12V220V车载逆变电源实用制作技术2

黑龙江八一农垦大学

2011 届毕业论文（设计）

12V/220V车载逆变电源实用制作技术

院部：信息院

学生姓名：吴博庆

指导教师：刘羽楠

专业：电气工程及其自动

班级：07级3班

2011 年5 月

摘要

摘要

该设计主要应用开关电源电路技术有关知识。涉及模拟集成电路、电源集成电路、直流稳压电路、开关稳压电路等原理，充分运用芯片TL494的固定频率脉冲宽度调制电路及场效应管（N沟道增强型MOSFET）的开关速度快、无二次击穿、热稳定性好的优点而组合设计的电路。该逆变电源的主要组成部分为：DC/DC电路、输入过压保护电路、输出过压保护电路、过热保护电路、DC/AC变换电路、振荡电路、全桥电路。在工作时的持续输出功率为150W，具有工作正常指示灯、输出过压保护、输入过压保护以及过热保护等功能。该电源的制造成本较为低廉，实用性强，可作为多种便携式电器通用的电源。

关键词：过热保护；过压保护；集成电路；振荡频率；脉宽调制

Abstract

The design applying the switching power source circuit technology in connected. Relating with knowledge about what imitate integrated circuit、power source integrated circuit、power amplification integrated circuit and switching regulated voltage circuit on principle. Sufficient apply chip TL494 fixed-frequency pulse width modulation circuit and field effect transistor (N channel strengthen MOSFET) whose switch speed quick, nothing secondary Break down and hot stability good merit to design circuit. Owe the inverter main part ingredient by DC/DC circuit、importing the over-voltage crowbar circuit、exporting an over-voltage crowbar protect a circuit、overheat protective circuit、DC/AC shifts circuit、oscillating circuit and entire bridge circuit. Continuing for during the period of the job exports power functions such as being 150 W, having the regular guiding lights working, exporting an over-voltage crowbar, importing the over-voltage crowbar and overheat protective. The cost of manufacture being a power source of turn is comparatively cheap, the pragmatism is strong, and it has a function annex to the various portably type.

Key words: over heat protective; over-voltage integrated circuit (IC); oscillating frequency; pulse width modulation (PWM).

I

目录

目录

摘要................................................................................................................................................................. I Abstract ...................................................................................................................................................... I 第1章绪论. (1)

第2章系统概述 (2)

2.1 逆变电源的基本构成和原理 (2)

2.1.1 基本构成 (2)

2.1.2 电路工作原理 (3)

2.2 逆变电源的技术性能指标及主要特点 (4)

第3章系统的主要元器件及其特性 (5)

3.1 TL494电流模式PWM控制器 (5)

3.1.1 TL494管脚配置及其功能 (5)

3.1.2 回路控制器工作原理 (5)

3.1.3 工作过程 (8)

3.2 场效应管 (9)

3.3 三极管 (9)

第4章分支路电路设计及其参数计算 (11)

4.1 DC/DC变换电路 (11)

4.2 输入过压保护电路 (12)

4.3 输出过压保护电路 (13)

4.4 DC/AC变换电路 (14)

4.5 TL494芯片?外围电路 (16)

4.6 TL494芯片??外围电路 (16)

4.7 该逆变电源的整机电路原理图(附录A) (17)

4.8 该电路的元件参数表(附录B) (17)

第5章调试 (18)

附录A整机原理图 (19)

附录B元件参数表 (20)

参考文献 (21)

致谢 (23)

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第1章绪论

逆变电源被称为“明天的电源”，逆变电源总的发展趋向是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展并以提高可靠性、性能及拓宽用途为核心。该电源主要应用开关电源电路技术的有关知识，涉及模拟集成电路、电源集成电路、直流稳压电路、开关稳压电路等原理，充分运用芯片TL494的固定频率脉冲宽度调制电路[1]和场效应管[2]（N沟道增强型MOSFET）的开关速度快、无二次击穿、热稳定性好的优点与三极管一起构成的组合设计电路。

该逆变电源可将电瓶的12V直流电转换为220V/50Hz的交流电，供汽车音响，车用DVD，车用冰箱，手提电脑，手机充电器和各种电源适配器使用。在发达国家车载逆变源是每辆车必须具备的。因此具有相当强的通用性。

