畢業(yè)論文逆變電源的設(shè)計

1、泉 州 師 范 學(xué) 院畢業(yè)論文（設(shè)計）題 目 逆變電源的設(shè)計 物理與信息工程 學(xué) 院 電子信息科學(xué)與技術(shù) 專 業(yè) 07級 1 班學(xué)生姓名 林鈴涓 學(xué) 號 070303045 指導(dǎo)教師 仲偉博 職 稱 副教授 完成日期 2011年4月15日 教務(wù)處 制目錄摘要2關(guān)鍵詞20 引言31 設(shè)計方案和比較41.1 輸出波形的選擇41.2 功率放大電路的選擇41.3 脈寬調(diào)制（PWM）芯片的選擇62 電路設(shè)計及分析62.1逆變電源的工作原理62.2電路的組成72.3各部分電路的功能和作用82.4電路主要技術(shù)性能指標(biāo)83 系統(tǒng)主要元器件簡介83.1 TL49483.1.1 TL494簡介83.1.2 TL4

2、94CN的管腳及其功能83.1.3 TL494的內(nèi)部框圖93.1.4 TL494工作原理簡述103.2 變壓器113.3 其他主要器件及其參數(shù)113.4 材料清單124 電路的調(diào)試及結(jié)果分析124.1 逆變電源的性能測試134.2 測試儀器134.3 結(jié)果分析135 總結(jié)13致謝13參考文獻(xiàn)14Abstract15Key words15附錄16逆變電源的設(shè)計物理與信息工程學(xué)院 07級電子信息科學(xué)與技術(shù) 070303045 林鈴涓指導(dǎo)教師 仲偉博副教授【摘 要】本設(shè)計是一種基于TL494芯片的逆變電源，能夠?qū)崿F(xiàn)以12伏直流電壓轉(zhuǎn)換成220伏交流電壓的逆變器，對日常電子產(chǎn)品實現(xiàn)方便用電，從而為旅行

3、中能源問題提供一個可行性方案，實現(xiàn)我們的日常需求。本設(shè)計具有設(shè)計簡單，成本低廉，易于攜帶，電壓可升降等特點，可運用于大多數(shù)電子產(chǎn)品的臨時用電問題，具有相當(dāng)大的實用價值。【關(guān)鍵詞】TL494；電源；正弦波；變壓0 引言電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得我們的生活離不開電子產(chǎn)品，更離不開使用電子產(chǎn)品的能源。能源在各個行業(yè)和日常生活中的廣泛應(yīng)用，又使我們急迫得需要處理能源的應(yīng)用問題。便攜式能源的種類也日益更新，但電子產(chǎn)品也在不斷得更新，不同國家的市電不同，也會因此造成電子產(chǎn)品的使用。在旅游、車載、各類艦船以及飛行器、野營、醫(yī)療急救等便攜式電器產(chǎn)品的使用中，逆變電源可以滿足我們的這種需求。逆變電源是一種能夠?qū)

4、C12V的直流電轉(zhuǎn)換成跟電子產(chǎn)品所需相同的AC220V/50Hz或AC110V/50Hz的交流電，是一款很方便使用的供一般電器使用的電源轉(zhuǎn)換器。為越來越多的人所用，它的設(shè)計和改進(jìn)具有很大的開發(fā)價值和發(fā)展前景?，F(xiàn)代逆變技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合了眾多先進(jìn)的技術(shù)，如半導(dǎo)體電子技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)等。逆變電源的發(fā)展，將朝著質(zhì)量輕、體積小、效率高、性能穩(wěn)定的方向。本設(shè)計所介紹的逆變電源主要采用集成化芯片TL494,電路優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、成本較低、適用于各種整流負(fù)載。因此,本文所介紹的逆變電源是一種易于控制、可靠性較高、性能較好的逆變電源設(shè)計1。1 設(shè)計方案和比較逆變電源的分

