家用电源逆变器的设计(张涵婷)1(2)1

应天职业技术学院 机电工程系 毕业设计报告 课题名称   家用电源逆变器设计 作    者       张涵婷        专    业 电力系统自动化技术（供用电技术）班级学号   供电091  0974139  指导教师       张卫华            2011    年  11  月 目 录 摘要..............................................................2一、概述...........................................................2 2、毕业设计的任务与意义...........................................3 （一）毕业设计的任务...........................................3 （二）毕业设计的意义和要求......................................3 3、基本原理......................................................4 （一）逆变器的特点与应用范围...............................4      （二）电路基本原理...............................................4 （3）逆变器应用类型.............................................5 .      1.有源逆变电路.........................................6         2.无源逆变电路.........................................7 4、设计........................................................8 （一）输入波形的选择.............................................8 （二）50HZ、220V方波波形输出实现电路选择........................8         1.脉宽调制器（PWM)......................................8         2.输出方式...........................................8 （3）各元件分析................................................8 （4）基本构成.....................................................12 （五）逆变器的主要指标..........................................14 (六）设计图纸.................................................15 （七）保护电路设计.............................................15 （八）DC/AC变换电路............................................17  五、毕业设计过程中出现的问题及解决方法..............................18 六、............................................................19 参考文献 家用电源逆变器设计 摘要： 本文利用电力电子的基本原理设计一种将直流电转换成220V、50Hz交流电或其它类型的交流电的逆变器电路。它输出的交流电可用于各类设备，最大限度地满足移动供电场所或无电地区用户对交流电源的需要。本文主要介绍了逆变器的含义、发展情况，以及逆变器的基本原理图，具体设计电路，最后对毕业设计遇到的问题进行总结归纳。 关键词：直流 交流 逆变 有源 无源 一、概 述     逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。有了逆变器，就可使用直流蓄电池为电器提供交流电，提供稳定可靠的用电保障，如笔记本电脑、手机、手持pc、数码相机以及各类仪器等；逆变器还可与发电机配套使用，能有效地节约燃料、减少噪音；在风能、太阳能领域，逆变器更是必不可少。 小型逆变器还可利用汽车、轮船、便携供电设备，在野外提供交流电源。     国际市场上对逆变器的要求，主要以欧洲为主，西班牙最多，德国第二，再者就是日本，那么国内市场如何？ 随着全球光伏装机量的迅猛增长，逆变器市场也不断扩大。有数据显示：从2010年上半年，总体已经到了 8GW，2009年全年大概是8GW，同比增长了近3倍。根据预测，在今后三年的时间里将有9倍的增长。针对中国的市场，未来10年大概达到360亿的规模。就目前情形来看，国内市场相对来说比较小，但最近这两年也会有所突破。 面对如此巨大的市场缺口，国内逆变企业如何在竞争激励的国内外市场上赢得市场份额？应用拿捏着技术定向，技术决定市场！ 随着民族品牌的崛起， 中国企业也在不断走向世界，逆变器市场的竞争也将更国际化。早期的逆变器市场都是以国际知名品牌占据主导地位，如今以森兰、英威腾等为代表的民族品牌经过不懈努力，不仅实现了产品批量走出国门，更成功登陆欧洲市场，使国产逆变器的出口不再限于东南亚、南非、中东等发展中国家和地区。进入变频技术的发源地去与国际知名品牌竞争，国产逆变器厂商或许可以通过这样的实战学习，实现更大的价值提升。 