方案。