5、類原則較多，有根據(jù)輸出交流電壓的相數(shù)，分為單相逆變電源和三相逆變電源；根據(jù)逆變電源電路使用的半導(dǎo)體器件類型不同，分為MOSFET模塊、晶體管逆變電源及可關(guān)斷晶閘管逆變電源等；根據(jù)輸出電壓波形，分為方波逆變電源和正弦波逆變電源；根據(jù)功率轉(zhuǎn)換電路的不同，分為橋式電路、推挽電路和高頻升壓電路逆變器等。在電路的設(shè)計過程中，可以通過分類的不同選擇較好的電路模塊。1.1 輸出波形的選擇方案一：采用方波輸出方波逆變電源的輸出交流電壓波形為50HZ的方波。方波逆變器所使用的逆變線路不全相同，但是線路比較簡單，使用的功率開關(guān)管數(shù)量比較少。設(shè)計功率在幾十瓦至幾百瓦之間。優(yōu)點是：價格較便宜，維修較簡單。缺點是：因方

6、波電壓含有大量高次諧波，對收音機(jī)和某些通信設(shè)備有干擾，在以變壓器為負(fù)載的用電器中將會產(chǎn)生附加損耗。此外，方波逆變器有些調(diào)壓范圍不夠?qū)挘行┓矫娴谋Ｗo(hù)功能不夠完善，輸出噪聲比較大。方案二：采用正弦波輸出正弦逆變電源輸出的交流電壓波形為50HZ正弦波，制作采用簡易的多諧振蕩器，其優(yōu)點是：除了轉(zhuǎn)換效率高之外，輸出波形好，失真度低，噪聲低，性能穩(wěn)定，適用于各種整流負(fù)載，并且控制簡單，對通信設(shè)備無干擾，成本也較低。此外，保護(hù)功能齊全，對電容型性和電感性負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)。缺點是：線路較復(fù)雜，對維修的技術(shù)要求較高，價格較貴。方案選擇：經(jīng)過比較可知，方波波形輸出在一些方面不夠完善，且輸出噪聲比較大；而正弦波形輸出

7、的技術(shù)性能和工作可靠性較好，噪聲低，適用于各種整流負(fù)載，容易滿足題目的要求，故選擇方案二。1.2 功率放大電路的選擇逆變電源的功率放大電路一般有推挽式、全橋式和高頻升壓式逆變電路三種，其主電路分別如圖1.1、圖1.2和圖1.3所示。圖1.1   推挽式電路原理框圖方案一：采用推挽單端輸出方式圖1.1所示的推挽式電路，變壓器的中心抽頭接于正電源，功率管交互工作，輸出交流電壓。從原理圖可看出，功率晶體管共地，驅(qū)動及控制電路比較簡單，且因變壓器具有一定的漏感，限制短路電流，從而提高了電路的可靠性。缺點是升壓變壓器的利用率較低，帶負(fù)載的能力較差。輸出效率很高，但電源利用率不高。圖1

8、.2    全橋式電路原理框圖方案二：采用全橋式輸出方式圖1.2所示的是全橋式電路，4個60V/20A的MOS FET管并聯(lián)連接，組成兩個對稱互補(bǔ)的電路，完成對輸入信號的放大，克服了推挽式電路的缺點，電源利用率較高，有效提高了輸出功率。缺點是其上、下橋臂的晶體管不共地，必須采用隔離電源或采用專門驅(qū)動電路。其電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。圖1.3高頻升壓式電路原理框圖電路方案三：采用高頻升壓式輸出方式圖1.3為高頻升壓式電路，由于前兩種電路的輸出都必須加升壓變壓器，因變壓器體積較大，且效率低，價格也較貴，采用高頻升壓變式電路逆變，可實現(xiàn)高功率逆變。其前級電路采用推挽式結(jié)構(gòu)，逆變后

