張德樹,劉 青,宮 強(qiáng),王 軍,謝家安

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院,安徽 滁州 239000; 2.安徽中認(rèn)倍佳科技有限公司,安徽 滁州 239000)

將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的過程叫逆變。逆變電路(逆變器)可為市電非直供場所提供所需的交流電,如汽車、UPS、醫(yī)療等,更為光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電擔(dān)供了物理基礎(chǔ)[1]。

逆變器按輸出的波形主要分為兩大類:方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器輸出的方波電流中包含的大量的高次諧波成分,尤其零序三次諧波幅值較大,不適合帶感性負(fù)載。正弦波逆變器分為近似正弦波逆變器和純正弦波逆變器。近似正弦波逆變器輸出電壓波形近似正弦,可以滿足我們絕大部分用電需求。

一、電路設(shè)計(jì)方案

電路由輸入過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、逆變I、220V/30KHz整流濾波、逆變II、輸出過壓保護(hù)等組成。逆變I和逆變II都是采用一只TL494芯片組成控制電路,逆變I電路是將12VDC通過高頻PWM技術(shù)轉(zhuǎn)換成約30KHz 220V AC,再經(jīng)整流、濾波后變換為直流電,最后經(jīng)過逆變II轉(zhuǎn)換成50Hz 220VAC。電路組成框圖見圖1。

二、TL494芯片

(一)TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳功能

TL494是一種高性能固定頻率的脈寬調(diào)制控制器,它包含了逆變器控制所需的全部功能,被廣泛地應(yīng)用于半橋式、全橋式開關(guān)電源[2]。TL494芯片內(nèi)部電路包括振蕩器、兩個(gè)誤差比較器、5VDC基準(zhǔn)電源、死區(qū)時(shí)間比較器、欠壓封鎖電路、PWM比較器、輸出電路等。TL494芯片的引腳及芯片內(nèi)部組成電路框圖分別見圖2和圖3[3]。

圖2 TL494引腳圖

圖3 TL494內(nèi)部電路圖

(二) TL494工作原理

1． 振蕩器

2． 死區(qū)時(shí)間比較器

作用是調(diào)整死區(qū)時(shí)間,通過0～4VDC電壓來調(diào)整輸出驅(qū)動信號的占空比來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)4腳電壓升高,D 觸發(fā)器CK端高電平的時(shí)間加寬,經(jīng)過反相,使Q1和Q2基極為低電平而截止。4腳電位越高,死區(qū)時(shí)間越寬,輸出驅(qū)動信號的占空比越小。芯片內(nèi)部預(yù)加了0.12VDC,使死區(qū)時(shí)間最小不能小于4%,單管工作時(shí)最大占空比96%,推挽輸出時(shí)最大占空比為48%,波形見圖4。

圖4 TL494脈沖控制波形圖

3．PWM比較器

作用與IC的4腳控制作用類似,通過IC內(nèi)部兩個(gè)誤差放大器的輸出信號與TL494的3腳輸入電壓來調(diào)整輸出驅(qū)動信號的占空比。若PWM比較器輸入(誤差放大器輸出)電壓升高,輸出控制信號占空比變小;反之,占空比增加,實(shí)現(xiàn)反饋的PWM調(diào)節(jié)。若TL494的3腳電壓加到3.5VDC,占空比達(dá)到0.0%。

芯片3腳為輸出信號脈寬調(diào)制器的反饋補(bǔ)償?shù)目刂贫?作用于誤差信號放大器的輸出對信號的最高反饋電壓進(jìn)行補(bǔ)償,最高的補(bǔ)償反饋電壓為4.5 V[5],波形見圖4。

4．誤差放大器

作用是電源電壓反饋和過流保護(hù)。反饋信號經(jīng)比較器比較后的輸出信號,與振蕩器輸出的鋸齒波送PWM比較器比較,進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)。

5．欠壓保護(hù)電路

當(dāng)Vcc低于4.9V,或者內(nèi)部基準(zhǔn)電源低于3.5VDC時(shí),CK端被鉗位為高電平,從而使輸出的兩個(gè)晶體管截止,達(dá)到保護(hù)作用。

6．輸出電路

三、逆變電路設(shè)計(jì)

(一)逆變原理

逆變I主電路采用帶中心抽頭變壓器的逆變電路,電路原理見圖5:

