逆变电源的设计

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摘要：
本设计以“互补MOS管推挽”为核心电路，实现12V/24V直流向220V/50Hz交流逆变。首先通过分立元件产生50Hz的互补PWM波，然后将PWM波输入“互补MOS管推挽”的驱动电路，用以控制MOS管的开启与关断，实现AC-DC的逆变。接着再将推挽电路输出端产生的50Hz方波交流电通过工频变压器实现升压，最后通过合适的低通滤波器实现方波到正弦波的转换。

关键词：逆变、PWM、推挽、分立元件、低通滤波器

1引言
1.1设计要求通过使用简单的门电路、三极管、MOS管、变压器等器件，实现由12V/24V直流电压到220V市电的逆变。

1.2整体设计思路
本设计由“互补MOS管推挽”电路、PWM波产生电路和变压器升压电路构成。为保证逆变后可输出较大功率，输入逆变推挽电路的电流应较大，所以AC-DC逆变部分应使用耐流值较高的大功率MOS管。用非门构成震荡电路产生两路互补的PWM波分别控制两路MOS管的开启与关断，从而产生交流电压。该交流电压经工频变压器升至220V。为满足12V升220V和24V升220V两种情况，另外产生两路占空比25%且相位相差180°的PWM波信号。最后通过滤波器将方波转换成正弦波。



2方案设计
2.1整体设计方案
当输入直流电压为12V的时候，通过产生频率为50Hz占空比为50%互补的两路PWM波，控制“互补MOS管推挽电路”的开启与关断，用以实现逆变。当输入为24V的时候，将上述PWM波占空比调整为25%。然后通过升压变压器升压并滤波得到市电电压。PWM波的产生由数字芯片产生，数字电路芯片供电电压由7805稳压模块提供。

2.2方案论证
2.2.1逆变电路的选择
方案一：使用全桥电路。通过PWM波控制NMOS的导通与截止实现逆变，NMOS采用光耦驱动，全桥逆变电路开关管电压较低，输出功率大。
方案二：使用两对CMOS推挽输出，MOS管通过三极管上拉电压驱动。推挽输出的带负载能力较强。
方案二的互补MOS管导通电阻小，带负载能力强，且方案一上下桥臂不共地，需浮地驱动，且电路较复杂，因此采用方案二。

2.2.2PWM波产生电路
方案一：给三极管加适当偏置，使其工作在放大区，利用三极管的开关特性和电容的充放电特性，产生方波。该电路简单易操作，但对电源稳定性有较高要求，输出    电压的频率会随输入电压的改变而发生变化，并且三极管工作在放大区，会产生一定的功耗。    方案二：用非门的反相特性和电容两端电压不能突变的特性，产生方波。非门内部MOS管的功耗较小，利于提高电路的效率，且数字芯片稳定性较好，但数字芯片的供电电压为5V，需另做模块降压供电。
    考虑该设计对效率要求不高，但需较好的稳定性，故选用方案二。

2.2.3分频电路
方案一：用74LS161构成分频电路。74LS161计数器使用简单方便，能够将PWM波进行分频，但是实现占空比的改变较困难。
方案二：用D触发器及门电路构成分频电路。该方案可同时实现频率和占空比的改变，且可输出多路不同占空比的信号，但设计电路上较为复杂，且电路成本高。
考虑本次设计需要不同占空比的PWM波，故选用方案二。

2.3.1推挽电路模块（互补MOS管）
设计逆变电源的主电路采用典型的桥式结构，输入的直流电压直接进入逆变推挽结构，变压后经过滤波输出。互补MOS管的上管为PMOS管，下管为NMOS管，输入低电平会使上管导通，输入高电平会使下管导通。互补MOS管的全桥电路可以很好的利用PWM波使上下管来回导通。采用互补MOS管，避免了全部使用NMOS管需要自举电路的弊端。在互补MOS管前端增加一级三极管驱动电路，利用三极管将震荡信号放大至12V，可以充分驱动MOS管开通。