9、經(jīng)過高頻變壓器變壓成為高頻交流電，后又經(jīng)高頻整流濾波電路，濾波后得到高壓直流電，最后通過全橋式逆變電路實現(xiàn)逆變。高頻升壓式電路的缺點是電路較前兩種復(fù)雜，可靠性比前兩種電路都偏低2。方案選擇：經(jīng)過比較可知，推挽單端輸出方式的驅(qū)動及控制電路比較簡單，且電路的可靠性較高。所以選擇方案二。1.3 脈寬調(diào)制（PWM）芯片的選擇脈寬調(diào)制的脈沖生成的方法很多，分為兩大類，完全由模擬電路產(chǎn)生或由專用集成芯片產(chǎn)生。方案一：采用SG3524芯片SG3524芯片可以直接產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，但是這種電路產(chǎn)生的波形線性不好，達(dá)到要求較難，產(chǎn)生PWM方波時所需的外圍線路簡單。而且它所產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波的占空比不高，波形不理想

10、。且由SG3524所做的逆變器不允許帶感性負(fù)載。方案二：采用SG35257芯片集成脈寬調(diào)制芯片SG35257，它的集成度較高，可調(diào)頻又可調(diào)寬，而且可調(diào)性較強(qiáng)，可調(diào)動態(tài)范圍較大，可用來構(gòu)建不同類型的驅(qū)動電路?？蓪⑵渲谱鞒赡孀冸娫?，其轉(zhuǎn)換效率較高，所需外圍元器件較少，體積較小，成本低，且性能好，可靠性高。是SG3524的增強(qiáng)版，在很多方面進(jìn)行改進(jìn)。方案三：采用TL494芯片TL494芯片的主要特征是，它集成了全部的脈寬調(diào)制電路，芯片內(nèi)片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器和誤差放大器，且外置振蕩元件就兩個，一個電容和一個電阻，線路較簡單，穩(wěn)壓精度為5V土5%。芯片內(nèi)置5V的參考基準(zhǔn)電壓源，可不要外接電源。而且其內(nèi)

11、置功率晶體管能夠提供0.5A的驅(qū)動能力，使得設(shè)計的電路能夠提供不間斷的交流電，同時滿足電路簡單，體積小的要求。芯片的輸出方式為推或拉兩種。方案選擇：通過以上方案的比較可知，TL494芯片具備軟啟動功能，還可調(diào)整死區(qū)時間，同時還具備輸入、輸出、過壓、過熱保護(hù)。所以選擇方案三。2電路設(shè)計及分析2.1逆變電源的工作原理逆變電源是把直流電轉(zhuǎn)變成交流電的電子裝置，電路原理圖如圖2.1所示。它主要由逆變橋電路、控制邏輯電路和濾波電路組成。分別利用TL494的5腳接電容和6腳接電阻作為脈寬調(diào)制電路的定時元件，用來決定輸入和輸出脈寬調(diào)制的頻率，外加由外圍器件組成的保護(hù)電路，則設(shè)計的逆變電源可輸出220V/50

12、Hz正弦波。電路的變換部分采用TL494，Q3、Q4、Q5、Q6構(gòu)成驅(qū)動電路，有兩路驅(qū)動電路各驅(qū)動兩只MOS晶體管。晶體管Q3、Q4和Q5、Q6交替導(dǎo)通得到交流電，若輸出直流電壓較低，則可以通過交流變壓器升壓，可得到想要的交流電壓和頻率。若需要提高輸出功率，則每路可采用3只或者4只晶體管并聯(lián)應(yīng)用，其他電路部分不變 3 。圖2.1 逆變電源電路的原理圖2.2電路的組成本設(shè)計采用TL494芯片，電路主要由整流模塊，濾波模塊，功率放大模塊，保護(hù)模塊，電壓放大模塊電路及芯片TL494組成。結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示，包含12V直流穩(wěn)壓電源，集成芯片TL494，功放電路，變壓器，反饋調(diào)制電路，以及采樣電路。電