该逆变电源在工作时的持续输出功率为150W，并且具有输出过压保护、输入过压保护以及过热保护等功能。该电源的制造成本较为低廉，千台以上数量的批产成本仅在40元/台左右，并且当印制板的尺寸不受限制时，可以将输出功率做到200W以上，因此该逆变电源几乎可以替代目前市场上所售的各种逆变器或者逆变电源产品，其应用前景十分广阔。

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第2章系统概述

2.1 逆变电源的基本构成和原理

2.1.1 基本构成

该设计电路的方框图如图1。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。逆变电路又包括频率产生电路（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220V交流。

图1 整机原理方框图

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。

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图2 逆变I电路原理方框图

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。

图3 逆变II电路原理方框图

2.1.2 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，此交流电再经过整流滤波电路得到220V高压直流电，然后经过逆变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12V

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直流转换成220V/50KHz的交流电。在逆变电路II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/50Hz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. 2逆变电源的技术性能指标及主要特点

（1）输入：12V直流（汽车蓄电池）。

（2）输出：220V交流（非正弦波）。

（3）输出功率：大于100W。

（4）具有输入过压保护和输出过压保护，稳定性好。

（5）有过热保护功能，使用安全。

（6）可作为多种电器的通用电源，使用方便。

（7）含有工作正常指示灯。

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第3章系统的主要元器件及其特性

3.1 TL494电流模式PWM控制器

3.1.1 TL494管脚配置及其功能

TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。图4是它的管脚图，其中1、2脚是误差放大器I的同相和反相输入端；3脚是相位校正和增益控制；4脚为间歇期调理，其上加0～3.3V电压时可使截止时间从2%线怀变化到100%；5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容；7脚为接地端；8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极；12脚为电源供电端；13脚为输出控制端，该脚接地时为并联单端输出方式，接14脚时为推挽输出方式；14脚为5V基准电压输出端，最大输出电流10 mA；15、16脚是误差放大器II的反相和同相输入端。

图4 TL494管脚图

3.1.2 回路控制器工作原理

回路控制器的方框图如图5所示。被控制量（如压力、流量、温度等）通过传感器交换为0～5V的电信号，作为闭环回路的反馈信号，通过有源简单二阶低通滤波电路进

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行平滑、去除杂波干扰后送给TL494的误差放大器I的IN+同相输入端。设定输入信号是由TL494的5V基准电压源经一精密多圈电位器分压，由电位器动端通过有源简单二阶低通滤波电路接入TL494的误差放大器I的IN-反相输入端。反馈信号和设定信号通过TL494的误差放大器I进行比较放大，进而控制脉冲宽度，这个脉冲空度变化的输出又经过整流滤波电路及由集成运算放大器构成的隔离放大电路进行平滑和放大处理，输出一个与脉冲宽度成正比的、变化范围为0～10V的直流电压。这个电压就是所需要的输出控制电压，用它去控制执行电路，及时调整被控制量，使被控制量始终与设定值保持一致，形成闭环单回路控制。

图5 回路控制方框图

（1）输入电路

两个运算放大器IC1A、IC1B都接成有源简单二阶低通滤电路，分别作为反馈信号输入和设定信号输入的处理电路。在电路设计上，两个输入电路采取完全对称的形式。将有源简单二阶低通滤波电路的截止频率fp设计为4Hz，根据有源简单二阶低通滤波电路中fp=0.37f0（f0为该滤波器的特征频率）选取C1与C2为1μF,然后算得R1与R 2为16kΩ。这样可以滤除由于传感器距离较远输入引线过长而带来的高频杂波干扰和平滑传感器信号本身的波动，使加入到TL494的管脚1即误差放大器I同相输入端IN+的信号尽可能地平滑和相对稳定。在有源简单二阶低通滤波电路与误差放大器I同相输入端IN+之间接有10kΩ的限流隔离电阻。把TL494的14脚输出的5V基准电压源，用一3.3kΩ精密多圈电位器W1分压作为设定输入信号，通过与处理传感器反馈信号相同的电路，送入TL494的管脚2，即误差放大器I的反相输入端IN-端。实验中发现，R1 9、R20这两个限流隔离电阻必不可少。否则，TL494误差放大器I的两个输入端的电位将相互影响。另外，实验数据还表明，TL494误差放大器的两个输入端在低电压时跟踪的线性不大好，故这里将两个输入运算放大器的放大倍数取为2，以改善反馈信号与设定信号的跟踪线性。