圖5 帶中心抽頭變壓器的逆變電路

V1為通態(tài),V2為斷態(tài),變壓器原邊電壓2正1負(fù)(3正2負(fù)),電流向左逐漸上升。副邊電壓5正4負(fù)。負(fù)載電壓左負(fù)右正,大小為Ud。

給V1關(guān)斷信號,給V2開通信號,由于感性負(fù)載中電流IO不能立即改變方向,變壓器原邊感應(yīng)出3負(fù)2正(1正2負(fù))的電壓,此時(shí)VD2續(xù)流,電流變小。副邊電壓5負(fù)4正,負(fù)載電壓左正右負(fù),大小為Ud。

當(dāng)負(fù)載電流減小為零,VD2截止,V2導(dǎo)通,負(fù)載電流改變方向后向右,變壓器原邊2正3負(fù)(1正2負(fù)),電流向右逐漸變大。負(fù)載電壓左正右負(fù),大小為Ud。

給V2關(guān)斷信號,給V1開通信號,由于感性負(fù)載中電流IO不能立即改變方向,變壓器原邊感應(yīng)出2負(fù)3正(1正2負(fù))的電壓,此時(shí)VD1續(xù)流,電流變小。

逆變II主電路采用電壓型單相全橋逆變電路,兩對橋臂交替導(dǎo)通180°,電路原理圖及工作波形見圖6。

圖6 全橋逆變電路

t1時(shí)前:V1,V 4同時(shí)導(dǎo)通,輸出電壓為Ud,電感充能,IO向右逐漸上升。

t1時(shí)刻:V3,V4驅(qū)動信號反向,V4關(guān)斷,由于電感儲能作用,V3不能立即開通,VD3續(xù)流,IO向右逐漸下降,輸出電壓為0。

t2時(shí)刻:V1,V2柵極信號反向,V1截止,V2不導(dǎo)通,VD2續(xù)流,VD2,VD3為導(dǎo)電通路,IO向右逐漸下降,輸出電壓為-Ud。負(fù)載電流過零后,并開始反向時(shí),VD2,VD3截止,V2,V3導(dǎo)通,電感充能,IO向左逐漸上升,輸出電壓仍為-Ud。

t3時(shí)刻:V3,V4驅(qū)動信號再次反向,V3關(guān)斷,V4不能立即開通,VD4續(xù)流,IO向左逐漸下降,輸出電壓為0。

若是感性負(fù)載,負(fù)載的電流波形近似正弦波;若是阻性負(fù)載,則負(fù)載電流波形與負(fù)載電壓波形相似。

(二) 逆變I驅(qū)動信號產(chǎn)生電路及過熱保護(hù)電路

圖7 逆變I驅(qū)動信號產(chǎn)生電路及過熱保護(hù)電路

(三) 逆變II驅(qū)動信號產(chǎn)生電路

圖8 逆變II驅(qū)動信號產(chǎn)生電路

(四) DC/DC 變換電路

圖9中VT1、VT2、VT3、VT4、高頻變壓器T1、整流二極管VD5、VD6、VD7、VD8、濾波電容C12及周圍相關(guān)元件構(gòu)成DC/DC 變換電路。VT1和VT3的基極分別接IC1內(nèi)置的Q1和Q2發(fā)射極E2和E1。高頻變壓器T1的作用是將12V脈沖電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?20V脈沖電壓。經(jīng)整流濾波電路變成約220V直流電壓。

圖9 逆變器總電路原理圖

電路工作于推挽狀態(tài),IC1內(nèi)置的Q1和Q2交替導(dǎo)通,使VT1、VT3的交替導(dǎo)通,VT2和VT4以頻率為30KHz 交替導(dǎo)通,變壓器工作在推挽狀態(tài),使變壓器的初級輸入端有30KHz的交流電。

當(dāng)VT1飽和導(dǎo)通時(shí),場效應(yīng)管VT2因?yàn)闁艠O無正偏壓而截止,而此時(shí)VT3截止,導(dǎo)致場效應(yīng)管VT4柵極有正偏壓而導(dǎo)通。且交替導(dǎo)通時(shí)其峰值電壓為12V,即產(chǎn)生了12V/30KHz的交流電。

R9、R10、R11起限流作用,取值為4.7KΩ。濾波電容C5取2200μF/25V。T1可選用200W的EI33型高頻鐵氧體磁心變壓器,工作頻率約30KHz左右,初級繞組采用直徑1.2mm的漆包線,兩根并繞2×20匝,次級繞組采用0.8mm漆包線繞380匝,電壓變比12V/220V;引腳結(jié)構(gòu)形式:3入2出式。