13、路板設(shè)計流程分為以下幾個方面：電路基本框圖的設(shè)計選擇；繪制電路原理圖；PCB布板和電路板的制作；焊接元器件與檢查電路；調(diào)試電路和測量數(shù)據(jù)；分析測量結(jié)果；確定電路的可行性，實用性4。DC12VAC220VAC12V/50HZ12V直流穩(wěn)壓電源PWMTL494變壓器功放 反 饋調(diào) 制采 樣電 路圖2.2 逆變電源結(jié)構(gòu)圖2.3 各部分電路的功能和作用2.3.1 直流開關(guān)穩(wěn)壓電源將12V直流電壓轉(zhuǎn)換成上下約12V的直流電壓，為逆變電源提供較為穩(wěn)定的直流電壓。2.3.2 功率放大電路功放電路主要是由四個MOS晶體管并聯(lián)組成兩個推挽單端輸出型輸出，組成兩個對稱互補(bǔ)的電路，完成對輸入信號的放大，可提高電源的

14、利用率，有效提高了輸出功率。2.3.3 變壓器變壓器采用的是雙12V轉(zhuǎn)220V變壓器，它的作用是把雙12V直流電壓升壓為交流電。變壓器的初級匝數(shù)為20x2，其次級匝數(shù)為380。采樣電路逆變電源的采樣電路是與芯片TL494相結(jié)合的，當(dāng)輸出交流電壓發(fā)生變化時，電路通過采樣電路將變化后的電壓分量輸入到芯片TL494的第2腳，并把輸出電壓與芯片的第1腳的電壓比的不同，來改變脈寬調(diào)制（PWM），從而改變了占空比和電壓，形成穩(wěn)壓電路。2.4 電路主要技術(shù)性能指標(biāo)(1) 直流輸入電壓：18VDC（2X0-30V/3A）(2) 逆變輸出電壓：220V±10(3) 額定輸出功率：50W(4) 逆變輸出

15、頻率：50HZ±5%(5) 逆變轉(zhuǎn)換效率：80(6)輸出波形失真度：<5(7) 有輸出、輸入過壓保護(hù)，過熱保護(hù)3 系統(tǒng)主要元器件簡介3.1 TL494CN3.1.1 TL494簡介TL494芯片是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路的集成，內(nèi)部包含了開關(guān)電源控制所需要的全部功能電路，廣泛應(yīng)用于半橋式、全橋式、單端正激雙管式開關(guān)電源。TL494芯片有SO-16和PDIP-16這兩種封裝形式，可以適應(yīng)不同場合的應(yīng)用要求。本設(shè)計采用的封裝形式是PDIP-16，封裝如圖3.1所示。3.1.2 TL494CN的管腳及其功能TL494的內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個誤差放大

16、器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。圖3.2是它的各管腳功能。TL494的主要特征如下：（1）集成了全部固定頻率脈寬調(diào)制電路；（2）芯片內(nèi)片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器和誤差放大器；（3）外置振蕩元件就兩個，一個電容和一個電阻，線路較簡單；（4）穩(wěn)壓精度為5V土5%；（5）芯片內(nèi)置5V的參考基準(zhǔn)電壓源，可不要外接電源；（6）內(nèi)置功率晶體管能夠提供0.5A的驅(qū)動能力；（7）死區(qū)時間可調(diào)整；（8）芯片的輸出方式為推或拉兩種。圖3.1 TL494的封裝 圖3.2 TL494引腳圖TL494的引腳功能如表3-1所示。表3-1 TL494的引腳功能引腳功能描述引腳功能描述1比較器1同相輸入9輸出管1的E極2比

