逆变电源设计1

湖南工程学院

课程设计任务书

课程名称：电力电子技术

题目：逆变电源设计

专业班级：电气工程1082

学生姓名：李鹏超学号：23

指导老师：李祥来

审批：谢卫才

任务书下达日期2013 年6 月3日

设计完成日期2013 年6月14日

目录

1概述 (6)

（1）逆变电路原理 (7)

（2）电路工作原理 (8)

2单元电路设计 (8)

2.1.2高频滤波 (9)

2.3各部分支路设计 (13)

2.3.1DC/DC变换电路 (13)

2.3.2输入过压保护电路 (14)

2.3.3输出过电压保护电路 (15)

2.3.4DC/AC变换电路 (15)

2.3.5TL494芯片I外围电路 (17)

2.3.6TL494芯片II外围电路 (18)

3故障分析与电路改进、实验及仿真等 (19)

4总结与体会 (19)

5附录 (21)

6参考文献 (23)

1概述

该电源的设计主要要应用到功率转换、高频滤波等知识点，并且需要了解脉冲发生电路、脉宽调制PWM等电路。该电路可以将电瓶的12V直流电转换为220V/50HZ的交流电，为随身携带的许多电子产品提供稳定可靠的电源，具有相当强的通用性。

1.1设计思路

本电路的设计思路框图如下图1所示。该电路由12V直流输入、输入过压保护电路、过热保护电路、逆变电路I、220V/50KHZ整流滤波、逆变电路II、输出过压保护电路等组成。逆变电路I、逆变电路II的框图分别见图2、图3。逆变电路包括频率产生电路（50KHZ和50HZ PWM脉冲宽度调制电路）、直流变换电路（DC/DC）将12V直流转换成220V直流。交流变换电路（DC/AC）将12V直流变换为220交流。

1.2基本原理

（1）逆变电路原理

逆变电路I原理如图2所示。此电路的主要功能是将12V直流电转换为220V/50KHZ的交流电。

逆变电路II如图3所示。此电路的主要功能是将220V直流电转换为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。

（2）电路工作原理

输入12V直流电源电压，经过逆变电路I得到220V/50KHZ的交流电，此交流电在经过整流滤波电路得到220V高压直流电，然后经过逆变电路II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。一旦输入电压出现过大或者过小时，保护电路立即启动，然后停止逆变电路I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I停止工作。输出过压保护电路与逆变电路II构成反馈回路，一旦电路输出异常则停止逆变电路II的工作。在逆变电路I中使用一块TL494芯片产生50KHZ的脉冲频率，经过变压器推挽电路将12V直流转换成220V/50KHZ 的交流电。在逆变电路II中再使用一块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220V50HZ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。

2单元电路设计

2.1主电路

2.1.1功率变换

2.1.2高频滤波

2.2控制电路

2.2.1脉宽调制PWM

TL494是一种固定频率脉冲宽度调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛用于单端正激双管式、板桥市以及全桥式开关电源。TL494有SO ——16和PDIP——16两种封装形式，以适应不同场合的要求。

（1）主要特征

继承了全部的脉冲宽度调制电路。

TL494内置现行锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。

TL494内置误差放大器。

TL494内置5V参考基准电压源。

可调整死区时间。

TL494内置功率晶体管，可提供500MV的驱动能力。

有推或拉两种输出方式。

（2）引脚设置及其功能

TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡器、死区时间比较器、误差放大器（两个）、PWM比较器以及输出电路等组成，各引脚功能见表1

图：TL494内部结构图

·输入电源电压为7—40V，可用稳压电源作为输入电源，从而使辅助电源简化。TL494末级的两只三极管在7-40V范围工作时，最大输出电流可达250mA。因此，其负载能力较强，即可按推挽方式工作，也可以将两路输出并联工作，小功率时可以直接驱动。