用TL494实现的单回路控制器的电路原理图如图6所示。

图6脉宽调制电路

在本控制器中只用到了TL494的误差放大器I，故将误差放大器II的IN+（16脚）接地、IN-（15脚）接高电平。为保护TL494的输出三极管，经R13和R10分压，在4脚加接近0.3V的间歇调整电压。R9、R12和C5组成了相位校正和增益控制网络。经过实验，在本控制器中振荡电阻和振荡电容分别取200kΩ和0.1μF。输出采用并取方式，取自发射级。整机电源取12V单电源。

（2）输出电路

为了把脉宽变化的方波信号转换为大小变化的直流信号，通过开关二极管D1、电容C8进行整流滤波。R15作为整波滤波的输出负载，还在脉冲截止期间为C8提供放电回路，使C8上的电压与TL494输出的脉宽成正比。为使输出电压进一步平滑、提高带负载能力以及使输出电压在0～10V之间变化，又加入了一级压控电压源二阶低通滤波电路。在图中所示元件参数下，最大的直流输出电压是10V，IC3A输出端接的10V稳压二极管，是保证在意外的情况下，使输出电压不大于10V。

4 实测数据分析

表1～表3的数据是在输出端接10kΩ负载电阻的开环条件下用DT9102A型数字万用表测得的。其中反馈信号及设定信号分别用精密多圈电位器对标准5V基准源分压来模拟,并且测量点取自IC1A及IC1B的输出端即IC1的1脚和7脚,输出取自IC3A的1脚。所有单位均为伏。

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表1 开环的条件下实测数据组1

设定（V） 1.021 1.023 1.022 1.021 1.020 1.019 1.018 1.016 1.015 1.012 1.010 反馈（V） 1.252 1.240 1.227 1.027 1.186 1.162 1.137 1.113 1.090 1.064 1.008 输出（V）0.01 1.08 1.99 3.01 4.00 5.00 6.09 7.00 8.00 9.00 9.96

表2 开环的条件下实测数据组2

设定（V）2.03 2.03 2.03 2.03 2.03 2.03 2.02 2.02 2.02 2.02 2.02 反馈（V）2.18 2.16 2.15 2.13 2.11 2.08 2.06 2.04 2.01 1.99 1.96 输出（V）0.01 0.99 2.03 3.00 4.01 5.09 6.10 7.01 8.00 9.00 9.62

表3 开环的条件下实测数据组3

设定（V）3.03 3.03 3.03 3.03 3.03 3.03 3.03 3.03 3.03 3.03 3.03 反馈（V）3.10 3.09 3.07 3.03 3.03 3.01 2.98 2.96 2.93 2.91 2.83 输出（V）0.01 1.03 2.00 3.05 4.02 5.07 6.02 7.01 7.99 9.04 9.92

对实际的回路控制器电路测量了多组数据,限于篇幅仅更出以上三级数据。从测得的数

据分析,我们可看出,在开环条件下该控制器的反馈信号的动态范围很小,仅在±0.225V

范围内。当构成闭环联回路控制时,合理的控制系统中（执行机构的最大输出稳定值应

为最大设定值的1.1至1.2倍）,可以得出反馈量与设定量一定有一个动态平衡值,且在

该平衡值,反馈量与设定量的一致性应非常好。也就是说,该控制器的控制灵敏度和控制

精度都很高。

经实际应用,证明了以上的分析。该控制器的控制灵敏度和控制精度都很高,可完全取代

一些成本高、电路复杂的单回路控制器。

综上所述,用TL494为主要元件实现的闭环单回路控制器具有构思新颖、电路简单、成

本低廉以及控制过程稳定等特点,在很多工业控制场合可获得广泛的应用。

3.1.3 工作过程

当反馈信号大于设定值时，通过TL494的脉宽调制作用，其9脚与10脚并联输出

信号的脉宽减小，这个输出信号再经整流滤波电路及隔离与放大输出电路，使最后输出

的直流控制信号的电压相应下降。直流控制信号通过控制电路经执行机构（如电动机、电热管等）使被控制量下降，再进而通过传感器使反馈信号降低，形成单回路闭环控制。当反馈信号小于设定值时，上述控制过程相反。另外，还可以根据被控制系统的具体情