17、較器1反相輸入10輸出管2的E極3比較器“或”輸出11輸出管2的C極4死區(qū)時間控制12Vcc5外接定時電容13輸出方式控制6外接定時電阻145V基準(zhǔn)源輸出7GND15比較器2反相輸入8輸出管1的C極16比較器2同相輸入3.1.3 TL494的內(nèi)部框圖芯片TL494的內(nèi)部框圖如圖3.3所示。圖3.3 TL494的內(nèi)部框圖3.1.4 TL494工作原理簡述TL494芯片是固定頻率的脈沖寬度調(diào)制集成電路，芯片內(nèi)部置有線性鋸齒波振蕩器。TL494芯片的振蕩頻率可以通過其外接電路的電阻和電容調(diào)節(jié)，振蕩頻率如下所示： 3-1通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓與輸出控制信號和死區(qū)時間控制信號進(jìn)行比較來實現(xiàn)輸出

18、脈沖的寬度的調(diào)節(jié)。TL494內(nèi)部的功率輸出管Q1和Q2受或非門控制。只有在鋸齒波的電平幅度大于控制信號的電平期間才會被選通。但是，當(dāng)控制信號電平增大時，TL494的輸出脈沖寬度將減小?？蓞⒖磮D3.4，TL494時序波形圖 5 。圖3.4 TL494時序波形圖TL494的極限參數(shù)如表3-2所示。表3-2 TL494的極限參數(shù)TL494的極限參數(shù)名稱代號極限值單位工作電壓Vcc42V集電極輸出電壓Vc1,Vc242V集電極輸出電流Ic1,Ic2500mA放大器輸入電壓范圍VIR-0.3V+42V功耗PD1000mW熱阻RJA80/W工作結(jié)溫TJ125工作環(huán)境溫度TL494BTL494CTL494I

19、NCV494BTA-40+1250+70-40+85-40+125額定環(huán)境溫度TA403.2 變壓器變壓器是雙12V轉(zhuǎn)220V，初級匝數(shù)為20x2，其次級匝數(shù)為380。3.3 其他主要器件表3-3 器件型號及其參數(shù)型號名稱反向耐壓（V）浪涌電流正向平均電流（A）最大反向漏電流（A）正向壓降（V）封裝IN4007二極管1000501.05.01.0DO-41IN5819二極管40301.00.0010.6DO-41型號名稱參數(shù)IRF540開關(guān)管N溝道增強(qiáng)型MOS開關(guān)管VDss=100V，ID=28A，RDS(ON)=77m型號名稱極性VAWMHZKp1STN8550三極管NPN500.80.63

20、30085-30080503.4 材料清單表3-3 材料清單名稱大小型號個數(shù)TL4941插槽16腳1電感22H1電容103310411110147110001電阻()0.3130482011K35.1K110K4100K1IN4007硅整流二極管2IN5819硅整流二極管2IRF540開關(guān)管4STN8550三極管24 電路的調(diào)試及結(jié)果分析電路板焊接完成后，認(rèn)真檢查電路是否完整及是否有短路、電容的正負(fù)極反接，TL494芯片是否插好和是否反接，有否虛焊。檢查完電路，確定電路無誤后再進(jìn)行加電。觀察電路元器件在加電后是否有異常情況發(fā)生，芯片，MOS管有沒有發(fā)熱等情況。在確定沒有異常后，測量輸出的上下1

21、2V電壓是否接近，數(shù)據(jù)正確，則接入變壓器，測量輸出交流電壓是否可升壓，接入負(fù)載燈泡，若燈泡可正常工作，則電路正常。若燈泡不能發(fā)亮，則電路存在問題，應(yīng)檢查電路是否存在問題或是電路設(shè)計不夠完善。4.1逆變電源的性能測試 判斷逆變電源的好壞主要有3個方面:(1) 首先是逆變電源能否長期地工作，即可靠性問題；(2) 逆變電源的輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、輸出總功率、輸出波形，帶負(fù)載能力，以及電壓升降范圍及穩(wěn)定度等;(3) 逆變電源設(shè)計中所使用的材料和器件價格等，即經(jīng)濟(jì)性問題，包括:體積、質(zhì)量、成本和實用性。4.2 測試儀器直流穩(wěn)壓電源，雙蹤示波器、數(shù)字萬用表（型號：VC9205）、滑動變阻

