TL494正弦波逆變電源設計2

1、1. TL494正弦波逆變電源設計1.1 概述:TL494本身就是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路,它包含了開關電源控制所需的全部功能,廣泛應用于單端正激雙管室、半橋式、全橋式開關電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式,以適應不同場合的要求。次課程設計我所設計的是TL494正弦波逆變電路,其電路的主要功能是:1逆變就是將直流變?yōu)榻涣?。由波形發(fā)生器產(chǎn)生50Hz、幅度可變的正弦波,與鋸齒波比較后,再通過PWM電路,輸出SPWM 波,經(jīng)過驅(qū)動電路逆變電路,再經(jīng)過高頻變壓器與濾波電路輸出50Hz的正弦波。2電路由主電路與控制電路組成,主電路主要環(huán)節(jié):高頻逆變電路、濾波環(huán)節(jié)?？刂齐娐分饕h(huán)節(jié):

2、正弦信號發(fā)生電路、脈寬調(diào)制PWM、電壓電流檢測單元、驅(qū)動電路。3功率變換電路中的高頻開關器件采用IGBT或MOSFET。4系統(tǒng)具有完善的保護這是本次課程設計中要設計的電路的概況,其實總的來說用TL494為主要元件實現(xiàn)的正弦波逆變電路控制器具有構(gòu)思新穎、電路簡單、成本低廉以及控制過程穩(wěn)定等特點,在很多工業(yè)控制場合可獲得廣泛的應用。 - - 1.2 系統(tǒng)總體方案的確定:通過對設計內(nèi)容和設計要求的具體分析,我把電路分別設計成兩部分:一是主電路,即是采用高頻逆變電路和高頻變壓器的組合來實現(xiàn),其中的濾波電路則是采用的線路濾波的方式,高頻逆變電路由于其要求的特殊性我采用了電壓型半橋逆變電路和高頻開關IGB

3、T 相連接的方法,并且和高頻變壓器的組合可以高效的實現(xiàn)直流電向交流電的逆變過程。第二部分控制電路,當然是采用集成芯片TL494來實現(xiàn),主要原因在于主電路的電流逆變過程中控制電路各單元的復雜性,而TL494本身包含了開關電路控制所需的全部功能和全部脈寬調(diào)制電路,同時片內(nèi)置有線性誤差放大器和其他驅(qū)動電路等,因此便可以同時實現(xiàn):正弦信號發(fā)生單元、脈寬調(diào)制PWM 單元、電壓電流檢測單元和驅(qū)動電路單元。這樣就完全確定了系統(tǒng)總體電路的方案。如圖1.2.1框圖: 1.3總電路圖的設計如圖1.3.1: 總體電路圖的設計主要還是依據(jù)任務書上的設計要求和設計內(nèi)容,其中高頻逆變電路的設計主要是采用電壓型半橋式逆變電

4、路,由于其只含有兩個高頻IGBT開關,輸出電壓波形是矩形波,輸出電流波形近似為正弦波,本次TL494正弦波逆變電路的設計中最重要的兩個部分是高頻逆變電路和控制電路,高頻逆變電路我是采用了電壓型半橋式逆變電路,區(qū)中含有兩個高頻開關IGBT,可有效地實現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換,而控制電路則是采用TL494的集成芯片來完成的,由于七內(nèi)部包含了開關電源控制所需的全部功能,因此便可以簡單、高效地實現(xiàn)對高頻逆變電路的控制同時還可以有效地保護電路,因為其自身帶有電壓、電流保護裝置。因此只要將測量的電壓電流直接連接其輸入端即可,最后再經(jīng)過高頻變壓器的文雅和線路濾波,便可以實現(xiàn)對整體電路的最終要求。 - 1.4電路設計元件計

5、算與選用:本次設計的TL494正弦波逆變電路中,最重要的就是高頻開關IGBT的選用,根據(jù)電路設計的主要參數(shù):1輸入輸出電壓:輸入(DC+50V、輸出36V(AC2輸出電流:1A3電壓調(diào)整率:1%4負載調(diào)整率:1%5效率:0.8因此,管子電壓直流DC50V經(jīng)過半橋式逆變電路,加至逆變橋的電壓U約為100V,考慮余量通常選用600V等級的IGBT管,通常模塊結(jié)構(gòu)的IGBT,其電壓等級為600V、1200V、1700V三種。管子的電流:由于IGBT管較多工作于脈沖調(diào)制狀態(tài),計算有效電流值較困難,器件的高頻開關損耗又與工作頻率和電路緩沖等結(jié)構(gòu)有關。IGBT管標定的電流等級是集電極連續(xù)電流Ic,沒有考慮

