车载逆变器的设计(图)
车载逆变器的设计(图)
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:dc 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。
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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:dc 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
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图4 分频分相波形图
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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
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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。
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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。
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在车规芯片认证Q100中FG、CHAR、PAT、SBA、ED的关系和区别
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