22、器2個、鎢絲燈泡）25W和40W各一個）、電阻若干。4.3 結(jié)果分析逆變電源的設(shè)計的電路圖不復(fù)雜，電路焊接完成后，用萬用表檢查所焊接的電路是否存在問題，如漏焊、短路、斷路、電容正反接、芯片反接等問題，檢測完畢后，確保電路無誤，再加電，對各個模塊進(jìn)行調(diào)試。在硬件調(diào)試中的主要問題是接入負(fù)載過小，造成電路停止工作，在對電路的檢查過程中，發(fā)現(xiàn)沒有電流流過芯片，在對12V直流電壓源這個模塊檢查時發(fā)現(xiàn)是電感燒斷。由于逆變電源的輸入電流較大，而焊接電路所用的電感是LGA系列電感器，可忍受的最大電流為0.090.4A，遠(yuǎn)小于測試時電路的輸入電流，所以被燒毀。在接入負(fù)載時，應(yīng)接入高阻值的負(fù)載，以免電流過大，燒壞

23、器件。輸出電壓和頻率，可通過改變外接電路來調(diào)節(jié)TL494的PWM值。TL494的外接電路有可變電阻器，通過改變阻值，可達(dá)到升壓，調(diào)頻的作用。在電路的測試中，若無輸出電壓，則電路存在問題，應(yīng)檢查TL494芯片3腳的電壓值，若值大于1V，則芯片內(nèi)部的保護(hù)電路有啟動。若TL494的3腳電壓高于1V，檢查電路，保證TL494的15腳的直流電壓高于16腳的直流電壓，1腳的直流電壓高于2腳的直流電壓。TL494芯片的3腳電壓值應(yīng)為0V左右，同時滿足以上兩個條件，電路才能正常工作。由于是電源的設(shè)計，在電路測試的過程中，應(yīng)記錄每一個模塊的輸出電壓和電流，用于分析比較帶負(fù)載能力和需要改良的地方。我在測試時，沒有

24、按照正確的步驟，不僅沒有將各模塊的輸出記錄下來，在帶負(fù)載時，阻值過小，造成電路板的損壞，又缺少各模塊輸出數(shù)據(jù)，給電路檢查帶來不便。5 設(shè)計總結(jié)及感受此次設(shè)計，并沒有達(dá)到預(yù)期的結(jié)果，硬件設(shè)計失敗，但是本次設(shè)計也給我?guī)聿簧俚暮锰帲粌H加深理解所學(xué)知識，也擴(kuò)充了相關(guān)知識，對知識的應(yīng)用也更加靈活。在實際操作中，由于我的粗心和不負(fù)責(zé)，在硬件測試的過程中增加了很多不必要的麻煩，如果我能按照正確的步驟去測試，可以節(jié)省許多時間和精力。在之后的工作中，主要是對電路錯誤的查找，由于經(jīng)驗不足，和專業(yè)知識應(yīng)用的不熟悉，電路檢錯效果并不好，反而造成芯片的多次燒毀，浪費了許多器件。致謝在這次畢業(yè)設(shè)計的選題和撰寫過程中, 謝仲偉博仲老師為我們提供實驗場地、實驗器件,在電路設(shè)計方案及論文撰寫中進(jìn)行精心的分析指導(dǎo), 給予了我許多建議，在此我向恩師表以最誠摯的謝意。同時也向感謝幫助過我的同學(xué)。參考文獻(xiàn)1 李锃，胡敏，鄧焰. 一種修正正弦波輸出逆變電源的設(shè)計J.機(jī)電工程，2008，25（1）：220-223.2 劉仁普.MOTOROLA線性與接口電路手冊M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：458-463。3 陳永真等.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽試題精選解M.北京：電子工業(yè)出版社，2007：221-238.4 陳道煉。DC-AC逆變技術(shù)及其應(yīng)用M.北京：機(jī)械