6、重復開關的損耗,工程計算是以實際流過管子的最大峰值電流(瞬時過流電流不考慮在考慮2杯左右裕量來選擇。以本裝置為例,輸出電流為100A,高頻整流變壓器電壓比為5.3:1,變壓器一次電流即IGBT管峰值電流約為1A/5.3=0.19A,考慮開關損耗和裕量選25A的管子。 - 1.5單元控制電路的設計1.5.1主電路圖: 主電路圖主要指的就是高頻逆變電路,我所采用的是電壓型半橋式電路。其中包含有逆變電路、高頻變壓器、濾波環(huán)節(jié)。電壓型逆變的特點是輸出電壓矩形波,輸出電流近似正弦,如圖1.31、如圖1.32、如圖1.33所示:當IGBT二管均不出發(fā)截止時,通過電容C1/C2分壓,電容二端均為1/2U。當

7、IGBT1管出發(fā)導通時,U經(jīng)IGBT1管VT1,高頻變壓器一次側(cè)對C2充電,C1上電壓通過VT1管對變壓器放電;VT2管導通VT1關斷時,U經(jīng)VT2,變壓器對C1充電,C2通過VT2管對變壓器放電,如圖1.31所示,由于C1/C2電容量大,器件交替觸發(fā)通斷頻率高,電容兩端電壓可看成不變均為1/2U。從理想狀態(tài)分析,逆變器輸出電壓波形為交變矩形波,幅值均為1/2U,如圖1.32所示。感性負載時,由于電流滯后電壓,IGBT 管需接反并二極管(模塊內(nèi)部已有,提供無功功率與續(xù)流如圖 - 1.32所示。實際工作時,由于IGBT管關斷需要時間,在兩管交替觸發(fā)時刻會造成兩管同時導通使直流電壓電路,這是絕對不

8、允許的。為此通過觸發(fā)脈沖的脈寬調(diào)制控制是IGBT管導通時間小于1/2T,即出現(xiàn)兩管均不導通的死區(qū),通常控制脈寬占空比范圍為0.85-0.9,這種控制方式稱死區(qū)控制,此時逆變橋輸出電壓、電流波形: U0O1/2U-1/2UT/2Twti0OVD1VI1VD2VI2VD3VI3如圖1.33所示,ð為一周期內(nèi)死區(qū)時間,則T-ð/T=0.85-0.9。I0U0OOr6/2rT w tw t - t1時刻以導通的VT1管觸發(fā)關斷,由于高頻變壓器漏感儲能作用,使變壓器一次側(cè)應出1/2U電壓,極性為左正右負,因此VT1管C1E1端電壓從零瞬時突跳至U,隨著漏感儲能的釋放Ucle1電壓迅速

9、降至1/2U,在VT1管兩端出現(xiàn)尖峰電壓。t1-t2為ð/2,t2時刻觸發(fā)VT2管導通,Ucle1穩(wěn)定升至U值,t3時刻關斷VT2,變壓器一次側(cè)感應左負右正電壓,大小近似為1/2U,致使Ucle1瞬時降為零,待漏感能量消失后回復至1/2U,t4時刻VT1DAOTONG ,t5時刻VT1重復關斷,逆變管電壓電流與驅(qū)動脈沖波形如圖1.34所示。1.5.2濾波環(huán)節(jié)電路圖: L2高頻裝置必須考慮射頻干擾(RFI與電磁干擾(EMI以及諧波影響,本裝置在交流輸入端采用線路濾波器,用于有效抑制和吸收電網(wǎng)出現(xiàn)的強脈沖對電源的干擾,同時線路濾波器具有良好的共模和公差插入損耗,有效地抑制電源產(chǎn)生的高頻干

10、擾信號影響電網(wǎng),實現(xiàn)電源與電網(wǎng)的隔離和減少電源對周圍環(huán)境的電磁干擾。同理,輸出端與負載之間亦加接濾波器。 - 1.5.3電流檢測電路: 電路檢測單元的意義在于實現(xiàn)對電路的有效保護,它是穩(wěn)壓與過電壓、過電流保護的一部分,并將直接檢測到的電流信號街道TL494的芯片上,以此來對電路的電流、電壓進行調(diào)節(jié)。電流檢測單元的構(gòu)造很簡單電阻和電容分別連接到分壓電容的中間和分壓電阻的中間,通過變壓器CT1穩(wěn)壓和電容濾波后輸出。本次課程設計中的電壓檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)其實都是有TL494集成芯片一次完成的,因此這也大大簡化了電路,直接使用了TL494內(nèi)部的兩個放大器,通常放大器輸入“負”端接基準電壓,可有14

11、腳分壓供給,“正”端接開關電源的電壓,電流采樣信號。1.5.4控制單元電路圖:TL494集成芯片是控制電路的核心,也是本次課程設計的重點,TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路,它包含了開關電源控制所需的全部功能,廣泛應用于單端正激雙管室、半橋式、全橋式開關電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式,以適應不同 - 場合的要求。其主要特征:1集成了全部的脈寬調(diào)制電路。2片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器,外置振蕩元件僅兩個(一個電阻和一個電容。內(nèi)置誤差放大器。3內(nèi)置5V參考基準電壓源。可調(diào)整死區(qū)時間。4內(nèi)置功率晶體管可提供500mV的驅(qū)動能力。推或拉兩種輸出方式。TL494的應用集成電路包含了