·内部有5V参考电压，使用方便，参考电压短路时，有保护功能控制很方便。

·内部有一对误差放大器，可作为反馈放大及保护功能，控制方便。

·在高频开关电源中，输出方波必须对称，在其他一些应用中有需要方波认为不对称，即需控制方波的占空比。通过对TL494的4脚控制，即可调节占空比，还可以作输出软启动保护用。

·可以选择单端、并联及交替三种输出方式。

TL494的1脚及2脚为误差放大器的输入端。由TL494芯片构成电压反馈电路时，1、2脚上通过电阻从内部5V基准电压上取分压，作为1脚比较的基准。3脚用于补偿校正，为PWM比较器的输入端，接入电阻和电容后可以抑制振荡，4脚作为死区时间控制端，加载4脚上的电压越高，死区宽度越大。当4脚接地时，死区宽度为0，即全输出；当其接5V电压时，死区宽度最大，无输出脉冲。利用此特点，在4脚和14脚之间接一个电容，可达到输出软启动的目的，还可以供短路保护用。5脚6脚接振荡器的接地电容、电阻。

TL494内置线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，起振荡频率如下：

Fosc=1/CtRt

输出脉冲的宽度是通过电容Ct上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较实现的。三极管VT1和VT2受控于或非门。当双稳态触发器的时钟信号为低电平时才会被导通，即只有在锯齿波电压大于控制信号时才会被导通。当控制信号增大时，输出脉冲的宽度将减小。

控制信号由集成电路外部输入，其中一条送至死区比较器，另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%。当输出端接地时，最大输出占空比为96%，当输出端接参考电平时，占空比为48%。在死区时间控制端上接固定电压（0-3.3V 之间）时，即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。

PWM比较器为误差放大器调节输出脉冲宽度提供了一个手段：当反馈电压从0.5变为3.5时，输出的脉冲宽度由被死区确定的最大导通百分比时间下降到0.两个误差放大器具有从0-0.3V到Ucc-2.0V的共模输入范围，这可从电源输出电压和电流中察觉到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与PWM比较器反相输入端进行“或”运算。正是由于这种电路结构，误差放大器只需最小的输出即可

支配控制回路。

当Ct放电时，一个正脉冲将出现在死区时间比较器的输出端，受脉冲约束的双稳态触发器进行计时，同时停止VT1和VT2的工作。若输出控制端连接到参考电压上，那么调制脉冲交替送至两个三极管，输出频率等于脉冲振荡器的一版。如果工作于单端状态，且占空比小于50%时，则输出驱动信号可分别从VT1和VT2中取得。输出变压器为一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下，当需要更大的驱动电流输出时，可将VT1和VT2并联使用，这时需将输出模式控制端接地，以关闭双稳态触发器。在这种状态下，输出脉冲的频率将等于振荡器的频率。

TL494内置一个5V的基准电压产生电路，使用外置偏置电压时，可提供高达10mA的负载电流。在典型的0℃—70℃范围和50mV电压的条件下，该基准电压产生电路能提供±5%的精度。

2.2.2 场效应管MOSFET

MOSFET开关较快而无存储时间，故在较高工作频率下开关损耗较小，另外所需的开关驱动功率小，降低了电路的复杂性。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（栅极接正，源极接负），才能使该场效应管导通。当Vgs>0时才有可能有电流即漏极电流产生。即当Vgs>0时MOS管才导通。

2.2.3 三极管

本设计选用两种三极管，应为电路中有50KHz和50Hz两个频率，用于50LHz 电路的三极管选择为8550型，而用于50Hz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。