(五) 輸入過壓保護(hù)電路

輸入過壓保護(hù)電路由圖9中IC1的1腳和3腳外圍的DZ1、R5、R6、R8、C2、C3、VD1、VD4等元件組成。若輸入電壓過大,穩(wěn)壓管DZ1被擊穿,VD1導(dǎo)通,輸入電壓向C2充電,IC1的1腳維持一段時(shí)間低電平狀態(tài)。C2充電結(jié)束后又通過R6放電,當(dāng)C2放電結(jié)束時(shí),IC1的1腳由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平,使IC1的3腳為高電平狀態(tài),導(dǎo)致TL494芯片內(nèi)部的PWM比較器、或門、或非門的輸出均發(fā)生翻轉(zhuǎn),IC1內(nèi)置晶體管Q1和Q2均轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài),直流變換電路停止工作。同時(shí)IC2的的4腳為高電平狀態(tài),抬高死區(qū)時(shí)間比較器同相輸入端的電位,芯片內(nèi)置的Q1和Q2截止,停止后繼電路的工作。

DZ1的穩(wěn)壓值決定了該保護(hù)電路的啟動門限電壓值。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值一般為輸入電壓的1～1.2倍。若輸入電壓為12VDC,將DZ1的穩(wěn)壓值選為14V左右較為合適。R5取為100KΩ,R6、R8均取為4.7KΩ,C2、C3均取為47μF。

(六) 輸出過壓保護(hù)電路

(七) DC/AC變換電路

DC/AC變換電路由圖9中VT5、VT6、VT7、VT8、VT9、VT10及其周圍元件組成。采用全橋逆變形式,由于不需要變壓器升高或降低電壓而是直接向負(fù)載供電,使得逆變器的體積可以減小[6]。VT5、VT8以頻率為50Hz交替工作。

因?yàn)镮C2工作于推挽狀態(tài),當(dāng)IC2的11腳輸出低電平8腳輸出高電平:VT5截止,VT6的柵極接12V電壓導(dǎo)通。VT7截止,UO的上端接220VDC。同時(shí)VT8飽和導(dǎo)通,VT9截止。因?yàn)閂T10柵極接IC2的8腳高電平而導(dǎo)通,使UO的下端接地,此過程使逆變電路的輸出端得到上正下負(fù)220VAC的正半周交流電;

當(dāng)IC2的11腳輸出高電平8腳輸出低電平:VT5的基極接IC2的11腳輸出高電平飽和導(dǎo)通,VT6的柵極為低電平而截止。VT7導(dǎo)通,UO的上端接地。同時(shí)VT8截止,VT9導(dǎo)通。因?yàn)閂T10柵極接IC2的8腳低電平而截止,使UO的下端接220VDC,此過程使逆變電路的輸出端得到上負(fù)下正220VAC的負(fù)半周交流電;C13、C15和C14均為平滑輸出的吸收電容。由于TL494芯片II的11腳和8腳輸出的方波控制信號以頻率為50Hz而交替出現(xiàn),電路輸出220V/50Hz ACV。

晶體管VT5、VT8選擇KSP14,場效應(yīng)管VT6、VT7、VT9和VT10選擇IRF740型。C13和C15取10μF,C14取0.01μF,電路見圖9。

四、電路調(diào)試

按圖9組裝逆變電路后,接通12VDC,LED指示燈亮電路工作正常。逆變I驅(qū)動信號產(chǎn)生電路輸出的兩路驅(qū)動信號波形見圖10。

圖10 逆變I驅(qū)動電路輸出信號

逆變II驅(qū)動信號產(chǎn)生電路輸出的兩路驅(qū)動信號波形見圖11。

圖11 逆變II驅(qū)動電路輸出信號

UO端輸出電壓通過示波器探頭10倍衰減后示波器,輸出的波形見圖12,其電壓有效值約為220伏。

圖12 輸出電壓經(jīng)10倍衰減后的波形

五、結(jié)束語

結(jié)合TL494芯片內(nèi)部電路組成及工作原理,利用兩片TL494設(shè)計(jì)驅(qū)動控制電路,同時(shí)設(shè)計(jì)DC/DC電路、DC/AC電路、輸入輸出反饋保護(hù)電路等。經(jīng)過電路各參數(shù)計(jì)算及元件選擇,并完成了組裝與調(diào)試,功能正常,實(shí)踐證明利用本文所介紹的基于TL494的逆變電源設(shè)計(jì)方案是可行。