2、毕业设计的任务与意义 （一）设计的任务：     以一般家庭用电为例，设计一种应急电源逆变器，要求输入直流电压为24V，交流输出为220V，频率符合用电要求，具有低压、过压和过流保护，功率根据家庭用电情况自选（如选择400W）。 （二）设计的意义：     通过这次课题的设计，我们可以将之前所学的专业理论知识紧密的联合实际，增强分析问题和应用实际的能力。 对逆变器有了深刻的了解，并且对将来进一步学习和工作有很大的帮助。 我们处在一个“移动”的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲和娱乐。在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220伏交流电，逆变器就可以满足我们的这种需求。 3、基本原理   （一）逆变器的特点与应用范围：     逆变器是一种应急电源，是把直流电能转变成交流电（一般为220v50HZ正弦或方波）。     不管是在偏远家村，或是野外需要或是停电应急，逆变器都是一个非常不错的选择。比较常见的是机房会用到的UPS电源，在突然停电时，UPS可将蓄电池里的直流电逆变为交流供计算机使用，从而防止因突然断电而导致的数据丢失问题。能够不间断的提供电源，具有一定的安全可靠性、稳定性。     逆变器可以利用直流电转换成交流电为电器提供稳定可靠得用电保障，逆变器还可以与发电机配套使用，能有效地节约燃料、减少噪音；在风能、太阳能领域，逆变器更是必不可少。 小型逆变器还可利用汽车、轮船、便携供电设备，在野外提供交流电源。     广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等 。 （二）电路基本原理                          1.有源逆变电路 单相全波电路的逆变 三相半波有源逆变电路 电压型逆变电路： 单相半桥逆变电路 单相全桥逆变电路 三相桥式逆变电路 2.无源逆变电路 单相桥式逆变电路 串联谐振式逆变电路 并联谐振式逆变电路 电流型逆变电路： 单相桥式逆变电路 三相桥式逆变电路 （三）逆变器应用类型       1.有源逆变电路：单相全波整流逆变电路  三相半波有源逆变电路                       三相桥式有源逆变电路        2.无源逆变电路：负载换流型逆变电路：串联式谐振逆变电路                                           并联式谐振逆变电路                       电压型：单相半桥逆变电路 单相全桥逆变电路                                        电流型：单相桥式逆变电路 三相桥式逆变电路            四、设计方案 （一）输出波形的选择 采用50Hz、220V方波波形输出。方波逆变器的制作采用简易的多谐振荡器，可以满足我们大部分的用电需求，除了转换效率高以外，结构简单，成本也低，性能稳定，使用于各种整流负载，并且控制简单、可靠性高。 （二）50Hz、220V方波波形输出实现电路选择 1.脉宽调制器（PWM）     采用TL494CN芯片，它集成了全部的脉宽调制电路；片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件简单；内置5V基准源；稳压精度为5V±5%；内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力等特征使逆变器既可提供不间断的高质量交流电，又可以满足体积小，电路简单的要求。 3.输出方式 采用两片TL494CN芯片，采用推挽式电路，交替工作，可以提高转换效率，而且双端工作的变压器体积比较小，可提高占空比，增大输出功率。 （三）各元器件分析 1.1 TL494简介   TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。 1.2 TL494主要特征   工作电源： 最小7V               典型16V               最大42V   集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。内置误差放大器、5V参考基准电压源、功率晶体管可提供500mA的驱动能力。可调整死区时间，有推或拉两种输出方式。 1.3 TL494外形图 1.4 TL494引脚图、各引脚功能 引脚 功能描述 引脚 功能描述 引脚 功能描述 1 比较器1同相输入 7 GND 13 输出方式控制 2 比较器1反相输入 8 输出管1的C极 14 5V基准源输出 3 比较器“或”输出 9 输出管1的E极 15 比较器2的反相输入 4 死区时间控制 10 输出管2的E极 16 比较器2的同相输入 5 外接定时电容 11 输出管2的C极 6 外接定时电阻 12 Vcc 1.5 TL494工作原理简述 TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下： 1.6 TL494脉冲控制波形 控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大的输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0——3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。 脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5V时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到0。