一种实用的车载逆变器的设计

liyf

随着经济水平的提高，汽车正逐渐成为人们的日常交通工具。然而，人们随身携带的电子产品，比如手机，却不能使用汽车上的电源。因此，开发一款经济实用的车载逆变器就成为一种需求。我们采用集成脉宽调制芯片SG3525A为主控芯片，以CD4020b计数器及与非门电路构成分频分相电路并配以保护电路，实现了逆变器的脉宽调制。其在逆变电源工作时的持续输出功率为100W，并具有输出过流保护及输入欠压保护等功能，可实现电源逆变、电压稳定、欠压保护及过流保护等功能。
系统基本原理

本逆变器输入端为汽车蓄电池(+12V，4.5Ah)，输出端为工频方波电压(50Hz，220V)。其系统主电路和控制电路框图如图1所示，采用了典型的二级变换，即DC/DC变换和DC/AC逆变。12V直流电压通过推挽式变换逆变为高频方波，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；然后再由桥式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，以驱动负载。为保证系统的可靠运行，分别采集了DC高压侧电压信号、电流信号及蓄电池电压信号，送入SG3525A，通过调整驱动脉冲的占空比或关断脉冲来实现电压调节、过流保护及欠压保护等功能。



图1  系统主电路和控制电路框图

主要技术参数

输入电压C 12V；
输出电压:AC 220V±5%，50Hz±2%；
额定功率:100W；
保护功能:输入直流极性接反保护，输入欠压保护，输出过流保护。
电路设计

1 主控芯片SG3525A

SG3525A是ST公司生产的脉冲宽度调制器控制集成电路,具有集成基准电压，振荡器同步，软启动时间控制，输入欠电压锁定等功能。SG3525A的引脚如图2所示。



图2  SG3525A引脚分布

振荡频率的确定：振荡频率由三个外部元件RT、CT和RD设置，分别接在6、5、7引脚上。振荡频率为fOSC=1/CT(0.7RT +3RD)，其中，0.7RTCT为定时电容充电时间，3RDCT为定时电容放电时间。为了使分频分相电路取得50Hz振荡频率，本设计设定振荡频率为   51.2kHz，取CT＝2000pF, RT=10kΩ，RD=922Ω。

输出脉宽的调整：PWM脉冲宽度由引脚9和引脚8中电平较低的一端控制。芯片内部的误差放大器U1将电压反馈信号与基准电压信号偏差放大后送入比较器U2的反向输入端，比较器正向输入端的输入则来自电容器CT上的锯齿波，两者做比较后输出方波脉冲来控制SG3525A内部输出功放管的占空比（见图3）。本设计中将8引脚经电容接地，9引脚接DC/DC高压直流电压的反馈电压，由此调整输出直流电压的稳定。图3中，U1为SG3525A中的误差放大器，1、2、9分别为芯片管脚，R1～R7、C1、C2均为外接电阻电容。SG3525A的16引脚输出5V参考电压。电阻R3、R4及U1构成反比例运算器，R4/R3为其静态放大倍数，其值越大控制精度越高。但放大倍数太大将引起振荡，因此引入C1和R5使误差放大器成为不完全比例积分控制器，此时静态误差放大倍数不变，动态误差放大倍数减小，既不影响控制精度，又避免过冲引起振荡。



图3  输出直流高压调节原理图

脉冲的关断：当10引脚加上高电平时，实现对输出脉冲的封锁。本设计使用该项功能实现输出过流过压、输入欠压的保护。

2 分频分相电路

由14级串行二进制计数/分配器CD4020b构成分频电路，分频信号来自SG3525A的振荡器输出端引脚4。图4中的A、b、C分别代表振荡器脉冲经8、9、10级分频后的波形，其频率分别为fA=fOSC/28, fb=fOSC/29, fC=fOSC/210。分相电路由单片两输入端四与非门CD4011bC及外围器件组成，将信号AbC逻辑组合成逆变桥所需要的驱动脉冲(A+b)C与(A+b)C信号。该驱动信号具有共同死区，信号频率约为50Hz。



图4 分频分相波形图

3 保护电路

① 输入欠压保护
如图5所示，D1为蓄电池极性反接保护。SG3525A的引脚16输出参考电压5V,取R3＝R4=10kΩ。在正常情况下，U1的反相输入端电压大于正向输入端电压，U1输出低电平，二极管D1、D2截止。当蓄电池电压低于10V时，比较器U1开始工作，输出由低电平变为高电平，D2、D3导通，并把同相输入端电位提升为高电平，使得U1一直稳定输出高电平，向SG3525A的引脚10输出关断信号。



图5 输入欠压保护电路

② 输出电流过载保护
如图6所示，运放U2及外围电阻构成反比例放大器，运放U3及外围电路构成比较器。图1中的R3为取样电阻，取2.2Ω，2W。当负载电流增大时，该电阻的压降△U增大。



图6 输出电流过载保护电路

运放U3正向输入端输入电压为：  U＋=(1+R2/R1)×(R3/R4)×△U

合理的调整R1、R2、R3、R4的取值，使得当负载电流超过1.5A后，U3的正向输入端电位高于反向输入端，输出高电位，二极管D2、D3导通，并把同相输入端电位提升为高电平，使得U1一直稳定输出高电平，向SG3525A的10引脚输出关断信号。
　　
散热设计

为了进一步减小体积，减轻重量，采取了利用外壳(机壳)散热致冷办法，既解决了散热，又使整机体积变小，重量减轻。
　　
逆变器试验输出波形

DC／DC变换输出电压稳定在320V，逆变桥开关频率为50Hz，接500Ω电阻负载。实验的电路波形如图7所示。



图7 试验电路输出波形
结语

本文设计的车载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。经实际应用证明，该逆变电源工作稳定可靠，能够持续输出功率100W。