况，来调整输入二阶低通滤波器的电容大小，使控制过程及时、准确、稳定。再有，为使控制过程直观，还应加上设定量及被控制量的显示（指示）电路。可从两个输入端取出信号，然后分别通过隔离放大电路（如用运算放大器组成的电压跟随器）送到表头指示。表头可采用多功能数字式电子表头成品或直接用满量程5V的机械表示。

3.2 场效应管

场效应管是一种适应开关电源小型化、高效率化和高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7。这种器件不仅兼有开关速度快、无存储时间、体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、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，特别是在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用。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0

Vgs 时MOS管才导通。

图7 MOSFET代表符号图

3.3 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

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电路的三极管选择为8550型，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。设计电路中主要运用三极管的导通截止的开关特性。

第4章分支路电路设计及其参数计算

4.1 DC/DC变换电路

由DC/AC和整流滤波电路组成。电路结构如图8，VT1和VT2的基极分别接TL494的两个内置晶体管的发射极。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型的高频铁氧体磁心变压器，变压器的匝数比为12220005

÷≈?，变压器选择为E型，可自制。经过实践调制选择初级匝数为10×2，次级匝数为190。10190005

÷≈?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的基极也因此而交替导通，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，TL494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，LED指示灯熄灭。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可取为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接成电桥的形式，称单相桥式整流电路。

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图8 直流变换电路图

4.2 输入过压保护电路

电路结构如图9，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（第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，只要发生瞬间的输入电压过大现象，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脚即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、或门、或非门的输出均发生翻转，TL494芯片内置功率输出级三极管VT1和VT2均转为截止状态。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，使该比较器的输出为恒定的高电平，由TL494芯片内部结构知，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输入电压的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。考虑到汽车

行驶过程中电瓶电压的正常值变化幅度大小，通常将稳压管的稳压值选为15V或者16V 较为合适。在此取为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。

图9 输入过压电路保护图

4.3输出过压保护电路

电路结构如图10，当输出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%。后继电路为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为限流电阻可取值为100KΩ，R2为保护电阻可取为16KΩ，根据电路分压知识，则R2上的电压为：

()

=?÷+=?÷≈V (3) 2220112201611630.34

U R R R

即稳压管的电压取值最大为30.34V，这里稳压管取值为30V。

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图10 输出过压电路保护图

4.4 DC/AC变换电路

电路结构如图11，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级，且两个内置三极管是交替导通的，变替导通的频率为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。这里将其简化如图12。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，即VT01截止时：VT1的基级没有正偏压，从而使VT1截止，然后VT3的栅极有12V 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基级有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VT3截止，220V电压无法送至输出。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I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应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、VT4、VT5和VT6为场效应管可选择为IRF740型。限流电阻可选择10KΩ、1KΩ、4.7KΩ、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。

图11 DC/AC转换电路图

图12 简化图

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4.5 TL494芯片?外围电路

电路结构如图13，包含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脚电压计算式为：

()12212U R R R Rt =?÷++ (4)

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，适当选大写可提高过热保护电路启动的灵敏度。这里取200Ω。R1取36K Ω，R2取39K Ω，则15脚电压为6.22V 。符合要求。该脉宽调制器的振荡频率为50KHz ，由公式（1）知()1Fosc 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4.3K Ω。

图13 TL494芯片I 外围电路

4.6 TL494芯片??外围电路

电路结构如图14，同样15脚为芯片TL494的反相输入端，16脚为同相输入端，

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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，才能使芯片内两个三极管正常工作。因为芯片内置5V 基准电压源，由图可知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脚为振荡器的定时电容和定时电阻接入端。因为要使输出频率为50Hz ，由公式()1Fosc CtRt =÷知：当Rt 取为220K Ω时， 89.0910μF Ct -≈?，可取为0.1μF 。C1和R2是芯片的振荡元件，即是R2取值为220K Ω，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10K Ω，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 的电路维持一端时间，直到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。

图14 TL494芯片II 外围电路

4.7该逆变电源的整机电路原理图(附录A)

4.8该电路的元件参数表(附录B)