12、幾乎全部的控制電路,有正弦信號發(fā)生電路、脈寬調(diào)制電路PWM、電壓電流檢測單元、驅(qū)動電路。TL494是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路,內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器,振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié),器振蕩頻率如下: - f(osc=1.1/Rt*Ct輸出脈沖的寬度是通過電容CT 上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1 和Q2 受控于或非門。當雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選通,即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當控制信號增大,輸出脈沖的寬度將減小?？刂菩盘栍杉呻娐吠獠枯斎?一路送至死區(qū)時間比較器,一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器

13、具有120mV 的輸入補償電壓,它限制了最小輸出死區(qū)時間約等于鋸齒波周期的4%,當輸出端接地,最大輸出占空比為96%,而輸出端接參考電平時,占空比為48%。當把死區(qū)時間控制輸入端接上固定的電壓(范圍在03.3V 之間即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時間。脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個手段:當反饋電壓從0.5V 變化到3.5 時,輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導通百分比時間中下降到零。兩個誤差放大器具有從-0.3V 到(Vcc-2.0的共模輸入范圍,這可能從電源的輸出電壓和電流察覺得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平,它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進行“或”運算,正是這種電

14、路結(jié)構(gòu),放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。當比較器CT 放電,一個正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出 - - 端,受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進行計時,同時停止輸出管Q1 和Q2 的工作。若輸出控制端連接到參考電壓源,那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個輸出晶體管,輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài),且最大占空比小于50%時,輸出驅(qū)動信號分別從晶體管Q1 或Q2 取得。輸出變壓器一個反饋繞組及二極管提供反饋電壓。在單端工作模式下,當需要更高的驅(qū)動電流輸出,亦可將Q1 和Q2 并聯(lián)使用,這時,需將輸出模式控制腳接地以關閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下,輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。TL494 內(nèi)置一個5

15、.0V 的基準電壓源,使用外置偏置電路時,可提供高達10mA 的負載電流,在典型的070溫度范圍50mV 溫漂條件下,該基準電壓源能提供±5%的精確度。在TL494 正弦波逆變電路的設計中,電壓電流保護環(huán)節(jié)我采用了比較來進行輸入也就是先將比較器的兩個輸入端和電壓的輸入輸出向連接然后再將輸出連接到TL494芯片上的差分放大器的輸入端這樣可以更好的實現(xiàn)對電路的電壓保護,當然電流的保護也是同理的。這樣,完整的TL494控制電路就設計完成了。 - 1.6總結(jié)與體會經(jīng)過兩周的課程設計,盡管起初覺得有點難,因為很長時間以來從未接觸過TL494一樣的芯片,所以這一切都是很正長的。由于TL494集成

16、度較高,各引腳的具體使用和連接方式可以說是本次課程設計的難點,但俗話說的好:“萬事開頭難?！?只要開個好頭剩下的就好辦了。在兩周的課程設計過程中,時間的緊迫的確是不可忽視的,我花了大概三天的時間冥思苦想才對總電路圖的具體模型有了點頭緒,然后是單元電路圖和重點的控制電路,其實本次設計的難點決定不在于電路元件的組合,而是具體的設計思路,沒有正確的設計思維結(jié)構(gòu)作為基礎,電路圖的設計決定是空談,期間我還深深地感覺到查找資料的重要性,我必須承認,盡管老師在課上已經(jīng)進行了深入的講解,可如果真正用到課程設計中時卻總是有一種力不從心的感覺,因此,查找自己所需要的資料便成了關鍵,與此同時老師也給了我們極大的幫助

17、。TL494的芯片雖然不多但貴在于精,這同樣也幫助我解決了許多設計中的問題,使我完成設計的速度大大加快,應該說TL494脈寬調(diào)制控制電路,是現(xiàn)代生產(chǎn)過程中應用相當廣泛的一種實用型電路,在設計過程中我也足見的體會到了這一點,同時也使我更加確信本次課程設計一定會為我將來從事有關自動化方面的工作打下良好的基礎。 - 淡然一個人設計的速度感覺還是慢了那么一點點,因此,此次課程設計過程中,我們還采用了聚會討論的方式來完成設計,找?guī)讉€課題相同的伙伴一起來研究探討,這不僅僅是解決問題的時間大大加快,也更好的完善和提升了對電力電子和現(xiàn)代電子等方面的知識,開發(fā)了自己的聰明和技巧,正所謂:“學以致用?！蔽业恼n程設計是TL494正弦波逆變電路,期間所經(jīng)歷的苦惱與快樂是言語所無法表達清楚的,但知識和成就所帶來的愉悅卻是永恒的,此次的課程設計,不僅僅讓我重新認識了電力電子器件在現(xiàn)代工程中的應用,更使我了解到作為一名優(yōu)秀的工程師為了給社會和人民帶來幸福、快樂的生活所肩負的責任,我會好好努力的。 - 1.7附錄: - 參考資料: 1.8 參考資料