一种低成本的车载逆变电源_电源技术论文
关键词：逆变器；自举电容；低成本
引言
电源是电子设备的动力部分,是一种通用性很强的电子产品。它在各个行业及日常生活中得到了广泛的应用，其质量的好坏极大地影响着电子设备的可靠性,其转换效率的高低和带负载能力的强弱直接关系着它的应用范围。方波逆变是一种低成本，极为简单的变换方式，它适用于各种整流负载，但是对于变压器的负载的适应不是很好，有较大的噪声。
本文依据逆变电源的基本原理，利用对现有资料的分析推导,提出了一种方波逆变器的制作方法并加以调试。
1 系统基本原理
本逆变电源输入端为蓄电池（＋12v，容量90a·h），输出端为工频方波电压（50hz，310v）。其结构框图如图1所示。
目前，构成dc/ac逆变的新技术很多，但是考虑到具体的使用条件和成本以及可靠性，本电源仍然采用典型的二级变换，即dc/dc变换和dc/ac逆变。首先由dc/dc变换将dc12v电压逆变为高频方波，经高频升压变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的约320v直流电压；然后再由dc/ac变换以方波逆变的方式，将稳定的直流电压逆变成有效值稍大于220v的方波电压；再经lc工频滤波得到有效值为220v的50hz交流电压，以驱动负载。
2 dc/dc变换
由于变压器原边电压比较低,为了提高变压器的利用率,降低成本,dc/dc变换如图2所示，采用推挽式电路，原边中心抽头接蓄电池，两端用开关管控制，交替工作，可以提高转换效率。而推挽式电路用的开关器件少,双端工作的变压器的体积比较小,可提高占空比,增大输出功率。
双端工作的方波逆变变压器的铁心面积乘积公式为
aeac=po(1＋η)/(ηdkjfkekcbm) （1）
式中：ae(m2)为铁心横截面积；
ac(m2)为铁心的窗口面积；
po为变压器的输出功率；
η为转换效率；
δ为占空比；
k是波形系数；
j(a/m2)为导线的平均电流密度；
f为逆变频率；
ke为铁心截面的有效系数；
kc为铁心的窗口利用系数；
bm为最大磁通量。
图3
变压器原边的开关管s1和s2各采用irf32055只并联，之所以并联，主要是因为在逆变电源接入负载时，变压器原边的电流相对较大，并联可以分流，可有效地减少开关管的功耗，不至于造成损坏。
pwm控制电路芯片sg3524，是一种电压型开关电源集成控制器,具有输出限流,开关频率可调,误差放大,脉宽调制比较器和关断电路,其产生pwm方波所需的外围线路很简单。当脚11与脚14并联使用时,输出脉冲的占空比为0～95％,脉冲频率等于振荡器频率的1/2。当脚10（关断端）加高电平时,可实现对输出脉冲的封锁,与外电路适当连接,则可以实现欠压、过流保护功能。利用sg3524内部自带的运算放大器调节其输出的驱动波形的占空比d，使d>50％，然后经过cd4011反向后，得到对管的驱动波形的d<50％，这样可以保证两组开关管驱动时，有共同的死区时间。
3 dc/ac变换
如图3所示，dc/ac变换采用单相输出，全桥逆变形式，为减小逆变电源的体积，降低成本，输出使用工频lc滤波。由4个irf740构成桥式逆变电路，irf740最高耐压400v，电流10a，功耗125w，利用半桥驱动器ir2110提供驱动信号，其输入波形由sg3524提供，同理可调节该sg3524的输出驱动波形的d<50％，保证逆变的驱动方波有共同的死区时间。
图4
ir2110是ir公司生产的大功率mosfet和igbt专用驱动集成电路，可以实现对mosfet和igbt的最优驱动，同时还具有快速完整的保护功能，因而它可以提高控制系统的可靠性，减少电路的复杂程度。
ir2110的内部结构和工作原理框图如图4所示。图中hin和lin为逆变桥中同一桥臂上下两个功率mos的驱动脉冲信号输入端。sd为保护信号输入端，当该脚接高电平时，ir2110的输出信号全被封锁，其对应的输出端恒为低电平；而当该脚接低电平时，ir2110的输出信号跟随hin和lin而变化，在实际电路里，该端接用户的保护电路的输出。ho和lo是两路驱动信号输出端，驱动同一桥臂的mosfet。
ir2110的自举电容选择不好，容易造成芯片损坏或不能正常工作。vb和vs之间的电容为自举电容。自举电容电压达到8.3v以上，才能够正常工作，要么采用小容量电容，以提高充电电压，要么直接在vb和vs之间提供10～20v的隔离电源，本电路采用了1μf的自举电容。
为了减少输出谐波，逆变器dc/ac部分一般都采用双极性调制，即逆变桥的对管是高频互补通和关断的。
4 保护电路设计及调试过程中的一些问题
保护电路分为欠压保护和过流保护。
欠压保护电路如图5所示，它监测蓄电池的电压状况，如果蓄电池电压低于预设的10.8v，保护电路开始工作，使控制器sg3524的脚10关断端输出高电平，停止驱动信号输出。
图5中运算放大器的正向输入端的电压由r1和r3分压得到，而反向输入端的电压由稳压管箝位在＋7.5v，当蓄电池的电压下降超过预定值后，运算放大器开始工作，输出跳转为负，led灯亮，同时三级管v截止，向sg3524的sd端输出高电平，封锁ir2110的输出驱动信号。
过流保护电路如图6所示，它监测输出电流状况，预设为1.5a。方波逆变器的输出电流经过采样进入运算放大器的反向输入端，当输出电流大于1.5a后，运算放大器的输出端跳转为负，经过cd4011组成的r睸触发器后，使三级管v1基级的信号为低电平，三级管截止，向ir2011的sd1端输出高电平，达到保护的目的。
调试过程遇到的一个较为重要的问题是关于ir2110的自举电容的选择。ir2110的上管驱动是采用外部自举电容上电，这就使得驱动电源的路数大大减少，但同时也对vb和vc之间的自举电容的选择也有一定的要求。经过试验后，最终采用1μf的电解电容，可以有效地满足自举电压的要求。
图8、9、10
5 试验结果及输出波形
dc/dc变换输出电压稳定在320v，控制开关管的半桥驱动器ir2110开关频率为50hz，实验的电路波形如图7～图14所示。
图11、12、13、14
6 结语
在逆变电源的发展方向上，轻量、小型、高效是其所追求的目标。本文所介绍的逆变电源电路主要采用集成化芯片,使得电路结构简单、性能稳定、成本较低。因此,这种电路是一种控制简单、可靠性较高、性能较好的电路。整个逆变电源也因此具有较高的性价比和市场竞争力。