2.3各部分支路设计

2.3.1DC/DC变换电路

由DC/AC和整流滤波电路组成。电路结构如图6.VT1和VT2的基极分别接TL494的两个内置晶体管发射机。中心器件变压器T1，实现电压由12V脉冲电压转变为220V脉冲电压。此脉冲电压经过整流滤波电路变成220V高压直流电压。变压器T1的工作频率选为50KHz左右，因此T1可选用EI33型高频变压器，变压器的匝数比为12/220=0.05，变压器选择为E型。经过实践调制选择初级匝数为10×2，次级匝数为190。10/190≈0.05即满足变压器匝数比约为0.05.电路正常时，TL494的两个内置晶体管交替导通，导致图中晶体管VT1、VT2的基极也应此而交替导通，VT3和VT4交替导通。因为变压器选择为E型，这样使变压器工作在推挽状态，VT3和VT4以频率为50KHz交替导通，使变压器的初级输入端有50KHz的交流电。当VT1导通时，场效应管VT3因为栅极无正偏压而截止，而此时VT2截止，导致场效应管VT4栅极有正偏压而导通。当VT1导通时，VT2截止，场效应管VT3因为栅极无正偏压而截止，而此时VT2截止，导致场效应管VT4栅极有正偏压而导通。且交替导通时其峰值电压为12V，即产生了12V/50KHz 的交流电。当电路工作不正常时，TL494输出控制端为低电平时，TL4949的两个内置晶体管的集电极（8脚和9脚）有12V正偏压，基极为高电平，导致两晶体管同时导通。VT1和VT2因为基极都为高电平而饱和导通，而场效应管VT3、VT4将因栅极无正偏压都处于截止状态，逆变电源停止工作，。极性电容C1滤去12V 直流中的交流成分，降低输入干扰。滤波电容C1可取2200μF。R1、R2、R3起限流作用，取值为4.7KΩ。整流滤波电路由四只整流二极管和一个滤波电容组成。四只整流二极管D1-D4接成电桥形式，称单相桥式整流电路。在桥式整流电路中，电容C2滤去了电路中的交流成分，由模拟电路直流稳压电源的电容滤波电路知：τd=RC≥（3——5）T1/2

当f=50KHz时，T=1/50KHz，R=116KΩ时，R为后继负载电阻，则C≥4.3×10-10F。根据电容标称值选择C2为10μF.输出220V高压直流电，供后继逆变电路使用。

2.3.2输入过压保护电路

电路结构如图7，由DZ1电阻R1和电阻R2、电容C1、二极管VD1组成。输出端口接TL494芯片I的同相输入端（1脚），通过该芯片的误差比较器对其输出进行控制，当输入过大电压时，停止逆变电路工作从而使电路得到保护。因为输入电压直接决定了输出电压的值，对输入端电压的保护也是对输出端子间过大电压进行负载保护。VD1、C1、R1组成了保护状态维持电路，只要输入电压在一瞬间有过大现象，就导致稳压管击穿，电路将沿C1和R1支路充电，继续维持同相端的低电平状态，保护电路就会启动并维持一段时间。当C1和R1充电完成，C1和R2支路开始处于放电状态，当C1放电完成时，TL494芯片I的同相输入端由低电平翻转为高电平，导致TL494芯片I的3脚（反馈输入端）为高电平状态，进而导致TL494芯片内部的PWM比较器为截止状态。此时将导致直流变换电路的场效应管处于截止状态，直流变换电路停止工作。同时TL494的4脚为高电平状态，4脚为高电平时，将抬高芯片内部死区时间比较器同相输入端的电位，使该比较器输出为恒定的高电平，由TL494芯片内部结构可知芯片内置三极管截止，从而停止后继电路的工作。稳压管的稳压值一般为驶入电压的100%-130%。稳压管DZ1的稳压值决定了该保护电路的启动门限电压值，这里我们取15V，稳压管的功率为0.15W。R1取为100KΩ，R2、R3均取为4.7KΩ，C1、C2均取为47μF。

2.3.3输出过电压保护电路

电路结构图如图8，当输入电压过高时将导致稳压管DZ1击穿，使TL494芯片II的4脚对地的电压升高，启动TL494芯片II的保护电路，切断输出。VD1、C1、R2组成了保护状态维持电路，R3、R4为保护电阻，用以增大输出阻抗。稳压管的稳压值一般规定为输出电压的130%-150%。后级电路为220V/50Hz输出，其中负载电阻为100KΩ，TL494芯片II的输出脚电压最大为12V，R1为限流电阻，取值为100KΩ，R2为保护电阻可取值为16KΩ，根据电路分压知识，则R2上的电压为：U=R2×220÷（R1+R1）=220×16÷116≈30.34V