2.3.2数字芯片供电模块
数字电路的供电电压为直流5V，使用7805稳压芯片，可以直接将12V直流电压稳压至5V，为数字电路芯片提供供电电压。

2.3.3PWM波产生模块
该模块通过门电路和D触发器实现。本设计需要两路不同占空比的PWM波，一个是50Hz占空比为50%的两路互补方波，另一个是50Hz占空比为25%且相位差为180度的两路方波。本设计采用先产生一路200Hz占空比50%的方波，再利用触发器配合门电路产生所需PWM波。

·200Hz方波：
利用非门和合适的电容电阻构成RC环形振荡器产生方波，图4所示。
通过公式：计算出R、C的取值，电容选取0.33uF，为产生标准200Hz波形，电阻部分采用3.9千欧电阻与5千欧电位器串联组成。通过调节电位器，精确调节频率。




·50%占空比50Hz方波：
通过D触发器实现分频，利用非门获得互补的另一路波形。




·占空比25%方波电路：
200Hz的方波作为D触发器的时钟信号，通过计算，使其产生0001和0100脉冲序列信号，即可实现分频的同时改变占空比，且保证两路波形的相位差。




三、设计实现
3.1设计过程中遇到的问题
（1）产生的PWM波不稳定，无法使MOS管正常工作。
（2）选择的MOS管型号不合适，导致MOS管被击穿。
（3）得到的方波交流电电压峰峰值小于24V，有时候出现严重衰减的状况。
（4）变压器接入，带负载后发现前端电流过大，发热严重。

3.2解决办法（针对上述几点）
（1）由于电路板是分模块制作的，每个模块间通过杜邦线连接，大量的杜邦线的使用导致连接不稳定，故输出波形不稳定。改进办法：将各个模块集中制板，减少杜邦线的连接。
（2）检查PCB背面走线镀锡部分是否短路，并更换耐流值、耐压值高的MOS管，避免功率管被过高的尖峰电压击穿。
（3）检查电路板各模块是否工作正常，选用损耗较小的元器件。
（4）逆变电路MOS管增大散热片面积，PCB底层加宽镀锡，防止板子或元件烧坏。

在直流电源与MOS管漏极之间加入15A保险丝作为过流保护。


3.3方案确定
推挽电路MOS管更换成大功率互补MOS管，加大散热片，在PWM波电路与全桥电路中间增加光耦，PCB底部大电流通过部分导线再加粗，设计好PCB后底层镀锡。前全桥电路自举电路用三极管驱动电路取代。加入保险丝作为过流保护。

四、测试
4.1测试方法
将本设计作品接入12V直流稳压电源，在输出端用万用表测出电压值并且测量频率；分别输入电压11V和13V，测输出的电压；接入负载后调整负载的值，测试输出电压的变化，计算负载调整率；然后将功率计和100W白炽灯接入负载，测出功率，电压和电流的值。

4.2测试仪表及工具
万用表；功率计；示波器

4.3测试结果分析
4.3.1推挽逆变测试数据：




4.3.2升压测试数据：



4.3.3带负载测量



4.4测试结果分析
本设计逆变的功率可以达到要求，因为是开环设计，输出随输入波动而变化。

五、结论
此次设计完成了12V直流向220V交流电压逆变，可以使100W的白炽灯工作，但负载变化率有些大，通过切换可以使电路从24V向220V逆变，由于分立元件产生SPWM波困难，所以滤波输出波形不是严格的正弦波。因为分立器件实现闭环反馈困难，所以本设计为开环逆变电源，负载调整率会随负载增大而增加，经过对电路的调整，情况有所改善。综上所述，题目基础部分基本完成，发挥部分完成了一部分。这次比赛将数电基础知识用在了逆变电源中，与其他学习过的逆变电源设计相比，具有一定的创新成分。通过此次比赛，知道了基础知识要打牢，我们小组各成员以后学习的东西还有很多，逐渐发掘自己的潜力，希望在以后学习过程中，每天都能进步。


附录：
1整体原理图




2整体PCB设计

bluesky

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