两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输出范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制电路。 TL494内置一个5V的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流，在典型的0-70℃温度范围50mV温漂条件下，该基准电压源能提供±5%的精确度。 1.7 TL494内部电路方框图 1.8 TL494的极限参数 TL494的极限参数 名称 代号 极限值 单位 工作电压 Vcc 42 V 集电极输出电压 VC1，VC2 42 V 集电极输出电流 IC1，IC2 500 mA 放大器输入电源范围 VIR -0.3--- +42 V 功耗 P 1000 mW 热阻 R 80 ℃/W 工作结温 T 125 ℃ 工作环境温度 TL494B TL494C TL494I T -40--- +125 0--+70 -40--- +85 ℃ 额定环境温度 T 40 ℃ 1.9 场效应管   场效应管是一种适应开关电源小型化、高效率化和可靠性要求的理想器件。它是利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。其代表符号如图。这种器件不仅兼有开关速度快、没有储存时间、体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还有输入阻抗高、噪音低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，因此大大的扩展了它的应用范围。本设计采用的是N沟道增强型MOSFET。只有在正的漏极电源的作用下，在栅源之间加上正向电压（栅级接正，源级接反），才能使该场效应管导通。 2.0 三极管   本设计选用了两种三极管，因为电路中有50KHz和50Hz两个频率，用于50KHz电路的三极管选择为855型，而用于50Hz低频的三极管选择为KSP44型。三极管的工作状态有截止、放大、饱和三种。此设计电路中主要运用三极管的导通、截止的开关特性。 （4）基本构成   该设计电路的方框图如图所示。该电路由24V电压输入、输入过压保护电路、过热保护电路、逆变电路1、220V/50KHz整流滤波、逆变电路2、输出过压保护电路等组成。逆变电路1、逆变电路2的框图分别见下图。逆变电路又包括频率产生电路（50KHz和50Hz PWM脉冲宽度调制电路）、直流交换电路将24V直流转换成220V直流、交流变换电路将24V直流变换为220V交流。   逆变电路1原理如图所示。此电路的主要功能是将24V直流电变换为220V/50KHz的交流电。   逆变电路2原理如图所示。此电路的主要功能是将220V直流转换为220V/50Hz的交流电。全桥电路以50Hz的频率交替导通，产生50Hz交流电。 (五）逆变器的主要指标 1. 输入：24V直流 2. 输出：220V交流 3. 输出功率：大于100W 4. 具有输入过压保护和输出过压保护 5. 有过热保护功能 6. 可作为多种电器的通用电源 7. 还有工作正常指示灯 （六）设计图纸 1.电路工作原理   该逆变电源的电路原理图如图所示，大体可以分为两个部分，左芯片TL494及其外围电路、三极管VT1、VT3，MOS功率管VT2、VT4和变压器T1组成24V直流电到220V交流电的逆变电路。右TL494芯片及其外围电路、三极管VT5、VT8，MOS功率管VT6、VT7、VT9、VT10和220V 20—50KHz整流、滤波电路VD5—VD8、C12共同组成220V 20—50KHz交流电到220V 50Hz交流电的转换。   将24V直流电源电压，经过逆变电路1得到220V/50KHz的交流电，此交流电再经过整流滤波电路得到220V高压直流电，然后经过逆变2得到220V/50Hz交流电。其中输入过压保护电路、输出过压保护电路、过热保护电路构成整个电路的保护电路。一但输入电压出现过大或者过小时，保护电路立即启动，然后停止逆变1的工作。过热保护电路是当电路工作温度过高时，启动保护使逆变电路1停止工作。输出过压保护电路与逆变电路2构成反馈回路，一旦电路输出异常则停止逆变2的工作。在逆变电路1中是用一块TL494芯片产生50KHz的脉冲频率，经过变压器推挽电路将24V直流转换成220V/50KHz的交流电。在逆变电路2中再用一块TL494芯片产生50Hz的脉冲波，全桥电路以50Hz的频率交替导通，从而将220V直流和50Hz脉冲电路整合，然后输出220V/5KHz的交流电。在该电路中都是利用TL494的输出端作为逆变电路工作状态的控制端。 （六）保护电路设计 1.1 输入过压保护   电路中左TL494的1脚外围电路的VDZ1、R5、VD1、C2、R6构成12V输入电源过压保护电路，稳压管VDZ1的稳压值决定了保护电路的启动门限电压值，VD1、C2、R6还组成了保护状态维持电路，只要发生瞬间的输入电源过压现象，保护电路就会启动并维持一段时间，以确保后级功率输出管的安全。考虑到电瓶电压的正常变化幅度大小，通常将稳压管VDZ1的稳压值选为15V或16V较为合适。 1.2 过热保护   电路图中左TL494的15脚外围电路R1、R2、Rt组成了过热保护电路，Rt为正温度系数热敏电阻，常温状态下，阻值可在150Ω到300Ω之间任意选取。阻值适当选大些可以保护电路驱动的灵敏度。15脚电压是一个比较重要的参数，正常工作时电压应略高于16脚的电压。本设计中，14脚与16脚相连所以电压均为5V。当电路工作异常时，MOS功率管VT2或VT4的温度大幅提高，热敏电阻Rt的阻值超过4KΩ时，左TL494内部比较器1的输出将由低电平转为高电平，左TL494的三角也随即转为高电平状态，使芯片内部的PWM比较器、“或”门以及“或非”门的输出均发生反转，输出级三极管VT1和三极管VT2均转为截止状态。