即稳压管的电压取值最大为30.34V，这里取30V。

2.3.4DC/AC变换电路

电路结构图如图9所示，该变换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，且两个内置三极管是交替导通的，频率为50Hz。图中8脚和11脚分别介入了上下两部分完全堆成的桥式电路，因为

两个三极管交替工作，频率为50Hz，所以选用桥式电路，目的在于得到50Hz的交流电。上下两部分电路工作过程完全相同。选其中一部分为说明。这里将其简化成图10。图中VT0为TL494芯片II的一个内置三极管设为VT00，另一个设为VT01。当VT00导通时，VT01截止，VT1的基极没有正偏压，从而使VT1截止，然后VT3的栅极有12V正偏电压，是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，VT01导通，VT1基极有12V正偏压，集电极有12V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12V正偏压导通。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11脚使逆变电路I有220V电压输出。原理同上。上下两部分以频率50Hz交替导通，从而使电路有220V50Hz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和VT6为场效应管可选择为IRF740型。限流电阻可选择10KΩ、1KΩ、4.6K Ω、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。

2.3.5TL494芯片I外围电路

电路结构图如图11，包括过热保护电路及振荡电路。15脚为芯片TL494的反相输入端，16为同相输入端，电路正常情况下15脚电压应略高于16脚电压才能保证误差比较器II的输出为低电平，才能使芯片内的两个三极管正常工作。因为芯片内置5V基准电压源，负载能力为10mA。所以15脚电压应高于5V。15脚电压计算公式为：

U=12×R2÷（R1+R2+Rt）

这里Rt为正温度系数热敏电阻，常温阻值可在150-300Ω范围内任选，是当选大些可提高过热保护电路启动的灵敏度。这里取200Ω。R1取36KΩ，R2取39KΩ，则15脚电压为 6.22V。该脉宽调制器的振荡频率为50KHz，由Fosc=1/CtRt，图中C2、R3为芯片的振荡元件。C2即为Ct,R3即为Rt。其中Fosc 取为50KHz，C2取4700pF，则R3取4.3KΩ。

2.3.6TL494芯片II外围电路

电路结构图如图12，15脚同样为TL494的反相输入端，16脚为同相输入端，电路正常情况下15脚电压应略高于16脚电压才能保证误差比较器II的输出电平为低电平，才能使芯片内两个三极管正常工作。因为芯片内置5V基准电压源，由图知15脚的电压为5V，16脚的电压为0V。芯片内置比较器II的输出为低电平。5脚和6脚为振荡器的定式电容和定时电阻接入端。因为要使输出频率为50Hz，由公式Fosc=1/CtRt知：当Rt取220KΩ时，Ct≈9.09×10-8μF。C1和R2是芯片的振荡元件，即是R2取值为220KΩ，C1取值为0.1μF。芯片的8脚和11脚接逆变电路II，4脚接输入过压保护电路。电容C2取值为47μF，电阻R3取值为10KΩ，当输入过压保护电路启动后，使电容C2对R3放电，使4脚保持为低电平，使TL494芯片II的电路维持一段时间，知道C2放电完毕，则使4脚为高电平，抬高死区电压，从而使芯片II停止工作。

3故障分析与电路改进、实验及仿真等

该逆变电源在接通12V直流电源后，LED指示灯亮，说明电路工作正常。由于该电路设有上电软启动[9]功能，在接通电源后要等7S左右才有220V直流输出。若发生输入电流过大、输出电压过大或者电路工作环境过热的情况均会使LED指示灯变暗，说明逆变电路停止工作。若在接通电源后要等10S左右指示灯还没有点亮，说明逆变电路有问题或者LED灯极性安装反了。

4总结与体会

两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

在这次设计过程中，体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

在此感谢我们的老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次课程设

计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。

同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。