当左TL494内的两只功率输出管截止时，电路中的VT1、VT3将因基极为低电平而饱和导通，VT1、VT3导通后，功率管VT2和VT4将因栅极无正偏压而处于截止状态，逆变电路停止动作。由于没有合适的热敏电阻，所以用一个470Ω的电阻代替热敏电阻，这样电路没有过热保护功能，但能满足正常工作要求。 1.3 输出过压保护   R29、R30、R27、C11、VTZ2组成XAC插座220V输出端的过压保护电路，当输出电压过高时将导致稳压管VDZ2击穿，使右TL494的4脚对地电压上升，芯片右TL494内的保护电路动作，切断输出。 （七）DC/AC变换电路   电路结构如图，该变化电路为全桥桥式电路。其中TL494芯片的8脚和11脚为内置的两个三极管的集电极，且两个内置的三极管是交替导通的，交替导通的频率为50Hz。图中8脚和11脚分别接入了上下两部分完全对称的桥式电路，因为两个三极管交替工作，工作频率为50Hz，所以选用桥式电路，目的在于得到50Hz交流电。上下两部分电路工作过程完全相同。选其中一部分作为说明，图中VT0为TL494芯片的芯片Ⅱ的一个内置三极管设为VT00，另一个设为VT01导通。当VT00导通时，即VT01截止时：VT1的基极没有正偏压，从而使VT1截止，然后VT3的栅极有24V正偏电压，使VT3导通。而VT4因为栅极无正偏压截止，输出220V电压。当VT00截止时，即VT01导通时：VT1基极有24V正偏压，集电极有24V反向电压，从而导通。VT3的栅极无正偏电压，从而使VT3截止。而VT4因为栅极有24V正偏压导通。因为VT3截止，220V电压无法送到输出。但此时下半部分的电路有220V电压输出。因为此时TL494芯片Ⅱ的另一个内置三极管VT01导通，它的集电极即第11脚使逆变电路1有220V电压输出。原理同上，上下两部分以频率为50Hz而交替导通，从而使电路有220V/50Hz的交流电输出。由于TL494芯片为脉冲调制器，其产生的波形为脉冲波而不是正弦波。VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6因选择低频小功率型的。这里VT1和VT2为晶体三极管可选择KSP14型，VT3—VT6为场效应管，可选择为IRF740型。限流电阻可选择10KΩ、1KΩ、4.7KΩ、3.3KΩ的经典取值。C1、C2和C3均为平滑输出的吸收电容。C1和C2可取为10μF，C3取为0.01μF。 五、毕业设计过程中出现的问题及解决方法 在毕业设计过程中出现的问题主要是怎样用CAD来画原理图，因为我们所学习的画图知识很少，所以对一些特殊的图形和文字不知道如何输入，经过向老师请教和同学之间的讨论，把问题都解决了并完成了画图这项工作。 还有的问题就是对原理图的理解和分析，因为是第一次接触毕业设计，所以不知道从哪里着手，于是参考了一些相关资料书籍，对逆变器有了一定的了解，对以前所学的知识也有了一些回忆。 对于这次毕业设计出现的问题还有一些细节方面，比如电子稿的排版、公式的编辑等。经过询问老师问题都得到了一步步的解决。 六、总结 本次毕业设计对培养我们实际的设计能力具有重要的意义，通过这次设计，把以前学习中所获得的理论知识在实际的设计工作中综合地加以运用，使这些知识得到巩固发展，并使理论知识与实际的设计工作结合起来。 在这次设计中，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，把理论应用到实际物体上的能力还是不足。刚开始的时候都不知道从哪里着手，对于理论知识学习不够扎实的我深感可用的东西太少了，经过老师的指导、查找各种资料与同学相互讨论，对知识系统进行全面的梳理，才有了一定的设计大纲。当我终于完成了所有打字、绘图、排版、校对的任务后整个人都很累，但同时看着电脑荧屏上的毕业设计我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。 这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。本设计的主要内容是逆变器的设计，所谓逆变器就是对电流的转换，电已经和水一样，是人类必不可少的一项可再生资源，随着家用电器越来越多，特别是计算机的普及化，很多经常因为各种原因有停电现象的地区家庭都购入了UPS，以备停电时的不时之需。可是UPS价格比较高，并不适用于一般的家庭，因此我们想到了简单的逆变器设计。运用TL494芯片作为主芯片，分别用两个TL494的5脚接电容和6脚接电阻作为脉宽调制器的定时元件，来决定输入脉宽调制频率为20—50HZ和输出脉宽调制频率为50HZ。所输出的是50HZ、220V方波波形，这样就可以方便我们的日常生活，以备不时之需。 经过这次毕业设计，它培养了我的耐心和细心，使我的思维更加严谨，通过它架起了理论与实践的桥梁。因此在今后的生活和学习中，我要脚踏实地、认真严谨、实事求是、不怕困难、坚持不懈，这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。在此感谢我的指导老师，是你的细心指导使我能够顺利完成这次毕业设计。我不仅学到了许多专业知识，也学到了做人的道理，对我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。 参考文献 1. 电力电子技术 王兆安 黄俊主编 机械工业出版社 2000年 2. 现代电力电子技术 张立编著 高等教育出版社 1999年 3. 电力电子变流技术 曲永印主编 冶金工业出版社 1997年 4. 变频调速应用百例 王占奎主编 科学出版社 1999年 5. 电力电子技术 龙志文主编 机械工业出版社 2007年